Histoire du remorqueur spatial

Définition et balbutiements conceptuels.

Le bestiaire des véhicules spatiaux est multiple : lanceur, vaisseau, cargo et remorqueur. Mais qu’est-ce qu’un remorqueur ? Le « précédent nautique » peut nous renseigner, que constate-t-on ? Un remorqueur est avant tout un navire destiné à en déplacer un autre dont la propulsion n’est pas opérationnelle, ou naturellement absente, par exemple, pour la sortie d’un port, le déplacement d’une barge. Le concept de remorqueur repose donc sur deux principes : la modularité et la notion de service/assistance dans un schéma de transport étendu. Que ce soit pour les affaires maritimes ou le domaine spatial le remorqueur s’est développé en dernier, ultime maillon de la chaîne du transport. Il est intéressant de noter que ses attributions sur les mers où dans les cieux se sont progressivement développées pour couvrir le transport, le sauvetage et la surveillance. Chose étonnante, la maturation des technologies connut une évolution similaire. Les orientations actuelles de la propulsion spatiale avancée furent identifiées dès le milieu du 19ème siècle par Jules verne. DE LA TERRE A LA LUNE (1865), comporte en effet le passage suivant : « Je vous demande s'il y a là de quoi s'extasier, et n'est-il pas évident que tout cela sera dépassé quelque jour par des vitesses plus grandes encore, dont la lumière ou l'électricité seront probablement les agents mécaniques ? ». Aurait-on pu mieux définir la percée actuelle de la propulsion solaire électrique ?

Mais pourquoi remorquer dans l’espace ? Plusieurs raisons à cela. Tout d’abord la problématique spécifique du transfert orbital qui bénéficie, d’une part de la disparition de la traînée aérodynamique au-delà de l'orbite basse, d’autre part de la disparition des pertes dites de « gravité ». A ce contexte opérationnel qui justifie l’apparition d’une nouvelle classe de véhicule il faut ajouter la récurrence de besoins variés : sauvetage, transfert, inspection, assemblage, etc. Un autre motif éminemment opérationnel explique l’intérêt grandissant pour le remorqueur spatial : sa capacité à s’arrimer à un ensemble externe lui permettant d’émuler une soute de très grande dimension. Cette capacité à repousser ses limites opérationnelles explique la montée en puissance de ce concept au détriment du « Cargo » dont la soute interne est limitée. L’exemple du vaisseau PROGRESS-M permet d’illustrer la différence entre les deux concepts. Opéré comme remorqueur, et non comme cargo, le vaisseau voit son volume opérationnel multiplié par 250 et sa charge utile par 50.


Deux remorqueurs poussent/tirent la barge de transport du réservoir externe de la mission SPACE SHUTTLE STS-121 en 2006 (© NASA)


Comparatif des capacités du vaisseau PROGRESS en fonction de son mode d’utilisation (DR)



TUG, TOW, OTV, SHUTTLE, qui est quoi ?

Les remorqueurs spatiaux correspondent à plusieurs appellations et classifications. Stricto sensu seules les appellations « space tug » (en anglais américain) et « space towing vehicle » (anglais) désignent des « systèmes de remorquage spatiaux ». Les termes OTV (Orbital Transfer Vehicle) et SHUTTLE (navette) font référence à des types de profils de missions devenus des appellations génériques. Plusieurs familles de véhicules, dont les remorqueurs, y correspondent.


Les visionnaires.

Le concept de remorqueur spatial suit celui du satellite de télécommunications défini par l’écrivain Arthur C. Clarke en 1945, mais précède la mise en orbite de SPOUTNIK 1 en 1957. L’illustrateur allemand Klaus Bürgle dessine en effet dès 1949 une station spatiale assistée de petits véhicules. La date de publication de ces vues étant incertaine l’histoire retient le rôle d’un écrivain : Murray Leinster. C’est en 1953 que l’auteur américain d’anticipation publie SPACE TUG. Cette fiction est la première à détailler un écosystème spatial complexe, univers dans lequel un véhicule pour le moins inattendu tient le haut de l’affiche : le remorqueur. L’approche se révèle payante, l’ouvrage est un succès, il sera régulièrement réédité. De l'autre côté du rideau de fer les choses bougent aussi, Nikolay Kolchitsky peint en 1955 des stations orbitales assistées d'un essaim de petits vaisseaux. Ses œuvres serviront à illustrer le roman TRAVEL TO DISTANT WORLDS publié par Karl Gilzin en 1960.


