Lancement de l’ATV-4 : Albert Einstein passe à la TV

Deux extraits de la vidéo de la mission Ariane 5 VA213 provenant de la caméra 3D Sterex.
Le décollage de la fusée et la séparation de l’ATV-3. Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

Dans l’article sur le lancement réussi de l’ATV-4, j’évoquais l’expérience Sterex destinée à filmer en 3D, la mission du lanceur Ariane 5 jusqu’à la séparation de l’ATV Albert Einstein. Je n’ai pas encore vu de séquence vidéo 3D mais l’ESA (Agence Spatiale Européenne) et le DLR (Deutsches Zentrum für Luft- and Raumfahrt, l’agence spatiale allemande) viennent de publier des extraits de vidéo très spectaculaires illustrant les principales phases de vol depuis le décollage de Kourou jusqu’à la séparation de l’ATV-4.

La vidéo du lancement VA213 et de la satellisation de l’ATV-4 Albert Einstein publiée sur Youtube.
Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

La vidéo vue d’en haut

Je vous recommande vivement de regarder l’intégralité de cette vidéo, avec quelques arrêts sur image... Il y a déjà eu plusieurs vidéos prises par des caméras embarquées sur le lanceur Ariane 5, comme par exemple celle du vol Ariane 503 qui a fait l’objet d’un quiz étonnant sur le blog Un autre regard sur la Terre.

Les images du lancement de l’ATV Albert Einstein sont d’une qualité exceptionnelle et je crois que c’est la première fois qu’on voit la séparation d’un véhicule de transfert ATV.

Les caméras Sterex (pour Stereo Experiment) sont fixées au niveau de la case à équipement, là où se situe le cerveau du lanceur, avec ses deux calculateurs de bord OBC (un nominal et un de secours) et le système de contrôle d’attitude, directement au-dessus de l’étage principal cryotechnique (EPC) et entourant le moteur Aestus de l’étage supérieur (EPS).

Ce système a été développé par le société allemande Kayser-Threde et intégré sur le lanceur Ariane par Astrium pour le compte d el’ESA et DLR, avec l’aide du CNES et d’Arianespace.

 Voici quelques images que j’ai extraites de cette vidéo commentées qui illustrent les principales étapes de la mission...

21:52:13. Jour J, Heure H, pile à l’heure

Pas de report de possible pour un lancement avec un rendez-vous en orbite : si la séquence synchronisée démarrée à H-7 mm avait été interrompue pour une raison quelconque, le lancement aurait été reporté de 24 heures, moins 26 minutes pour tenir compte du déplacement de l’orbite de la station spatiale.

Aucun problème le 5 juin 2013 à 21:52:13 pour la mission VA213. Trois treize ? Tous les voyants sont restés au vert et Ariane 5 a décollé exactement à l’heure prévue. On n’est pas trop superstitieux dans le spatial, malgré l’expérience de Lowell sur Apollo 13…

 5 juin 2013, à 21h52 UTC : décollage du lanceur Ariane VA213 avec l’ATV-4 Albert Einstein.
Extrait de la vidéo provenant de l’expérience Sterex. Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

Pour fixer les idées, la vitesse du son est dépassée au bout de 48 secondes.

De la poudre aux cieux...

A bout de 2 minutes et vingt-deux secondes, la séparation des deux étages d’accélération à poudre (EAP) est un moment-clé. Météo favorable : la vidéotransmission a permis de voir des images de cette séquence du vol malgré les nuages annoncés.

A H + 2:22, la séparation des deux étages EAP. Extrait de la vidéo provenant de l’expérience Sterex.
Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

Alors que la fusée Ariane 5 avait une masse d’environ 780 tonnes au décollage, le lanceur ne pèse plus que 200 tonnes à ce moment : Les deux EAP fournissent l’essentiel de la poussée (90%) pendant les premières minutes de vol : 14160 kN de poussée maximale et 11120 kN de poussée moyenne. Par comparaison, le moteur Vulcain 2 de l’étage principal cryotechnique (EPC) ne fournit « que » 1350 kN de poussée (dans le vide).

