Le projet ROVER-NERVA

Bien avant le début de l'ère spatiale, les ingénieurs aérospatiaux ont cherché à développer des systèmes de propulsion de plus en plus efficaces. Les systèmes de propulsion chimiques qui brûlent un carburant et un oxydant pour produire la poussée furent les premiers à évoluer. Avec leurs rapports poids/poussée élevés (c à d, un moteur de petite taille peut produire une grande quantité de poussée), les fusées chimiques à combustibles liquides étaient les premières à nous permettre de surmonter les liens de la pesanteur et de passer le seuil de l'espace.

Les systèmes de propulsion chimiques les plus efficaces aujourd'hui brûlent l'hydrogène et l'oxygène liquides et ont une ISP d'environ 450 secondes. L'impulsion spécifique, appelée ISP, est une mesure de l'efficacité d'un système de propulsion. Il peut être considéré comme la quantité de poussée obtenue par unité de masse de propergol. Avec une ISP de 450 secondes, par exemple, une livre (0,45 kilogrammes) de propergol donne une poussée de 450 livres (2.000 newtons) par seconde.

L'ISP donne également la vitesse d’éjection des gaz d'un moteur quand elle est multipliée par l'accélération due à la pesanteur. Comme chaque spécialiste des fusées le sait, plus la vitesse d'éjection des gaz est grande, plus une fusée, d’une masse donnée, voyagera vite. Réciproquement, des vitesses plus élevées d'éjection des gaz peuvent traduire une plus grande charge utile pour une fusée donnée.

Des vitesses d'éjection plus élevées peuvent être obtenues en augmentant la température et la pression dans la chambre de combustion du moteur. Mais les limitations de résistance des matériaux employés dans la chambre de combustion d'un moteur ne permettent pas d’augmenter indéfiniment ces deux paramètres. Les meilleurs systèmes chimiques de propulsion actuels sont déjà très près de l’ISP maximal théorique.

L’hydrogène liquide et le fluor, pourrait fournir une augmentation modeste d’ISP. Mais les difficultés d'ingénierie pour l’utilisation du fluor liquide, dangereusement réactif, annule tous les avantages. Aujourd'hui, les constructeurs de moteur-fusée sont davantage concernés par l’augmentation du rapport poids/poussée du moteur et par la réduction des coûts de fabrication.

Une autre famille de système de propulsion qui offre une ISP sensiblement plus élevée est basée sur la technologie des ions ou du plasma. Ici, des champs électromagnétiques élevés accélèrent un fluide de fonctionnement ionisé à des vitesses très élevées. Bien que de tels systèmes puissent avoir une ISP supérieur à 1000, ils ont des rapports poids/poussée minuscule.

Avec la masse du système de production d'électricité exigé pour faire fonctionner ces moteurs, ces systèmes sont seulement capables d'accélérations minuscules. Bien que ces systèmes de propulsion aient leurs applications, des taux élevés d'accélération combinées avec une haute ISP doivent être recherchés ailleurs.

Une des possibilités les plus prometteuse dans l'extension de la technologie des moteurs fusées est la propulsion nucléaire. À la différence d'un moteur-fusée chimique qui emploie la combustion pour chauffer les propergols qui sont expulsés par la tuyère pour produire de la poussée, une fusée nucléaire utilise un réacteur atomique pour surchauffer un propergol léger, idéalement l’hydrogène. Bien que les moteurs chimiques et nucléaires partagent des limitations semblables d'ingénierie, le poids moléculaire très faible de l'hydrogène comparé a celui du produit de combustion d'un moteur hydrogène-oxygène (c.-à-d. de la vapeur d'eau) explique les vitesses beaucoup plus élevées d'éjection pour une température et une pression donnée dans le moteur.

Ceci explique aussi une ISP trois fois plus élevée, de l’ordre de 1000 secondes. Mais un tel moteur peut-il être construit? Peu après les premiers essais réussis d’armes nucléaires, les premières études d’utilisations pacifiques de cette source de puissance ont commencé. Dès 1944, Stanislas Ulam et Frederick Hoffman du Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) ont étudié la possibilité d’utiliser des détonations nucléaires pour le voyage dans l'espace. Tandis qu'un tel système de propulsion serait étudié plus tard en détail dans le cadre du projet Orion de l'ARPA (Advanced Research Projects Agency) et du projet Daedalus de la société interplanétaire britannique, on a estimé qu'une solution plus contrôlée de l'énergie atomique serait plus appropriée.