Dessin de Klaus Bürgle (DR)


SPACE TUG de Murray Leinster (DR)



Premiers projets.

Murray Leinster ne le sait pas mais il a vu juste, peu de temps s’écoule entre la publication de SPACE TUG et le lancement du premier avant-projet financé par l’état américain. La Guerre Froide est lancée ; dans ce conflit d’un nouveau genre le renseignement joue un rôle fondamental. Mettre en place un nouveau mode de surveillance se substituant aux avions, vulnérables, est indispensable. 
Le Pentagone lance donc en 1958/1959 l’étude de faisabilité d’une station orbitale, infrastructure de reconnaissance et de surveillance hors d’atteinte. Dès les réflexions préliminaires il s’avère que la station induit une multitude de besoins liés à son assemblage, sa maintenance et sa mise en œuvre. LOCKHEED proposa l’ASTROTUG, suivi par MARTIN, BELL, GENERAL ELECTRIC et BOEING.


L'ASTROTUG (© LOCKHEED)


Le SLOMAR (© MARTIN)



D’un besoin à sa concrétisation : premiers remorqueurs opérationnels.

Vingt-cinq ans séparent l’ouvrage de Murray Leinster de la mise en service du premier véritable remorqueur opérationnel : le PROGRESS. Son premier vol du 20 janvier 1978 est le résultat de plusieurs avancées techniques et opérationnelles majeures réalisées depuis 1961. L’envoi du premier homme dans l’espace, Youri Gagarine, a nécessité la mise au point d’un premier vaisseau habité qui évoluera pour aboutir au SOYOUZ dont l’architecture se révèlera très modulaire. S’il ne s’agit pas encore d’un véritable remorqueur, ce véhicule n’en permet pas moins l’acquisition d’une précieuse expérience opérationnelle. Le succès du 1er accostage automatique entre COSMOS 186 et 188 en 1967 apportera la dernière fonction nécessaire et trente ans d'avance à la Russie.

Adaptation du vaisseau SOYOUZ étudiée à partir de 1973, le PROGRESS possède tous les attributs qui en font le premier véritable remorqueur spatial de l’histoire. Doté de sa propre propulsion le PROGRESS peut communiquer une impulsion à tout système auquel il s’est automatiquement arrimé. Cette fonction de base est complétée par plusieurs autres dont : l’emport de fret à concurrence de 2,6 t, mais aussi le ravitaillement en ergol à concurrence de 1950 kg grâce au remplacement du module de descente du SOYOUZ. Développé pour soutenir la station SALIOUT 6, le PROGRESS a poursuivi sa carrière avec MIR puis l’ISS. Son rôle vital apparut de 2003 à 2005 lors de l’arrêt des vols de navettes qui suivit la perte tragique de COLUMBIA. En 2013 plus de 80 missions avaient été réalisées, dont la désorbitation de MIR en 2001.

Exactement trente ans après sa première mission le PROGRESS fut rejoint par l’AUTOMATED TRANSFER VEHICLE européen. Doté des mêmes fonctions avancées d’accostage automatique et de transfert d’ergol l’ATV a établi un nouveau standard de performances. Son guidage par lasers lui offrit une précision inégalée pour l’accostage. Sa charge utile pouvait atteindre le triple de celle du PROGRESS, mais l’ATV s’en est allé. Ni le HTV, le CYGNUS ou le DRAGON ne possèdent ses capacités. Le PROGRESS est de nouveau unique.


Le PROGRESS, moyen de desserte des stations orbitales de SALIOUT 6 à l’ISS (DR)


L’ATV était équipé d'un guidage très précis par lasers (© ESA)



Le second pas de géant, stoppé net.

