Fusée rotative

Rotary Rocket Company était une société de fusées qui a développé le concept Roton à la fin des années 1990 en tant que vaisseau spatial habité mono-étage entièrement réutilisable (SSTO) . Le concept a été initialement conçu par Bevin McKinney, qui l'a partagé avec Gary Hudson . En 1996, Rotary Rocket Company a été créée pour commercialiser le concept. Le Roton était destiné à réduire les coûts de lancement de charges utiles en orbite terrestre basse d'un facteur dix.

L'entreprise a réuni un capital-risque considérable auprès d' investisseurs providentiels et a ouvert une usine dont le siège social se trouve dans une installation de 4 200 m² (45 000 pieds carrés) au ^Mojave Air and Space Port à Mojave, en Californie . Le fuselage de leurs véhicules a été fabriqué par Scaled Composites , dans le même aéroport, tandis que l'entreprise développait la conception innovante du moteur et le système d'atterrissage de type hélicoptère. Un véhicule d'essai à grande échelle a effectué trois vols stationnaires en 1999, mais l'entreprise a épuisé ses fonds et a fermé ses portes début 2001.

Bevin McKinney réfléchissait depuis plusieurs années à l'idée d'un lanceur utilisant des pales d'hélicoptère, lorsque le magazine Wired a demandé à Gary Hudson d'écrire un article sur le concept. L'article qui en a résulté a abouti à un engagement de financement du milliardaire Walt Anderson , qui a été combiné à un investissement initial de l'auteur Tom Clancy et a permis à l'entreprise de démarrer. Hudson et McKinney ont été rejoints par les cofondateurs Frederick Giarrusso, Dan DeLong, James Grote, Tom Brosz et Anne Hudson, qui ont lancé ensemble la société en octobre 1996.

Le concept initial de Gary Hudson et Bevin McKinney consistait à fusionner un lanceur avec un hélicoptère : des pales de rotor rotatives , propulsées par des jets d'extrémité , soulèveraient le véhicule dès la première étape du lancement. Une fois que la densité de l'air se serait amincie au point que le vol en hélicoptère serait impraticable, le véhicule continuerait son ascension grâce à la seule puissance de la fusée, le rotor agissant comme une turbopompe géante .

Les calculs ont montré que les pales de l'hélicoptère augmentaient modestement l' impulsion spécifique effective ( I _sp ) d'environ 20 à 30 secondes, ce qui permettait essentiellement de mettre les pales en orbite « gratuitement ». Ainsi, cette méthode n'apportait aucun gain global pendant l'ascension. Cependant, les pales pouvaient être utilisées pour faire atterrir le véhicule en douceur, de sorte que son système d'atterrissage n'entraînait aucun coût supplémentaire.

L'un des problèmes rencontrés lors des recherches menées au Rotary était qu'une fois que le véhicule aurait quitté l'atmosphère, une poussée supplémentaire serait nécessaire. Ainsi, plusieurs moteurs seraient nécessaires à la base ainsi qu'aux extrémités du rotor.

Cette version initiale du Roton avait été conçue pour le marché des petits satellites de communication. Cependant, ce marché s'est effondré, comme l'a montré l'échec d' Iridium Communications . Par conséquent, le concept du Roton a dû être repensé pour des charges utiles plus lourdes.

Le concept révisé et redessiné du Roton était un lanceur en forme de cône, avec un rotor d'hélicoptère sur le dessus, destiné à être utilisé uniquement pendant l'atterrissage. Une soute interne pouvait être utilisée à la fois pour transporter des charges utiles en orbite et pour en ramener d'autres sur Terre. Le prix de mise en orbite prévu de cette conception était de 1 000 $ par kg de charge utile, soit moins d'un dixième du prix de lancement alors en vigueur. La capacité de charge utile était limitée à un poids relativement modeste de 6 000 livres (2 700 kg).