A ce moment, la vitesse relative de la fusée est de 2000 m/s soit 7200 km/h.

A 8000 km/h et à 106 km d’altitude : beaucoup moins d’atmosphère mais ça décoiffe

L’éjection de la coiffe est également une étape importante, environ 3 minutes et 30 secondes après le décollage. Avec ses 17 mètres de longueur et sa masse de 2,5 tonnes, elle protège les satellites ou la charge utiles pendant les premières minutes de vol. Mais dès que la densité de l’air est suffisamment basse, elle devient inutile : on s’en débarrasse pour alléger le lanceur et accélérer davantage.

A H + 3:33, éjection de la coiffe. Extrait de la vidéo provenant de l’expérience Sterex.
Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

8 fusées d’éloignement servent à éloigner suffisamment les deux demi-coiffes, composées chacune de 10 panneaux d’aluminium en nid d’abeille, pour éviter tout risque de collision avec le lanceur. Une nouveauté sur ce vol VA213 : le système pyrotechnique de séparation horizontale HSS-3+ destiné à réduire le niveau de chocs au moment de la séparation tout en limitant la masse des amortisseurs de chocs. HSS-3+ utilise deux bagues disposées symétriquement pour annuler l’onde de choc.

A H + 8:52, extinction puis séparation de l’étage principal EPC

On continue ensuite à se débarrasser de toutes les masses inutiles. Construire des fusées à plusieurs étages est une application pratique directe de l’équation de Tsiolkovski (1857 – 1935), une des équations fondamentales de l'astronautique. Elle décrit comment la vitesse d’une d’une fusée ou d’un satellite varie au cours d'une phase de propulsion en fonction du rapport entre sa masse initiale (m_i) à sa masse finale (m_f) :

V =v_e ln (m_i/m^_f)
avec V variation de vitesse entre le début et la fin de la phase de propulsion
et v_e vitesse d’éjection des gaz

C’est une conséquence direction de la conservation de la quantité de mouvement. On reviendra sur cette formule dans un prochain article du blog Un autre regard sur la Terre : elle sert à toutes les manœuvres orbitales et en particulier aux transferts de Hohmann, très utilisés pour les rendez-vous entre les véhicules automatiques ATV et l’ISS.

Ici, le logarithme ne perd rien pour attendre : des 780 tonnes au décollage, il ne reste plus que 31 tonnes au total au moment de la séparation de l’EPC.

A H + 8:58, séparation de l’étage principal cryotechnique. Deux extraits de la vidéo provenant
de l’expérience Sterex. Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

Sous la jupe d'Ariane

Les deux images ci-dessus offrent une bonne vue sur la partie supérieure de l'étage cryotechnique principal, avec la jupe avant, une pièce très importante qui assure la reprise des efforts des EAP : c'est au niveau de cette jupe que la force de poussée des deux moteurs latéraux à poudre est transmise à la fusée Ariane. On voit également très bien le fond supérieur du réservoir d'oxygène avec sa ligne d'alimentation (le "tuyau" pour les non-initiés) qui amène l'oxygène liquide au moteur Vulcain situé à la base de l'EPC.

H+63 :53, Ariane quitte Albert : la séparation mais le couple continue

La fusée a quitté Kourou depuis un peu plus d’une heure. Jusqu’à H + 17:16, une première phase de propulsion du moteur AESTUS a permis d’augmenter l’altitude du périgée de l’orbite (140 km) et de réduire le freinage atmosphérique résiduel. L’apogée est alors à 260 kilomètres d’altitude.

Un barbecue qui tourne mal

Pendant cette phase, un couple est appliqué pour assurer une rotation lente d’environ 2° par seconde autour de l’axe longitudinal du composite supérieur. Pourquoi ? Eviter que le même côté de l’ATV ne soit exposé au rayonnement solaire.

C’est un peu un « barbecue à l’envers » : on tourne la broche pour refroidir…

Après 42 minutes de vol balistique (le champagne tiédit un peu), un deuxième allumage de courte durée est effectué : seulement 28 secondes de propulsion pour circulariser l’orbite. Au cas où il y ait une défaillance, une procédure de secours prévoit que le système de propulsion de l’ATV puisse assurer cette dernière manœuvre.