Si le PROGRESS devint le premier véritable remorqueur spatial de l’histoire, il aurait pu en aller tout autrement. Dès 1963 le responsable des projets avancés de Mc DONNELL DOUGLAS, Phil Bono, s’était déclaré favorable à la propulsion nucléaire. Werner Von Braun allait soutenir cette approche, car le lanceur SATURN V avait utilisé tout son potentiel direct avec les missions lunaires. Pour aller plus loin il fallait introduire un nouveau véhicule à hautes performances. Avancés technologiquement les Etats-Unis étudièrent dès 1946 des propulseurs nucléaires, tout d’abord aéronautiques puis spatiaux. Le premier fut l’ORION de GENERAL ATOMIC. L’arrêt du projet en 1963 pour des raisons tant économiques que stratégiques permit à la variante thermique du projet ROVER de s’imposer.

Ce mode de propulsion permettait d’obtenir le gain de performance recherchée. La mise au point de réacteurs sans cesse plus puissants aboutit aux essais d’un modèle de vol : le NERVA. Avec son Isp de 825 secondes et sa poussée de 89 t, celui-ci permettait d’envisager des missions d’exploration habitées vers la Lune et Mars. Les perspectives en termes de durée de vie du réacteur, donc de « réutilisation », poussèrent la NASA à lancer l’étude d’un véhicule dédié : le NUCLEAR SHUTTLE, système modulaire devant opérer comme un remorqueur interplanétaire. Avec sa masse de 71 t à vide, et de 245 t une fois le plein de carburant réalisé le module lunaire demeure de par ses caractéristiques un concept hors normes.

La version adaptée aux missions martiennes était complétée de trois réservoirs supplémentaires ; le véhicule devait afficher une masse de 1000 t en début de mission. Le projet introduisit une seconde avancée conceptuelle révolutionnaire : la modularité étendue. Le principe ne fut pas seulement appliqué au corps du véhicule, mais aussi à la partie mission. Cette branche des travaux reçu le nom de SPACE TUG. Divers modules furent étudiés afin de prendre en compte tous types de besoins : exploration, missions habitées, ravitaillement, mise à poste de satellites, construction d’une base lunaire. Plusieurs motifs économiques poussèrent la NASA à mettre un terme à ces deux projets. L’arrêt du projet en 1972 marqua le gel des travaux sur la propulsion nucléaire thermique. Entre temps le projet SPACE TUG allait avoir des suites pour le moins inattendues en influençant profondément le 7ème art.


Le NUCLEAR SHUTTLE était un concept flexible (© NASA)


Le SPACE TUG visait à introduire une modularité étendue (© NASA)



NOSTROMO, le 9ème passager.

La découverte du concept de remorqueur spatial par le plus grand nombre n’allait pas venir d’un succès de l’ingénierie, mais d’ailleurs. Le premier représentant notable de la « pop culture » moderne à s’intéresser au remorqueur spatial fut le graphiste britannique Chris Foss. Participant à la pré-production du film DUNE en 1975 il proposa le GUILD SPACE TUG. Si le film ne fut jamais tourné, il permit la rencontre, à Paris, d’une équipe exceptionnelle comprenant le scénariste américain Dan O’Bannon. Le succès commercial de la GUERRE DES ETOILES poussa la FOX à s’intéresser à l’histoire d’un groupe de « routiers de l’espace » proposée par Dan O’Bannon. L’équipe de DUNE, complétée de Ron Cobb, se reforma pour travailler avec Ridley Scott sur ce qui allait devenir ALIEN. Histoire d’un voyage qui tourne mal, ALIEN ne pouvait avoir pour toile de fond qu’un vaisseau spatial dont le design allait revêtir une importance cruciale. Sa gestation fut longue mais aboutit au légendaire Remorqueur Interstellaire NOSTROMO. 
Ron Cobb proposa tout d’abord le vaisseau d’exploration SNARK qui n’allait plus correspondre à l’évolution de l’intrigue. Le cargo LEVIATHAN de Chris Foss prit l’avantage. Souhaitant une apparence « low tech », Ridley Scott demanda alors un remorqueur devant prendre le nom de NOSTROMO d’après une nouvelle de l’écrivain Joseph Conrad. Ron Cobb proposa alors une synthèse artistique et technique du SNARK et du LEVIATHAN. Le vaisseau est tour à tour cargo, remorqueur et véhicule d’exploration. Chris Foss répliqua avec une autre idée brillante : l’astéroïde raffinerie. Afin de consolider sa démarche Ron Cobb se documenta solidement sur la propulsion nucléaire et acheva ses travaux en rédigeant l’histoire du vaisseau. Celui-ci est un cargo de type CM-88B BISON de classe Méga produit par LOCKHEED au début du 22ème siècle. Après une décennie le cargo est racheté par la WEYLAND-YUTANI pour ses activités minières dans le système de THEDUS. Le NOSTROMO est modifié en 2116 à Panama City où il reçoit un anneau d’amarrage et de nouveaux moteurs. Le NOSTROMO peut alors ramener vers la Terre de lourdes cargaisons de matières premières.