La version révisée aurait utilisé un moteur aérospike annulaire rotatif unique : le moteur et la base du lanceur tourneraient à grande vitesse (720 tr/min ) pour pomper le carburant et l'oxydant vers la jante par la rotation. Contrairement au rotor d'atterrissage, en raison de l'angle faible des buses dans le rotor de base, la vitesse de rotation était auto-limitée et ne nécessitait aucun système de contrôle. Étant donné que la densité du LOX ( oxygène liquide ) était supérieure à celle du kérosène, une pression supplémentaire était disponible avec le LOX, de sorte qu'il aurait été utilisé pour refroidir la gorge du moteur et d'autres composants, plutôt que d'utiliser le kérosène comme liquide de refroidissement comme dans une fusée LOX/kérosène conventionnelle. Cependant, aux niveaux de G élevés sur le bord extérieur du bloc moteur rotatif, la clarté sur la façon dont le LOX fonctionnerait comme liquide de refroidissement était à la fois inconnue et difficile à valider. Cela ajoutait une couche de risque.

De plus, l'échappement rotatif agissait comme un mur sur le bord extérieur de la base du moteur, abaissant la température de la base en dessous de la température ambiante en raison de l'effet de pompe à éjection et créant une ventouse au fond dans l'atmosphère. Cela pouvait être atténué en utilisant du gaz d'appoint pour développer la pression de base, ce qui nécessitait un moteur-fusée supplémentaire pour remplir la base du moteur-fusée principal. (Des problèmes similaires se seraient produits dans un moteur Aerospike conventionnel , mais là, la recirculation naturelle et l'utilisation de l' échappement du générateur de gaz du turbopompe comme gaz d'appoint auraient largement atténué le problème « gratuitement ».)

Au niveau du pourtour, 96 jets miniatures évacueraient les propulseurs en combustion (LOX et kérosène ) autour du pourtour de la base du véhicule, ce qui lui donnerait une poussée supplémentaire à haute altitude – agissant comme une tuyère aérospike tronquée de longueur nulle. Un système similaire avec des moteurs non rotatifs a été étudié pour la fusée N1 . Cette application avait une surface de base beaucoup plus petite et ne créait pas l’effet d’aspiration qu’induit un moteur périphérique plus grand. Le moteur Roton avait un vide projeté I _SP (impulsion spécifique) d’environ 355 secondes (3,48 km/s), ce qui est très élevé pour un moteur LOX/kérosène – et un rapport poussée/poids de 150, ce qui est extrêmement léger.

Lors de la rentrée, la base servait également de bouclier thermique refroidi par eau . C'était théoriquement un bon moyen de survivre à la rentrée, en particulier pour un véhicule léger et réutilisable. Cependant, l'utilisation de l'eau comme liquide de refroidissement nécessiterait de la convertir en vapeur surchauffée, à des températures et des pressions élevées, et on craignait que des micrométéorites ne s'endommagent en orbite, perforant le récipient sous pression, provoquant la défaillance du bouclier de rentrée. Ces préoccupations ont été résolues en utilisant un système de flux massivement redondant résistant aux pannes, créé à l'aide de fines feuilles de métal gravées chimiquement avec un motif de micropores formant un système de canaux résistant aux pannes et aux dommages.

De plus, le refroidissement était obtenu de deux manières différentes : l'une était la vaporisation de l'eau, mais la seconde était encore plus importante et était due à la création d'une couche de vapeur « froide » entourant la surface de la base, réduisant la capacité de chauffage. De plus, le système de mesure de l'eau devait être extrêmement fiable, donnant une goutte par seconde par pouce carré, et a été réalisé via une approche de conception par essais/erreurs sur du matériel réel. À la fin du programme Roton, du matériel avait été construit et testé. La trajectoire de rentrée devait être ajustée, comme pour le Soyouz, pour minimiser les charges G sur les passagers. Et le coefficient balistique était meilleur pour le Roton et pouvait être mieux adapté. Lorsque le système de compensation du Soyouz a échoué et qu'il est devenu complètement balistique, les niveaux de G ont augmenté de manière significative mais sans incident pour les passagers.

Le véhicule était également unique en ce qu'il prévoyait d'utiliser ses rotors de type hélicoptère pour l'atterrissage, plutôt que des ailes ou des parachutes. Ce concept permettait des atterrissages contrôlés (contrairement aux parachutes), et il pesait 1/5 du poids des ailes fixes. Un autre avantage était qu'un hélicoptère pouvait atterrir presque n'importe où, alors que les avions spatiaux ailés comme la navette spatiale devaient revenir sur la piste. Les pales du rotor devaient être propulsées par des fusées à pointe de peroxyde. Les pales du rotor devaient être déployées avant la rentrée ; certaines questions ont été soulevées quant à savoir si les pales survivraient jusqu'à l'atterrissage.