En juillet 1946, North American Aviation et Douglas Aircraft remettaient chacun un rapport secret sur leurs études internes pour la propulsion nucléaire à l’US Air Force. Ces rapports de référence indiquaient le moteur-fusée nucléaire "à transfert thermique" (où un réacteur chauffe un fluide de fonctionnement) comme la forme la plus prometteuse de propulsion nucléaire.

Un tel système de propulsion pouvait, en principe, être incorporé à un ICBM pour lancer les ogives nucléaires à travers le globe. Mais en dépit du rapport enthousiaste et des promesses technologiques, on a identifié qu'il restait beaucoup de problèmes techniques qui devait d’abord être résolus. Indépendamment de ces rapports secrets, un groupe d'ingénieurs du Applied Physics Laboratory de la Johns Hopkins University ont publié les résultats de leurs propres études en janvier 1947.

En 1948 et 1949, deux britanniques, A.V. Cleaver et L.R. Shepherd, ont également édité une série d’articles dans le journal de la société interplanétaire britannique sur le même sujet. Un peu avant que cette série d’article ait été éditée, un scientifique chinois nommé H.S. Tsien (qui plus tard a dirigé le programme chinois d’armes nucléaire) a présenté un exposé au Massachusetts Institute of Technology au sujet des fusées thermiques nucléaires.

Dans toutes ces études, la conclusion était que la propulsion nucléaire semblait viable. Etant donné le nombre de personnes qui sont arrivées indépendamment aux même conclusions, il était clair que l’US Air Force n'aurait pas le monopole dans les études de la propulsion nucléaire. Mais tout cet enthousiasme pour les fusées nucléaires a été tempéré par un rapport technique ultérieur de North American Aviation. Ce rapport concluait qu'un ICBM propulsé par un moteur fusée nucléaire ne serait pas d’utilisation pratique. Les scientifiques de North American estimaient que le réacteur d'une fusée nucléaire devrait fonctionner d'une manière continue à la température fantastique de 3200°C, beaucoup plus que pour les réacteurs existants alors.

Aucun matériau connu ne pouvait résister à de telles températures et conserver les propriétés mécaniques nécessaires dans un moteur. Avec ceci et d'autres problèmes identifiés, l'intérêt pour les fusées nucléaires s'est ralenti sensiblement pendant que les années 50 commençaient.

Mais certains n’était pas d’accord avec les perspectives pessimistes pour les moteurs fusées nucléaires. Tandis que le développement des moteurs-fusée nucléaires était en grande partie abandonné après le rapport de North American, le travail sur les turboréacteurs nucléaires d'avion a continué. Au début des années 50, Robert W. Bussard qui avait travaillé sur ces systèmes nucléaires de propulsion d'avion au Oak Ridge National Laboratory de l’AEC (la Commission à l'énergie atomique des USA) a réexaminé les moteurs-fusées nucléaires.

Il a conclu que les rapports précédents étaient trop pessimistes et que les fusées nucléaires étaient probablement réalisables. Bussard a estimé qu'ils pourraient pertinemment concurrencer les fusées chimiques particulièrement sur de longs vols avec des charges utiles lourdes. En 1955, en se basant sur les calculs et la capacité à convaincre de Bussard, l’US Air Force a décidé de rouvrir des études sur le concept pour une utilisation possible sur ICBM.

Pour le nouveau programme AEC-USAF, la Nuclear Propulsion Division dirigée par Raemer E. Schreiber a été crée au LASL. Un groupe semblable a été également constitué au Lawrence Radiation Laboratory de l’AEC à l'université de Californie. Mais les réductions de budget en juin 1956 ont eu comme conséquence une élimination des efforts et une fusion des divers groupes d’étude de la propulsion nucléaires.

Le résultat était que Livermore avait la responsabilité de développer un ramjet nucléaire sous le nom de code "projet PLUTO". Le programme de fusée nucléaire était confié à Los Alamos sous le nom de code " projet ROVER ". Une série d’études techniques avec des noms de code fantaisistes comme "Dumbo" (une conception de réacteur pour moteur) et "Condor" (une fusée nucléaire) ont été réalisées. Par la suite, un concept de réacteur nommé "kiwi" a été sélectionné. Comme son homonyme de Nouvelle Zélande incapable de voler, les réacteurs d'essai kiwi ne voleraient pas mais étaient néanmoins essentiels au développement d'un moteur-fusée nucléaire opérationnel.