Mais tout ceci est-il réaliste ? La fiche technique du NOSTROMO indique qu’il est équipé d’un générateur à fusion nucléaire LARETEL WF-15. Une analyse des publications scientifiques permet de conclure à une vitesse maximale comprise entre un dixième et le tiers de la vitesse de la lumière. Le système de ZETA 2 RETICULI où se déroule l’histoire se situant à 39 années lumières, il faudrait au convoi 129 ans pour effectuer le trajet vers la Terre, bien plus que suggéré dans le film. Quant à l’équipage il ne bénéficierait pas d’un effet relativiste favorable à ces vitesses … trop faibles ! Le réalisme du scénario est donc réduit ;  néanmoins l’effort de vulgarisation des technologies est significatif. Sorti en 1979 le film est un succès considérable. La direction artistique d’exception dont il a bénéficié permet au NOSTROMO de jouer un rôle sans texte. Tandis que le PROGRESS vient de faire entrer le remorqueur spatial dans les faits techniques et opérationnels, Ron Cobb le fait entrer dans la culture populaire.


Le GUILD SPACE TUG de C. Foss (© C. F.)


Un dérivé du DARK STAR de Ron Cobb (© R.C.)


Le LEVIATHAN de C. Foss est un cargo (© C.F.)


Le remorqueur NOSTROMO de Ron Cobb (© R.C.)



Emergence du « transport spatial segmenté ».

Moins héroïque la nouvelle stratégie déployée par la NASA durant les années 1970 n’en était pas moins ambitieuse, son objectif : réduire les coûts. Outil de cette ambition, le SPACE SHUTTLE réutilisable allait avoir pour limitation son confinement à l’orbite basse. Les tentatives visant à traiter cette problématique furent multiples et précédèrent même le premier vol du SHUTTLE. Les systèmes de transport complémentaires proposés furent presque tous des remorqueurs spatiaux. Les premières tentatives furent le NUCLEAR SHUTTLE et le SPACE TUG. Initialement prévus pour le lanceur SATURN V les concepts furent adaptés autant que possible au SPACE SHUTTLE. L’emport en soute de l’étage à propulsion nucléaire était impossible, mais les modules du SPACE TUG pouvaient s’en accommoder. Ce bilan conduisit à l’arrêt du projet qui allait renaître sous une forme différente, mais avec des objectifs comparables.