Une fois encore tout a été nominal. La précision d’injection en orbite d’Ariane 5 est remarquable :

• Apogée réelle : 259,5 km (pour un objectif de 260.0 km).
• Inclinaison: 51.59° (pour un objectif de 51.61°). C’est l’inclinaison de l’orbite de l’ISS.

A H + 1 :33:53, séparation de l’ATV. Extrait de la vidéo provenant de l’expérience Sterex.
Crédit image: © ESA /DLR-BMWi 2013

Moteurs : on tourne !

La photo extraite de la vidéo permet de voir trois des quatre moteurs principaux du système de propulsion de l’ATV (appelé PRSS pour Propulsion and Reboost Sub-System). Ils sont fabriqués par le société américaine Aerojet. Chaque moteur délivre une poussée de 490 N. 28 autres propulseurs servent au contrôle d’attitude et délivre une poussée de 220 N. ils ont été fournis par SAFRAN (pour les deux premiers ATV) puis par Astrium GmbH (à partir de l’ATV-3).

Ils utilisent tous un mélange d’ergols MMH (Monométhylhydrazine ou CH3NHNH2 pour les intimes) et MON3 (un mélange d’oxydes d’azote). La vitesse d’éjection de la vide est de 2350 m/s

A titre de comparaison, les 4 moteurs du satellite Pléiades, utilisés pour les corrections d’altitude, ont une poussée nominale de 1N.

Les infidélités d’Albert : s’envoyer en l’air avec Ariane avant de rejoindre Zvezda

C’est le moment des adieux… La séparation est déclenchée par une ceinture pyrotechnique. Albert Einstein va poursuivre sa mission de manière autonome. Il ne restera pas seul très longtemps : après avoir quitté Ariane, le 15 juin, il a un nouveau rendez-vous galant avec la russe Zvezda.

Ce ne sera pas très discret : plusieurs centaines de personnes, et en particulier les équipes du centre de contrôle de l’ATV au CNES Toulouse, vont participer directement à ce rendez-vous amoureux. Mon seul regret : qu’il n’y ait pas de caméra couleur à l’avant de l’ATV…

Aux premières loges, les membres de l’équipage de l’expédition 36 de la station spatiale internationale. C’est Luca Parmitano, l’astronaute européen de nationalité européenne qui tiendra la chandelle, ou plus exactement supervisera l’amarrage à partir du panneau de contrôle installé dans le module Zvezda.

Le 15 juin, on va s’amarrer…

En attendant, jetez un œil aux magnifiques photographies prises par l’astronaute américain Don Petit pendant l’amarrage de ATV-3 Edoardo Amaldi.

Le moteur de l’étage EPS sera allumé une troisième fois, cette fois-ci pour freiner l’étage supérieur et préparer une rentrée contrôlée dans le sud de l’Océan Pacifique, où elle va noyer son chagrin.

La version ES de la fusée Ariane 5 à quatre succès à son actif, les quatre ATV mis en orbite depuis 2008 : Jules Verne (VA181), Johannes Kepler (VA200), Edoardo Amaldi (VA205) et Albert Einstein (VA213).

En savoir plus :

• Un autre article du blog Un autre regard sur la Terre sur le lancement de l’ATV-4.
• La vidéo du lancement sur Youtube.
• D’autres articles sur les fusées et les lancements sur le blog Un autre regard sur la Terre.
• Un des quiz image les plus lus sur le blog Un autre regard sur la Terre : les premières minutes de la trajectoire de la fusée Ariane 5.
• Arianespace en Guyane : un bilan en beauté pour la fin de l'année 2012.
• Sur le site de l’ESA, une page sur le module de service de l’ATV et son système de propulsion.
• Sur le site d’Astrium, en anglais, une page sur le système de propulsion de l’ATV et une autre sur les moteurs du contrôle d’attitude.
• Sur le site de l'ESA, le blog de l'ATV.
• Sur le site du CNES, les pages du centre de contrôle de l'ATV (Centre Spatial de Toulouse).