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CHRONOLOGIE ARIANE

ARIANE 5 E/CA

L' Ariane 5 de base dite "G" pour générique lancé depuis 1996 (L501 à 513) mesure 54 m de haut pour une masse de 737 tonnes au lancement. La version E/CA mesure elle 57,7 m de haut pour 777 tonnes (la version AR5 versatile mesure elle 53,4 m de haut pour 767 tonnes).

evolution AR5 G.jpg (147398 octets)    evolution AR5 ECA.jpg (184208 octets)

Ariane 5 E/CA se différencie de la version G par:

evolution moteur vulcain.jpg (202321 octets) L' utilisation du nouveau moteur Vulcain Mk2 en remplacement du moteur Vulcain actuel. Le moteur Vulcain 2 développe une poussée dans le vide de 1350 kN, soit l'équivalent d'une poussée de 137 tonnes au niveau de la mer, soit 19% de plus que le moteur actuel. Dans sa nouvelle version, il brûle un mélange enrichi de 20% en oxygène liquide sous une pression légèrement supérieure à son prédécesseur. Ce nouveau rapport de mélange a nécessité le développement par Fiat Avio (Italie) d'une nouvelle turbopompe à oxygène, capable de tourner à 13 000 tr/min. pour délivrer une pression de 161 bars. En outre, il a fallu augmenter la contenance du réservoir d'oxygène liquide de l'étage de 15 tonnes. Cela a été obtenu sans modifier la structure de l'étage, simplement en déplaçant de 640mm le fond commun entre les réservoirs d'oxygène et d'hydrogène liquides.
Autre amélioration dont a bénéficié le Vulcain 2, un nouveau divergent de tuyère, fabriqué par Volvo Aero (Suède), qui permet la réinjections des échappements des turbopompes dans le flux principal et améliore le rendement du moteur à haute altitude. Au total, le Vulcain 2 assure à lui seul un gain de capacité de 1 300 kg
vers l'orbite de transfert géostationnaire

Le moteur Vulcain est une production de la SNECMA. Ce moteur a subi en 1999 avec succès, 14 essais à feu aux bancs à Vernon (France)et à Lampoldshausen (Allemagne) totalisant une durée d ’essai de 2500 secondes dont deux essais sur une durée chacune de 600 secondes.

evolution EPC.jpg (109313 octets) L' agrandissement du réservoir d'oxygène liquide dans l' EPC permettant d'emporter 15 tonnes d'ergols (combustible) en plus. Cela fait une augmentation de 11% de la quantité massique d'oxygène. Cela permettra donc de fournir plus d'ergols au nouveau moteur Vulcain Mk2 plus puissant.
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L' augmentation de 2430 kg de propergol dans le segment supérieur des EAP soit 10% de plus. De par sa forme, ce segment est celui qui brûle le plus vite et qui donne au lanceur son impulsion initiale. Ce sur chargement correspond en fait à une augmentation de 50 tonnes de la poussée lors des 20 premières secondes de vol. A eux deux, les accélérateurs à poudre délivrent alors une poussée de 1 400 tonnes, soit l'équivalent de 10 fois le moteur de l'étage central. A la fin du vol,
cela se traduit par un gain de 400 kg au niveau de la charge utile. De plus ces accélérateurs ont été équipés d'une nouvelle tuyère qui comporte moins d'éléments et est donc plus facile et moins chère à produire.

Ces nouveaux EAP seront validés début 2000 après leur essai sur les bancs d'essai de Kourou. Bien que cela représente un augmentation que de 1% de la masse de poudre chargée, cela permettra de donner encore plus de puissance à Ariane 5.

 

L' allègement de la case à équipements (cerveau informatique d'Ariane) en utilisant une coque en composite au lieu de l'aluminium. On gagnera quelques centaines de kg.
L' ajout d'un système de contrôle de roulis SCR sur le 1er étage pour simplifier le système qui est placé sur le 2e étage (SCA). Ces systèmes permettent d'éviter que le lanceur se mettre à tourner sur lui-même quand les boosters sont largués. Ces systèmes sont essentiels pour éviter que le lanceur se mette en rotation et perde donc de la poussée.
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L' utilisation d'un nouveau 2e étage dit ESC-A (Étage Supérieur Cryotechnique A) utilisant un moteur HM-7B équipant déjà le 3e étage d'Ariane 4. Cet étage cryogénique change de l'EPS (Étage à Propergols Stockables) actuel car il utilise de l'hydrogène et de l'oxygène liquides alors que l'EPS utilise des ergols liquides autres (UH-25 et peroxyde d'azote). Cet étage emportera 14,4 tonnes d'oxygène et hydrogène liquides.