Le SPACE SHUTTLE n’avait de sens que dans un écosystème orbital où chaque strate ne trouvait son sens que par le soutien qu’elle devait offrir à la suivante. Un déploiement incomplet des moyens nécessaires pouvait conduire à l’effondrement de la stratégie. Les seules mise en service du SHUTTLE et de la station orbitale pouvaient justement aboutir à ce scénario. Un vecteur supplémentaire destiné aux orbites plus élevées était indispensable, la NASA en fut toujours consciente et tenta d’y remédier. Le Johnson Space Center de la NASA proposa à la fin des années 1970 le concept de SOC (Space Operations Center), port spatial assemblé et desservi par le SHUTTLE. La NASA émit en 1984 l’appel d’offres du projet OTV (Orbital Transfert Vehicle) qui conduisit à retenir plusieurs industriels dont BOEING. Les concepts issus de ce projet sont aisément reconnaissables à leur bouclier de freinage atmosphérique, dispositif qui révèle leur orientation vers l’exploration interplanétaire. Ces missions furent d’ailleurs prévues, tant vers le système solaire intérieur qu’extérieur. Mais la principale destination devait être la Lune avec pour objectif l’établissement d’une base temporaire vers 2005, puis définitive vers 2017. La versatilité n'était cependant pas abandonnée puisque le remorqueur devait aussi pouvoir transférer un satellite de communication géostationnaire depuis le LEO (???).
Pour la propulsion le choix se porta sur une architecture chimique à cycle expander. L’accroissement des coûts estimés conduisit à l'arrêt définitif des travaux en 1989. Pour sa part L’OMV (Orbital Maneuvering Vehicle) devait supporter l’exploitation du SOC, mais ses applications furent étendues au déplacement de tous types d’éléments vers des orbites de plus en plus éloignées. TRW, retenu par la NASA poussa très avant le développement. La taille réduite du véhicule permit de proposer des kits missions variés. Le projet fut néanmoins stoppé parallèlement à l’OTV. Le dernier exemple de remorqueur dédié au tandem SHUTTLE/SOC sera le concept à propulsion électrique proposé par HUGHES en 1988. Etudié sur les fonds de l’entreprise celui-ci n’est identifiable que dans la demande de brevet déposée. Le concept est assimilable à un OMV doté d’une propulsion électrique ionique à très forte impulsion spécifique. Ce concept partage avec l'OMV la capacité à être mis en orbite ou rapatrié au sol dans la soute du SHUTTLE. Cette intéressante capacité devait permettre de maintenir et reconfigurer le véhicule avant de refaire le plein en ergol pour la mission suivante.


Le SPACE TUG (© NASA)


Vue générique du concept OTV (© NASA)


L’OMV (© TRW / NASA)


Demande de brevet HUGHES (© HUGHES)



Emergence de la propulsion électrique, la course à la puissance.

Si la poussée des moteurs électriques opérationnels demeure très limitée (0,1 à 0,25 N), l’obtention de poussées plus élevées est accessible par la multiplication du nombre de moteurs ; produire l’énergie requise a toujours été la problématique dominante. Le développement de nouveaux générateurs solaires électriques dans les années 1990 allait changer le contexte et, progressivement, lancer une course à la puissance. Plus légers et basés sur un substrat AsGa à haut rendement (> 20%) ces nouveaux générateurs solaires électriques permirent de viser rapidement la puissance de 10 kW pour un satellite de communication puis bien davantage.

Présent dans tous les secteurs du spatial BOEING présenta le concept FAST en 2009, premier de sa classe (jusqu’à 700 kW) à n’intégrer que des technologies ayant un horizon de maîtrise prédictible. Le projet de démonstration technologique associé (30 kW) ne semble pas avoir été abandonné. Sérieusement challengé par ENERGIA en Russie, et AD ASTRA aux Etats-Unis, BOEING proposa en 2012 une nouvelle version de 300 kW destinée aux missions habitées. Très insuffisante pour les missions interplanétaires, cette puissance limitait l’utilisation du concept à l’atteinte d’un géo croiseur proche tel 2008EV5. L’exploration interplanétaire exigeant des puissances propulsives plus élevées, BOEING a présenté fin2014 la 3ème itération du concept, destiné cette fois à l’exploration habitée lointaine. Si la puissance totale n’a pas été formellement annoncée, la mission cible, Mars, permet de conclure à un besoin nettement supérieur au MW. Le film diffusé indique un nombre de moteurs de « seulement » une grosse vingtaine d’unités, ce qui est relativement peu et irait dans le sens d’une puissance unitaire très élevée.

BOEING a été précédé dans l’étude de générateurs solaires électriques extrêmement hautes puissances par ENERGIA. L’industriel russe a proposé en 2008 une évolution d’un concept plus ancien. Ce projet se distingue par la puissance record annoncée de 15 MW. L’ensemble propulsif compte pour sa part plus de soixante moteurs. Aux Etats-Unis AD ASTRA proposa en 2009 un concept encore plus ambitieux que le FAST de BOEING. D’une puissance solaire électrique de 2 MW, le véhicule repose sur une architecture propulsive VASIMR. Ce type évolué de propulsion électrique s’avère prédisposé aux applications très haute et extrêmement haute puissance, là où les options ioniques et plasmiques pourraient s’avérer inadaptées.