Le plan initial était de les avoir presque à la verticale, mais cela s'est avéré instable car il fallait qu'elles descendent de plus en plus bas et qu'elles tournent plus vite pour assurer la stabilité, les taux de chauffage ont augmenté de façon spectaculaire et le flux d'air est devenu plus direct. Cela a eu pour conséquence que les pales sont passées d'une pièce de matériel légèrement chauffée à une pièce qui devait être refroidie activement ou fabriquée en SiC ou autre matériau réfractaire. L'idée de faire sortir les pales est devenue beaucoup plus attrayante à ce stade, et des études initiales ont été réalisées pour cette option. Ce concept de conception de rotor n'était pas sans précédent. En 1955, l'un des cinq projets soviétiques de missions suborbitales pilotées devait inclure des rotors à pointe de fusée comme système d'atterrissage. Le 1er mai 1958, ces plans ont été abandonnés car il a été décidé de procéder directement à des vols orbitaux.

Rotary Rocket a conçu et testé sous pression un réservoir composite LOX exceptionnellement léger mais solide . Il a survécu à un programme de test qui impliquait qu'il soit soumis à des cycles de pression et finalement délibérément tiré pour tester sa sensibilité à l'allumage.

En juin 1999, Rotary Rocket a annoncé qu'elle utiliserait un dérivé du moteur Fastrac en cours de développement au Marshall Space Flight Center de la NASA , au lieu du moteur rotatif non conventionnel de la société. Selon certaines informations, la société n'a pas réussi à convaincre les investisseurs de la viabilité de sa conception de moteur ; la structure composite et la rentrée dans l'atmosphère du gyrocoptère étaient plus faciles à vendre.

Parallèlement à ce changement, la société a licencié environ un tiers de ses employés, réduisant son effectif approximatif de 60 à 40. À ce stade, la société prévoyait de commencer son service de lancement commercial dans le courant de 2001. Bien que la société ait levé 30 millions de dollars, elle devait encore lever 120 millions de dollars supplémentaires avant d'entrer en service.

Un véhicule d'essai atmosphérique (ATV) grandeur nature, haut de 19 m (63 pieds), a été construit sous contrat par Scaled Composites pour être utilisé dans des vols d'essai en vol stationnaire. L'ATV de 2,8 millions de dollars n'était pas destiné à être un article de test complet, car il n'avait pas de moteur-fusée ni de protection thermique. L'ATV a quitté son hangar de Mojave le 1er mars 1999, portant un enregistrement FAA de N990RR.

La tête du rotor a été récupérée d'un Sikorsky S-58 écrasé , au prix de 50 000 $, contre 1 million de dollars pour une tête neuve. Chaque rotor était alimenté par un jet de peroxyde d'hydrogène de 350 lbf (1 560 N) , comme prévu pour le véhicule orbital. L'assemblage du rotor a été testé dans une carrière de roche avant d'être installé sur l'ATV.

L'ATV a effectué trois vols d'essai réussis en 1999. Le pilote de ces trois vols était Marti Sarigul-Klijn et le copilote Brian Binnie (qui est devenu plus tard célèbre en tant que pilote du SpaceShipOne de Scaled Composites lors de son deuxième vol X-Prize ).

L'ATV a effectué son premier vol le 28 juillet. Ce vol consistait en trois sauts verticaux d'une durée totale de 4 minutes et 40 secondes et atteignait une altitude maximale de 2,4 m. Les pilotes ont trouvé le vol extrêmement difficile pour un certain nombre de raisons. La visibilité dans le cockpit était si limitée que les pilotes l'ont surnommé la Batcave . La vue du sol était entièrement obstruée, de sorte que les pilotes devaient se fier à un altimètre sonar pour évaluer la proximité du sol. L'ensemble de l'engin avait une faible inertie de rotation et le couple des pales du rotor en rotation faisait tourner le corps, à moins qu'il ne soit contrecarré par une poussée de lacet dans la direction opposée.