Cet étage, réalisé à Brême sous maîtrise d'ouvre d'Astrium (Allemagne), fait largement appel à des technologies éprouvées puisqu'il reprend notamment le réservoir d'oxygène liquide, le bâti moteur et l'ensemble propulsif du troisième étage d'Ariane 4, avec son moteur HM-7B, fourni par Snecma. Le réservoir d'hydrogène liquide bénéficie pour sa part des technologies développées pour celui de l'étage principal. Le seul élément inédit est un fond en forme de dôme dans lequel vient se loger le réservoir d'oxygène liquide.

L'étage repose sur une virole en matériaux composites de 5,4 m de diamètre et 2,8 m de haut réalisée par EADS CASA Espacio (Espagne).

L'ESC-A est la pièce maîtresse des améliorations d'Ariane 5 puisqu'il réalise à lui seul 60% du gain de performance par rapport à l'Ariane 5 précédente, alors que son coût de production avoisine celui de l'étage qu'il remplace. C'est à lui que revient également la responsabilité du déploiement des satellites avec la plus grande précision possible afin de leur garantir une durée de vie opérationnelle optimale.

Toutes ces modifications du lanceur Ariane 5 ont fait l'objet de procédures de qualifications rigoureuses, dans le cadre des programmes de développements de l'ESA et du programme d'accompagnement technologique des lanceurs Ariane, " ARTA ", également géré par l'ESA et financé par les gouvernements européens.

Le sur chargement des accélérateurs à poudre et leur nouvelle tuyère ont été qualifiés lors de deux essais à feu en vraie grandeur réalisés à Kourou en mai 2000 et novembre 2001. De son côté, le moteur Vulcain 2 a effectué plus de 130 tirs au banc à Vernon, en Normandie, et à Lampoldshausen, en Baden-Würtemberg. Il a ainsi accumulé plus de 50 000 secondes de fonctionnement, soit l'équivalent de quelque 100 vols.

L'étage ESC-A a fait l'objet d'une qualification avec des essais dynamiques et vibratoires menés au centre de l'IABG à Ottobrunn (Allemagne). Le moteur HM-7B, bien qu'ayant déjà volé plus de 130 fois, a effectué sa propre campagne d'essais pour valider son bon fonctionnement dans les conditions de vol d'Ariane 5 avec notamment une durée de combustion allongée de 200 secondes. Une campagne d'essais opérationnels a également été menée à Kourou avec un étage complet pour vérifier les procédures et les interfaces nécessaires au remplissage et à la mise en oeuvre de l'étage sur le site de lancement, avec notamment l'utilisation de nouveaux bras cryotechniques rétractables montés sur le mât des tables de lancement mobiles.

CHRONOLOGIE ET SEQUENCE DE VOL 

Temps Événements (V157)

– 11 h 30 mn Début de la chronologie finale

– 7h 30 mn Contrôle des chaînes électriques

– 4h 50 mn Début des remplissages de l’EPC et de l’ESC-A en oxygène et hydrogène liquides

– 3h 20 mn Mise en froid du moteur Vulcain

– 1h 10 mn Contrôle liaisons entre lanceur et moyens télémesure, trajectographie et télécommande

– 7 mn 00 s Début de la séquence synchronisée

– 4 mn 00 s Pressurisation vol des réservoirs

– 1 mn 00 s Commutation électrique sur bord

– 05,5 s Ordre d’ouverture des bras cryotechniques

– 04 s Prise de gérance bord

– 03 s Passage en mode vol des deux centrales de guidage

HO Allumage du moteur du premier étage cryogénique (EPC) ALT (km) V. rel. (m/s)

+7,0 s Allumage des Étages Accélération à Poudre (EAP) 0 0

+7,3 s Décollage 0 0

+13 s Fin d’ascension verticale et début de basculement en tangage 0,082 km 35,7 m/s