Module de base (30 kW) du concept FAST (© BOEING / DARPA)


Remorqueur pour l’exploration interplanétaire BOEING (© BOEING)


Remorqueur pour l’exploration interplanétaire ENERGIA (© ENERGIA)


Remorqueur pour l’exploration interplanétaire AD ASTRA (© AD ASTRA)



La France et l’Europe : également en pointe.

L’intérêt de la France pour les technologies spatiales avancées fut précoce. Les années 1960 virent l’étude de la propulsion solaire thermique à l’ONERA et de la propulsion électrique ionique au CEA. La création d’une filière française de propulsion électrique plasmique par SNECMA en 1996 permit d’initier une véritable activité industrielle. L’adaptation d’un savoir-faire russe aboutit à la maîtrise d’un moteur de 1,5 kW : le SNECMA PPS-1350. Un succès opérationnel bien visible manquait toujours ; la mission SMART-1 de l’ESA allait changer la donne. Lancée en 2003 par une ARIANE 5 la sonde de 390 kg (dont 80 de Xénon) allait progressivement rejoindre la Lune et réussir sa manœuvre de mise en orbite, deux grandes premières. Cette mission souligna le rôle primordial d’une grandeur : l’impulsion totale, c'est à dire l'effort propulsif global disponible pour la conduite d’une mission (Poussée X Durée de vie du moteur). L’impulsion spécifique et la poussée sont des notions plus instantanées. Il ne suffit donc pas de « bien pousser », encore faut-il le faire longtemps, domaine de prédilection des moteurs plasmiques. Le succès de SMART-1 initia un nouveau projet qui fut prêt de devenir le premier remorqueur à propulsion électrique : le CONEXPRESS. Initié par DUTCH SPACE ce projet vit aussi intervenir KAYSER-TREDE, EADS/CASA ainsi que l’ESA et le DLR. Architecturé autour d’un Adaptateur de Charge Utile ARIANE 5, le CONEXPRESS fut élaboré à partir de technologies accessibles. Le potentiel d’un seul moteur était cependant trop limité pour réaliser des services ayant une valeur ajoutée en rapport avec le coût du véhicule.

Le PPS-1350 fut suivi d’un démonstrateur plus puissant qui allait aboutir au SNECMA PPS-5000. Le moteur a entamé en 2013 sa phase finale de développement. Avec un objectif de qualification en 2018, le moteur sera alors l’un des plus puissants qualifiés. Mieux encore, SNECMA a récemment annoncé lors du workshop EPIC 2014 de l’Union Européenne que le PPS-5000 devrait à terme couvrir une gamme de puissances allant de 2 à 8 kW. Un ensemble propulsif composé de quatre moteurs pourrait ainsi offrir une impulsion totale plus de dix fois supérieure à celle dont aurait disposé le CONEXPRESS : un atout pour l’élaboration d’un remorqueur spatial, or c’est précisément le scénario présenté par AIRBUS, THALES ALENIA SPACE et SNECMA. Les industriels ont dévoilés des concepts allant de quelques kW à une centaine de kW.

Un moteur de très forte puissance se révélera cependant nécessaire pour valoriser l’augmentation des puissances solaires électriques disponibles. Mais ici aussi les progrès sont rapides. La mise au banc fin 2011 du démonstrateur PPS-20k ML de 20 kW a permis à la France d’entrer dans le club très fermé des nations disposer d’un démonstrateur de 1 N de poussée. Mais qu'est-ce qu'un 1 N de poussée ? Eh bien ! les calculs démontrent qu'un ensemble propulsif composé de huit de ces moteurs permettrait de transférer une charge utile équivalente à celle d'un étage à propulsion nucléaire NERVA de 89 t de poussée à 825 s d’Isp ! Secret de cette performance : une masse sèche véhicule du 1/10e de celle de l’étage NERVA !


Le CONEXPRESS (© DUTCH AEROSPACE / ESA)


Concept dévoilé par AIRBUS (© AIRBUS / CNES)


Le PPS-20k ML (© SNECMA)


Vues diffusées par l’Union Européenne à l’issue du Workshop EPIC 2014

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