Kiwi-A était une série de réacteurs d'essai qui emploieraient l'hydrogène comprimé pour réaliser des études au sol des éléments de moteurs fusées nucléaires. Le combustible, du carbure d’uranium, serait placé à l'intérieur d'un noyau de graphite qui pourrait fonctionner à températures élevées (3000°C). Le graphite pouvait supporter des températures jusqu'à 3300°C avant de commencer à perdre ses propriétés mécaniques, mais c'était également un excellent modérateur qui pourrait ralentir la production des neutrons par fission.

Mais avant même que le premier Kiwi-A ait été construit, il y avait déjà des changements de programme. Vers la fin 1957, il était devenu évident aux yeux des planificateurs de l’US Air Force que le missile Atlas fournirait aux USA une capacité ICBM sans recourir aux technologies exotiques comme les moteurs-fusées nucléaires. Le programme de moteur-fusée nucléaire en gestation serait mort une deuxième fois sans le lancement de Spoutnik le 3 octobre 1957.

La pression de la concurrence communiste signifiait que les technologies de pointe comme les moteurs-fusées nucléaires seraient rapidement développés pour donner au pays des arguments dans l'exploration de l'espace. Avec la création de la NASA le 1 octobre 1958, le programme de fusée nucléaire AEC-USAF a été transformé en activité AEC-NASA. Devenu inutiles pour la défense, les fusées nucléaires étaient idéales pour des applications spatiales.

En août 1960 le Space Nuclear Propulsion Office (SNPO) du programme AEC-NASA était créé avec Harold B. Finger (qui sept ans après deviendrait administrateur de la NASA) en tant que son gestionnaire. Le but du SNPO était de développer les fusées nucléaires qui permettraient aux USA de battre l'Union soviétique pour la course à la lune et aux planètes. Tandis que tous ces changements administratifs intervenaient, les ingénieurs étaient occupés à se préparer aux premiers essais réels de matériel.

La première mise à feu du réacteur Kiwi-A a eu lieu en juillet 1959 à la Nuclear Rocket Development Station de Jackass Flats, Nevada (à 145 kilomètres de Las Vegas). Le moteur a fonctionné avec succès pendant cinq minutes en produisant une puissance de 70 mégawatts tout en atteignant une température de 1500°C. En 1959 et 1960, deux réacteurs supplémentaires Kiwi-A ont été testés avec succès. Un début prometteur vers la prochaine étape: Kiwi-B.

Les ingénieurs du SNPO ont rapidement proposé de construire des moteurs-fusées nucléaires opérationnels. En automne 1960 ils proposent de construire le premier moteur-fusée nucléaire appelé NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Le NERVA produirait environ 245 KN de poussée (environ 25 tonnes de poussée) avec une ISP proche de 1000 secondes. En juillet 1961, Aerojet General Corporation était choisi comme constructeur du moteur tandis que le laboratoire Astronuclear de Westinghouse Electric Corporation devait construire le réacteur du NERVA

Ensuite, un véhicule qui utiliserait un moteur NERVA devait être conçu. En mai 1962, le Marshall Space Flight Center de la NASA accordait un contrat à Lockheed Missile & Space Company pour construire le RIFT (Reactor In-Flight Test). Mais sans utilisations opérationnelles identifiées pour un étage de fusée aussi puissant, une telle réalisation était probablement injustifiée.

Pendant ce temps, le programme d'essai de Kiwi-B débutait. La série Kiwi-B testerait des modèles réels de réacteur pour le vol. Ceux-ci étaient conçus pour fonctionner à environ 2000°K et produire 1,1 Gigawatts de puissance. À la différence de la série Kiwi-A qui a utilisé de l'hydrogène comprimé, Kiwi-B devait fonctionner en utilisant l'hydrogène liquide. En décembre 1961, Kiwi-B1A a été testé avec succès en utilisant de l'hydrogène comprimé. Le premier essai avec l'hydrogène liquide a eu lieu en septembre 1962 avec Kiwi-B1B.

Cependant, pendant l’essai, le noyau de graphite s’est fendu et des débris brûlants ont été éjectés par la tuyère. Espérant que cette panne était simplement due à un composant défectueux, le programme d'essai a continué avec Kiwi-B4A qui devait tester la conception finale du réacteur choisi pour le NERVA.