+17 s Début des manœuvres en roulis 0,342 km 76,0 m/s

+ 2 mn 17 s Largage des étages d’accélération à poudre 68,9 km 1920,7 m/s

+ 3 mn 08 s Largage de la coiffe 113,2 km 2103,6 m/s

+ 6 mn 52 s Acquisition par la station de Natal (Brésil) 211,4 4292,4

+ 8 mn 47 s Extinction EPC 214,8 km 6744,4 m/s

+ 8 mn 53 s Séparation EPC 214,9 km 6770,4 m/s

+ 8 mn 57 s Allumage de l’Etage Supérieur Cryotechnique (ESC-A) 214,9 km 6772,8 m/s

+13mn 11 s Acquisition par la station d’Ascension 201,1 km 7410,2 m/s

+18mn 12 s Acquisition par la station de Libreville 228,8 km 8274,1 m/s

+23mn 20 s Acquisition par la station de Malindi 509,6 km 9158,8 m/s

+24mn 31 s Extinction ESC-A 649,6 km 9358,4 m/s

+27mn 25 s Séparation du satellite HOT BIRDTM 7 1089,5 km 8995,9 m/s

+31mn 25 s Séparation du Sylda 5 1886,7 km 8407,5 m/s

+35mn 41 s Séparation du satellite STENTOR 2878,6 km 7773,8 m/s

+49mn 01 s Fin de la mission Arianespace Vol 157 6274,8 km 6140,9 m/s

L'attitude et la trajectoire du lanceur sont entièrement contrôlées par les 2 ordinateurs de bord situés dans la case à équipement du lanceur Ariane 5. 
Après l'allumage du moteur cryogénique principal à H0, les deux étages d'accélération à poudre (EAP) sont mis à feu plus tard permettant ainsi le décollage. Le lanceur va tout d'abord monter verticalement pendant 6 s., basculer ensuite vers l’Est, puis il va maintenir son attitude de façon à garder l'axe du lanceur parallèle à la direction de sa vitesse pour minimiser les efforts aérodynamiques et ce, pendant toute la phase atmosphérique jusqu'au largage EAP. 
Cette première partie du vol effectuée, l'ordinateur de bord optimise en temps réel la trajectoire en minimisant la consommation en ergols pour rejoindre successivement l'orbite intermédiaire visée à la fin de la propulsion de l'étage principal (EPC) et l'orbite finale visée à la fin du vol du dernier étage (ESC-A). 
L'EPC retombe au large des côtes africaines dans l’Atlantique (Golfe de Guinée). 
En final, à l'injection, le lanceur atteint une vitesse d'environ 9 358 m/s. et se trouve à une altitude proche de 650 km. 
La coiffe protégeant HOT BIRDTM 7/STENTOR est larguée peu après le largage EAP vers H0 + 188 s.

 

Sur le transfert géostationnaire ( i = 7°, Zp = 250 km, Za = 35950 km, w = 178°, W = 0° ), la performance est de 1050 kg. 
Ariane 5 aura alors une capacité d'emport sur orbite géostationnaire de 10 tonnes soit + 47 % ( i = 7°, Zp = 250 km, Za = 35950 km, w = 178°, Oméga = 0° )
Les graphes qui suivent présentent les performances de ARIANE 5 ECA


Le profil de la trajectoire de montée, montant l'altitude en fonction du temps.


Graphe des performances en masse utile en fonction de l'inclinaison


L'évolution de la vitesse relative en fonction du temps, au cours de la phase propulsée du lanceur

 La précision de tir suivant les données du Manuel Utilisateur, les écarts standards à 1 s sont

avec comme écart en GTO:
_ a : demi grand axe: 26 km
_ e : excentricité: 3 10-4
_ i :Inclinaison orbitale: 0°.02
_ w : argument nodal du périgée: 0°.15
_ Oméga : longitude du nœud ascendant: 0°.15
En tir héliosynchrone ( typiquement i=98°.6, a = 800 km):
_ a : demi grand axe: 4 km
_ i :Inclinaison orbitale: 0°.04
_ Oméga: longitude du nœud ascendant: 0°.03

La fenêtre de tir nominale est de 45 mn. L' ouverture correspond à un angle d'aspect solaire de 65° par rapport à la référence AMF, qui autorise un transfert instantané de l'orbite de référence GTO,à l'orbite géosynchrone à l'apogée n° 6( quand la ligne des apsides est colinéaire avec la ligne des nœuds). La référence d'attitude AMF correspond à : Ascension droite : perpendiculaire au rayon vecteur de l'apogée n° 6 Déclinaison -7°.45 par rapport au plan équatorial.