Le deuxième vol, le 16 septembre, a été un vol stationnaire continu d'une durée de 2 minutes et 30 secondes, atteignant une altitude maximale de 20 pieds (6,1 m). Le vol soutenu a été rendu possible par l'installation de propulseurs d'extrémité de rotor plus puissants et d'une manette des gaz automatique .

Le troisième et dernier vol a eu lieu le 12 octobre. L'ATV a parcouru la piste de vol du Mojave Air and Space Port , parcourant 1 310 m (4 300 pieds) en vol et s'élevant à une altitude maximale de 23 m (75 pieds). La vitesse a atteint 85 km/h (53 mph). Ce test a révélé une certaine instabilité en vol translationnel.

Un quatrième essai a été prévu pour simuler une descente en autorotation complète. L'ATV monterait jusqu'à une altitude de 10 000 pieds (3 050 m) par ses propres moyens, avant de réduire les gaz et de revenir pour un atterrissage en douceur. À ce stade, étant donné qu'un financement supplémentaire était alors peu probable, des considérations de sécurité ont empêché la tentative de test.

La fusée Rotary a échoué en raison du manque de financement, mais certains ont suggéré que la conception elle-même était intrinsèquement défectueuse.

Le Rotary Rocket a effectué trois vols d'essai et un réservoir de carburant composite a survécu à un programme d'essai complet, mais ces tests ont révélé des problèmes. Par exemple, l'ATV a démontré que l'atterrissage du Rotary Rocket était délicat, voire dangereux. Les pilotes d'essai disposent d'un système de notation, l' échelle de notation Cooper-Harper , pour les véhicules entre 1 et 10, qui correspond à la difficulté de pilotage. L'ATV Roton a obtenu un 10 — le simulateur de véhicule s'est avéré presque impossible à piloter par quiconque, à l'exception des pilotes d'essai du Rotary, et même dans ce cas, il y a eu de courtes périodes où le véhicule était hors de contrôle.

D'autres aspects du plan de vol n'ont pas été prouvés et on ne sait pas si Roton aurait pu développer des performances suffisantes pour atteindre l'orbite avec un seul étage et revenir - bien que sur le papier cela aurait pu être possible.

Le développement du moteur a cessé en 2000, apparemment deux semaines avant la date prévue pour un test à grande échelle. Le véhicule n'a pas réussi à obtenir de contrats de lancement et Rotary Rocket a fermé ses portes en 2001.

Le moment choisi pour lancer l'aventure était mal choisi : l' entreprise Iridium Communications était au bord de la faillite et l' industrie spatiale en général était en difficulté financière. En fin de compte, l'entreprise n'a pas réussi à attirer suffisamment de fonds, même si de nombreuses personnes ont apporté un soutien total de 33 millions de dollars, dont l'écrivain Tom Clancy .

Le véhicule d'essai atmosphérique devait être exposé au Classic Rotors Museum , un musée d'hélicoptères près de San Diego, en Californie , mais une tentative de le déplacer là-bas le 9 mai 2003 via une élingue courte sous un CH-47 Chinook de la réserve de l'armée a échoué lorsque le Roton a commencé à osciller à des vitesses aériennes supérieures à 35 nœuds (65 km/h). Au lieu de cela, le véhicule a été conservé à Mojave, et le 10 novembre 2006, le Roton a été déplacé vers son emplacement d'exposition permanent à l'intersection de Airport Blvd et Sabovich Road.

Les hangars de fusées Rotary sont désormais occupés par l' École nationale des pilotes d'essai .

Données de

Caractéristiques générales

• Capacité : 7 000 lb (3 200 kg) de charge utile
• Longueur : 64 pieds (20 m)
• Diamètre : 22 pieds (6,7 m)
• Poids brut : 400 000 lb (181 437 kg)
• Capacité de carburant : 372 500 lb (169 000 kg)
• Groupe motopropulseur : 72 moteurs-fusées rotatifs RocketJet , poussée de 6 950 lbf (30,9 kN) chacun dans le vide
• Impulsion spécifique : 340 s (3,3 km/s)
• Durée de combustion : 253 s

Performance

• Portée : 120 mi (190 km, 100 milles marins)