Robotique, impression 3D : comment Ariane 6 se construit plus vite et moins cher

Le moteur de la future fusée Ariane 6, dans l’usine de Vernon. © ArianeGroup Holding/Orao Prod.
La prochaine fusée européenne est en cours de fabrication. Nous avons visité deux des principaux lieux où Ariane 6 prend forme : Vernon et les Mureaux, au nord-ouest de Paris. Des sites de production où les méthodes ont été entièrement revues et les coûts fortement diminués pour affronter la concurrence.

Une fusée, c’est avant tout un moteur. Sur la future Ariane 6, ce sera le Vulcain 2.1, en cours de construction à Vernon (Eure), dans l’usine d’ArianeGroup. En apparence, c’est le même que celui d’Ariane 5. D’autant qu’« il aura les mêmes performances », indique Philippe Girard, responsable de la propulsion liquide chez ArianeGroup. Alors qu’est-ce qui change ? « Son coût sera inférieur de 40% », répond Philippe Girard.

Le coût de production, c’est l’obsession des ingénieurs qui construisent la nouvelle fusée. Celle-ci leur a été imposée par un changement radical et rapide du marché des lancements de satellites : l’arrivée de la société privée américaine Space X qui, avec sa fusée Falcon 9, a littéralement cassé les prix. De plus, en mettant au point une méthode de réutilisation du premier étage de ses fusées, l’entreprise du milliardaire Elon Musk a bousculé les certitudes techniques.

Une production revue en profondeur

Pour l’Europe, il fallait donc évoluer, et vite. En 2014, cela a commencé par un changement de maîtrise d’œuvre, qui est passée de l’Agence spatiale européenne (ESA) au consortium industriel Airbus Safran Launchers (ASL). Sous cette gouvernance, l’Europe spatiale a revu ses méthodes de production de ses lanceurs. Ce qui est passé par une réorganisation en profondeur de ses usines. À Vernon, devant le moteur qui devra propulser la première Ariane 6 avant la fin de 2020, Philippe Girard explique : « Pour gagner 40% de coût, nous avons créé pour le moteur Vulcain des postes mobiles. Une fois sur son outil, la chambre de combustion [NDLR : l’élément central du moteur où les carburants sont consommés] ne bouge plus. L’outil peut la mettre dans toutes les positions, ce qui évite les manipulations. L’éclairage est puissant. Et l’ergonomie a été prévue pour l’opérateur, ce qui lui donne de meilleures conditions de travail. »

Au premier plan, le moteur de la future fusée Ariane 6, dans l’usine de Vernon. © ArianeGroup Holding/Orao Prod.
Le moteur d’Ariane 5 est fabriqué juste à côté de celui d’Ariane 6. Ce voisinage permet de comparer les deux modes de production. © ArianeGroup Holding

La comparaison est facile : à seulement quelques mètres se trouvent les installations de production des moteurs d’Ariane 5 : encombrement maximal, système de poutrelles métalliques, espace confiné… À côté, les deux outils qui peuvent supporter les moteurs d’Ariane 6 ressemblent à des robots élancés. Leurs « bras » permettent aux opérateurs de déplacer et d’ajuster toutes les pièces de ce puzzle de propulsion sans forcer et sans prendre de risque.

Le robot Léonard porte le Vinci

Dans un hall voisin, la même organisation est appliquée au Vinci, le moteur de l’étage supérieur de la fusée, celui qui doit achever la mise en orbite et effectuer la mise à poste des satellites. Le robot qui met le moteur à la hauteur des opérateurs s’appelle Léonard. Et autour de lui, chacune des personnes qui travaillent à son assemblage peut circuler librement. Temps de montage pour chaque exemplaire : un mois et demi.

Le moteur Vinci, tenu par le robot Léonard. Le moteur de l’étage supérieur d’Ariane 6 est également produit à l’usine de Vernon. © P. Henarejos/C&E

Cette fois, il s’agit d’un moteur entièrement nouveau. L’ancien, le HM7, délivrait une poussée de 7 tonnes et ne pouvait pas être rallumé une fois éteint. Vinci atteindra 18 tonnes de poussée et pourra être rallumé plusieurs fois dans l’espace. L’avantage ? Il pourra desservir diverses destinations correspondant à autant de satellites embarqués dans la coiffe de la fusée.