DEVELOPPEMENT

Mai 1999, lors de la réunion du Conseil de l ’Agence au niveau ministériel tenue à Bruxelles, l' ESA décide de démarrer le Programme Ariane-5 Plus avec la version Ariane 5V (Versatile) et Ariane 5C (ESC A et B). 

2000, Arianespace passe commande aux industriels européen de 20 lanceurs Ariane 5 Plus en version ESC A et Versatile (lot P2). 

En fin d' année, EADS livre à Astrium à Brême, la maquette dynamique du bâti-moteur équipé de l'Etage Supérieur Cryotechnique version A (ESC-A) pour des essais acoustique en vue de la qualification de l' étage tandis que AEDS reçoit le premier réservoir de l' étage EPC "Evolution" aux Mureaux, près de Paris dans le SIL.

L' année 2000 est aussi l' occasion d' adapter les installations de Kourou au nouveau lanceur. Les Bâtiments  BIL et BAF de l' ELA 3 sont modifiés avec notamment l' agrandissement des portes d' accès et de l' ascenseur ainsi que l' ajout d' une plateforme de travail. Trois nouveaux bâtiments de préparation de charges utiles, le S5 seront livrés en fin d' année. Ils permettront la préparation de grandes charges utiles pour Ariane 5 et Ariane 4. Dans l' été, la tour paravent "CAZES" de la Zone de Lancement est habillée pour abriter l'ensemble des équipements sol nécessaires au remplissage de l' étage supérieur cryotechnique (ESC) en hydrogène et oxygène liquides.

Au printemps 2001, la seconde table de lancement Ariane 5 qui a réalisé son baptême du feu sur le vol AR507 est modifié pour lancer les versions Ariane 5ECA. A cet effet, la table s' est vue modifiée avec l' ajout de bras cryogénique destinés à l' alimentation de l' étage sur le pad.  
Le 25 octobre, dans le bâtiment d' intégration BIL, les nouveaux bras cryogéniques sont testés. 

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La photo du haut les montrent en phase de rétraction avec clairement visible le bras LH2. Les test ont lieu sur une structure simulant l' interface d' Ariane 5 (en jaune au premier plan). la phase de rétraction dure 4 secondes.

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La table n° 2 en ZL 3.

2002, le 3 janvier, une maquette ergol de l' étage supérieur ESC A est livrée à Kourou, l' étage ayant voyagé à bord du navire Colibri. Equipé du moteur HM7B (celui d' Ariane 4), il sera tester avec les nouvelles installations de l' ELA 3 notamment la table de lancement n° 2 en mars.

2002 maquette ECA 01.jpg (65536 octets)


Le 24 janvier, la campagne avec la maquette de remplissage MR ESC-A démarre. Devant servir à valider la partie haute du lanceur, il a fallu réaliser une structure basse figurant le reste du lanceur. On a installé, sur les maquettes des EAP (Etages d’accélération à poudre) utilisées lors des phases de développement d’Ariane 5, une maquette de l’EPC (Etage principal cryotechnique) composée d’une structure métallique en treillis surmontée d’une jupe avant (JAV). Sur cet étrange échafaudage, on a ensuite installé le nouvel étage cryo et la case à équipements.

Mars, la maquette est amenée sur la zone de lancement 3 pour des essais de remplissage en propergols cryogénique. La campagne MR comprend 4 essais  assimilables à des campagnes de lancement (préparation de la maquette au Bâtiment d’intégration lanceur et au Bâtiment d’assemblage final, chronologie en zone de lancement) et 6 chronologies, les deux derniers essais comportaient 2 chronologies. Chaque essai comporte son lot de validations spécifiques sur les équipements sol et bord. Ainsi, MR 1 sert à modéliser les processus de mise en œuvre et d’érection du nouveau spécimen, MR 3 le 11 juin permet de valider la vidange secours de l’étage d’une durée de 25 heures et MR 4 l’ouverture des bras cryotechniques. 

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La première chronologie, effectuée le 25 mars, a mis en évidence un défaut d’isolation thermique du réservoir hydrogène. La protection thermique du fond inférieur a du être entièrement changée en Guyane et complétée par une protection spéciale située au-dessus du réservoir. En plus de la validation d’équipements et de processus en situation « nominale », des essais prévoyant des cas dégradés ont lieu pour démontrer la capacité des moyens et des équipes à réagir aux situations difficiles ( panne du système de contrôle commande, vidange par les purges après un tir avorté etc...). Seule, "l’épreuve par le feu", c’est à dire l’allumage de l’étage, n’a pas été réalisée. En revanche, chacune des 6 chronologies en ergols réels (hydrogène et oxygène liquides) permet de valider les opérations de la chronologie de lancement jusqu’au H0. Le dernier essai, MR4.2, réalisé le 29 juillet a été le point d’orgue de cette campagne puisque la chronologie de lancement (25 heures) s' est déroulée jusqu’à l’ouverture des bras cryo, c’est à dire, quelques secondes avant la mise à feu. Enserrant l'ESC-A jusqu'à H0 - 6 secondes, on a assisté au largage des plaques à clapets et au "pliage" des deux bras, en 3,5 secondes. Une grosse mécanique, sans commune mesure avec ce qui existe pour Ariane 4, qui s'est finalement admirablement bien comportée.

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Le 1er août, quatrième et dernière revue de qualification de l'étage ESC-A en configuration "lancement", avec les interfaces du pas de tir. 

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La maquette MR dans le BIL, en route vers la ZL et sur le pad

Ces essais ayant été réalisés sur un site opérationnel (ELA3) en parallèle à la conduite d’opérations de lancement Ariane 5 (campagne 512 et 513), ils ont été placés sous la maîtrise d’œuvre du département Système et Validations de la sous-direction sol du CNES (SDS/PL/SV). La définition, le suivi l’exploitation des essais ont été effectués par une équipe de représentants CNES/DLA (Direction des Lanceurs) et industriels bord (Air Liquide, Astrium Brème, Astrium Toulouse, Cryospace, EADS et Snecma moteur). Ces équipes étaient regroupées sur un plateau projet situé au CDL 3 (Centre de lancement) afin, selon Jean-Marc Astorg, de « favoriser les échanges et l’esprit d’équipe. »

La Direction des Opérations d’Arianespace a pris en charge la réalisation des essais proprement dite sur l’ELA 3, avec le support des équipes industrielles sol et bord.

Achevée début août, la campagne d’essai MR a aboutit à la qualification des sous-systèmes (électriques, fluides et mécaniques) et de l’étage ESC-A. La maquette est démontée mi août afin de libérer la table Ariane 5.2 et de débuter la campagne lanceur L517 le 22 août. 

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L' étage du 517 chez EADS aux Mureaux avant livraison au CSG

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Livraison du premier ECA

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La campagne de lancement du L517 Vol 157 démarre donc fin août 2002 et ce déroule sans trop de problème. Le 12 octobre, il  est transféré du BAF en ZL3 pour des essais de remplissage et un allumage du moteur Vulcain sur le pas. Le 16, début de la RSL (Répétition Système Lanceur) qui consiste à dérouler intégralement une chronologie de lancement jusqu'aux dernières secondes : remplissage EPC et ESC-A. Un objectif spécifique s'est greffé sur la RSL L517 avec l'allumage du moteur Vulcain 2 (et bien sûr une passivation des EAP !). Les opérations de mise en froid et de remplissage se sont déroulées pour atteindre la séquence synchronisée en début de soirée. Ce n'est qu'à la quatrième tentative de passage de la SeqSyn que les paramètres ont permis de basculer en chronologie positive avec la mise à feu du Vulcain 2, pendant environ sept secondes. 

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Vue impressionnante des bras cryo du 517.

Après ces essais, le lancement prévu début novembre est repoussé au 28.

Le 27 novembre la première Ariane 5 "10 tonnes" est amené sur la zone de lancement 3 pour son lancement le 28.

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CARACTERISTIQUES D' ARIANE 5
QUI FAIT ARIANE 5
LA CAMPAGNE DE LANCEMENT ARIANE 5
LE DEVELOPPEMENT D' ARIANE 5
CSG ELA 3

Tableaux des trajectoires Guiziou Robert juillet 2000 d'après le manuel Arianespace