Présentation des moteurs d’Ariane 6, dont des images ont été tournées à Vernon (vidéo de 2 min)

Juste à côté de l’atelier du Vinci, une ligne de production est encore en cours de montage. Un gros rail métallique reste posé au sol en attendant d’être installé correctement. Là seront fabriqués les MANG (modules d'avitaillement nouvelle génération), les connexions des tuyaux servant à remplir les réservoirs de la fusée une fois sur son aire de lancement. Ce sont les derniers cordons ombilicaux à se détacher du lanceur juste avant le moment du décollage. En effet, avec des carburants comme l’hydrogène et l’oxygène liquides, il faut remplir les réservoirs jusqu’au dernier moment, faute de quoi l’évaporation les viderait partiellement.

Pour Ariane 6, cette pièce est conçue différemment : elle sera déconnectée de la fusée quelques instants après qu’elle ait décollé. De cette manière, il sera possible de vidanger les réservoirs en cas d’arrêt prématuré du moteur sur l’aire de lancement. D’où un gain de temps — donc d’argent — pour relancer une procédure de lancement. La ligne de production devrait permettre la fabrication d’un de ces éléments tous les trois jours.

La rapidité de production est d’ailleurs l’un des points clés du gain des coûts. Et celle-ci repose en grande partie sur une technique d’usinage dont chacun a déjà entendu parler : l’impression en trois dimensions (3D). Elle se trouve au cœur de la conception du successeur de Vulcain. Dans un autre bâtiment du site de Vernon, des équipes de jeunes ingénieurs usent et abusent des imprimantes 3D pour créer, d’abord en matière plastique, les différents éléments du démonstrateur Prometheus. Ce moteur de premier étage aura lui aussi une poussée de 100 tonnes, égale à celle du Vulcain. Mais il devra être bien plus flexible, comme l’explique Emmanuel Edeline, responsable du programme Prometheus : « Il doit répondre à toutes les missions possibles, être capable de fonctionner en même temps que d’autres moteurs, être réutilisable, ce qui implique qu’il puisse être rallumé. » Toutes ces configurations sont déjà simulées grâce à un calculateur qui fait subir au moteur, de manière virtuelle mais très réaliste, les différentes missions imaginées par les ingénieurs.

Dix fois moins chère grâce à l’impression 3D

Mais en plus de ces capacités supplémentaires, le Prometheus devra être fabriqué pour un coût se limitant à un million d’euros par exemplaire contre 10 millions d’euros pour le Vulcain 2 d'Ariane 5. Pour réussir cette baisse, l’impression 3D qui sert à ses concepteurs est aussi employée pour la fabrication. Et de manière massive : « Prometheus est fait à 70% en fabrication additive », indique François Moser, responsable Special Process Service chez ArianeGroup.

La technique est bluffante. Les éléments du moteur sont façonnés par quatre rayons lasers qui viennent faire fondre de la poudre métallique dans une sorte d’armoire ayant un faux air de four. Actuellement, les plus grosses pièces ainsi produites mesurent 40 cm de côté. « Le bas coût de production provient de l’impression 3D. Au lieu de mettre 18 mois pour fabriquer un moteur, il ne faudra plus que 6 semaines », précise Emmanuel Edeline.

Ariane 6 n’est qu’une réponse rapide et provisoire à l’évolution du marché, comme nous le déclarait Stéphane Israël, PDG d’ArianeGroup (lire Ciel & espace 559, mai 2018). Mais à terme, le moteur Prometheus pourra la propulser à la place du Vulcain et lui donner la capacité d’évoluer vers une version réutilisable, s’il s’avère que cette voie est viable économiquement. Les ingénieurs ont même prévu d’employer pour ce moteur des carburants différents de l’oxygène et de l’hydrogène liquides. En effet, grâce à l’impression 3D, les ajustements pour passer à un mélange de méthane et d’oxygène sont censés ne prendre que quelques mois. Emmanuel Edeline conclut : « Dans un an, le premier Prometheus sera monté. Il ira subir des essais sur le banc fin 2020. »

Des réservoirs assemblés aux Mureaux

Une fusée, c’est avant tout un moteur, mais c’est aussi un corps, cylindrique, qui contient les plus gros volumes, ceux des réservoirs de carburant. Pour cette partie, le travail se déroule un peu plus en amont de la Seine, aux Mureaux. À quelques encablures du hall d’assemblage d’Ariane 5, qui est aussi haut que l’Arc de Triomphe, est sorti de terre un nouveau bâtiment d’une vingtaine de mètres de haut. Avec sa silhouette rectangulaire blanche, il n’attire pas l’attention. Pourtant, il abrite l’usine d’Ariane 6, un véritable nerf de la guerre économique appliqué au spatial, placé sous haute surveillance (nous n’avons pas été autorisés à prendre de photos).

Dans ce mystérieux volume, les premiers « bidons » qui vont constituer le corps de la fusée sont déjà en cours de montage. Le quidam, outre l’odeur de peinture neuve, n’y remarquerait rien de spécial au premier coup d’œil. Il pourrait même esquisser un sourire, à la vue d’une grande maquette de l’usine en Lego, qui trône à l’entrée. Mathieu Chaize, responsable Systèmes et service de lancement sur Ariane 6, explique sa présence : « L’usine a été faite en réalité virtuelle auparavant. Mais pour réfléchir aux opérations à l’intérieur, nous avons aussi fait une maquette en Lego, ce qui est parfois plus facile à utiliser dans les discussions. » De fait, en un coup d’œil, on saisit la philosophie de l’usine : les tôles — ou les divers matériaux — entrent d’un côté et ressortent de l’autre sous la forme d’étages principaux d’Ariane 6.

Les réservoirs d’Ariane 6 sont assemblés aux Mureaux, dans les Yvelines. © ArianeGroup Holding
Les réservoirs sont intégrés à l’horizontale, avant d’être chargés dans une barge sur la Seine, voisine de l’usine. © ArianeGroup Holding

Entre-temps, chaque élément suit un parcours en forme S où de nombreux espaces restent ouverts. Les différents exemplaires y cheminent à la queue leu leu jusqu’à leur sortie et à leur embarquement dans une barge sur la Seine, qui se trouve juste à côté. Et tout se passe à l’horizontale. Plus besoin d’un « arc de triomphe » pour construire le corps de la fusée. Guillaume Collange, chargé de l’amélioration sur Ariane 6, explique ce choix : « Avec une intégration à l’horizontale, tout le monde est au même niveau, ce qui occasionne des gains. » Des gains de temps, car la communication entre les opérateurs est plus facile. Des gains d’efficacité aussi, car les concepteurs du lanceur sont là, au milieu de l’usine, dans des bureaux dotés de murs en verre pour qu’ils puissent voir toutes les phases d’avancement. Et qu’inversement les opérateurs puissent les voir. Tout ceci pour rendre l’entraide possible et éviter tout blocage.

Une fusée en six mois

Ainsi, chaque problème est résolu au niveau de la chaîne où il se présente. Plus besoin de contrôle à la sortie. Mathieu Chaize explique : « Le but de cette usine est de ne produire aucun défaut. » Et de produire vite : six mois pour chaque fusée et jusqu'à 12 fusées par an. Mathieu Chaize ajoute : « Le changement principal, c’est que le lanceur est plus facile à construire. C’est ce qui diminue les coûts. » Et l’on retrouve, dans les vastes espaces dégagés de l’usine, des robots qui, comme le Léonard pour le moteur Vinci, apportent les réservoirs aux opérateurs, les font tourner et les orientent idéalement pour toute intervention. Le tout dans une ambiance feutrée, tranquille.

Vue d'artiste de la future Ariane 6, dans sa version avec quatre propulseurs (Ariane 64). © ArianeGroup

Avec de nouvelles techniques mises au point depuis l’ère Ariane 5 (c’était au milieu des années 1990), la fabrication promet d’être plus simple et plus rapide. Par exemple, le revêtement thermique qui enveloppe le premier étage nécessitait un traitement chimique sur Ariane 5. Ensuite, de véritables artisans venaient placer et tester à la main chaque pan de revêtement. Pour Ariane 6, le nettoyage des réservoirs se fera au laser et la protection thermique sera projetée par un robot. Ce sont exactement les mêmes procédés, avec les mêmes machines, qui sont mis en œuvre à Brême, en Allemagne, l’autre site de fabrication de la fusée. Une standardisation, elle aussi source d’économies.

Ariane 6 relèvera-t-elle le défi que lui oppose Space X et peut-être, d’ici peu, Blue Origin ? Difficile de se prononcer à ce stade. Mais une profonde remise en question a eu lieu côté européen. Et la visite des usines où est construite la nouvelle fusée laisse le sentiment que la machine à imaginer, inventer et concevoir, quelque peu assoupie sous Ariane 5, est à nouveau repartie à plein régime.

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