Mais au premier essai, le 20 novembre 1962, des débris étaient aussitôt éjectés par la tuyère du moteur. Il y avait évidemment une imperfection de conception importante dans le réacteur Kiwi-B qui faisait rompre le noyau de graphite en utilisant l'hydrogène liquide. Pendant un an et demi, les ingénieurs et les scientifiques du SNPO ont lutté pour comprendre le problème et le corriger. Tandis que le travail avançait lentement pour construire un Kiwi-B modifié, le RIFT continuait de dépérir en raison du manque de missions. Le problème était similaire à celui d’un autre programme de la NASA, le Saturn-C : Trop de performance trop tôt.

Les résultats des essais des réacteurs Kiwi sont si encourageants que la Nasa entreprend le développement d'un propulseur nucléaire susceptible d'être placé sur un premier étage de fusée classique. Mais l'augmentation de puissance du réacteur entraîne des problèmes d'alimentation en hydrogène et des vibrations du moteur. Il faut plus de deux ans pour les maîtriser, avec la série Kiwi B, dont les essais débutent en 1961. Ce moteur est alimenté par de l'hydrogène liquide.

Deux projets pré-opérationnels se concrétisent : l'étage supérieur RIFT (Reactor In Flight Test), confié au centre spatial Marshall de Huntsville (Alabama), et le NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) confié à la firme privée Aerojet General. Il s'agit déjà d'engins imposants puisque le RIFT pèse 50 t et que le réacteur Nerva ne mesure pas moins de 7 m de long.

En 1965, la Nasa commence à travailler sur un réacteur expérimental de grande puissance, le Phoebus 1-A. En février 1966, un autre progrès important est obtenu avec le premier réacteur de la série NRX, qui fonctionne pendant 110 minutes, dont 2 min à plus de 1100 MW, puissance électrique des plus grosses tranches de centrales nucléaires actuelles ! Pour la première fois, les turbopompes amenant l'hydrogène ne sont pas isolées du réacteur par du béton, mais directement intégrées sur le bâti même de celui-ci comme sur un vrai lanceur.

La fusée nucléaire prend alors forme et le 23 février l967, un moteur Phoebus 1-B, délivrant 34 t de poussée pour l 500 MW, confirme la validité du concept du réacteur a cœur solide retenu pour le moteur Nerva que Von Braun envisageait d'utiliser comme étage supérieur sur une fusée Saturne, pour les futures missions martiennes. De mars à septembre 1969, pendant que tous les regards sont tournés vers les premières missions de débarquement sur la Lune, le Nerva subît toute une série d'essais satisfaisants, atteignant une poussée de 25 tonnes.

A la Fin de l'année 1969, les Américains peuvent ainsi se vanter d'avoir résolu les principaux problèmes techniques posés par la mise au point d'une fusée nucléaire, qu'il s'agisse de l'alimentation en propergol par turbopompe, de la stabilisation de la réaction en chaîne, de l'arrêt et du réallumage du propulseur, de la tenue des matériaux dans la chambre de combustion et la tuyère, de l'électronique de contrôle et de guidage, de l'évacuation de la chaleur excédentaire et de la protection contre les rayonnements.

La mise au point d'un Nerva opérationnel (d'une poussée de 34 tonnes) et son assemblage comme étage supérieur sur une fusée Saturne 5 apparaissent alors possibles a brève échéance. Mais, à la surprise générale, le programme est brusquement interrompu en 1972, alors qu'un propulseur Nerva 2 de 90 tonnes de poussée, d'une puissance de près de 5000 MW, est en cours de mise au point.

Les spécialistes américains ont en tout cas franchi beaucoup de barrières technologiques et étaient sur le point après dix ans d'essais, de disposer d'un propulseur opérationnel. Le champ de tir de Jackass Flats est fermé en 1973 avant d'être tout aussi mystérieusement réouvert en 1991. Mais au centre nucléaire de Los Alamos, les études théoriques n'ont jamais vraiment cessé...

Tests des moteurs du projet ROVER

Nom Date
Kiwi A Juillet 1959
Kiwi A 1959 1960
Kiwi B1A (essai avec hydrogène gazeux sous pression) Décembre 1961
Kiwi B1B (premier essai avec hydrogène liquide) Septembre 1962
Kiwi B4A (rupture du coeur nucléaire) 20 novembre 1962
Kiwi B4D (un essai de puissance) Mai 1964
Kiwi B4E (deux essais de puissance) Aout 1964 - Sep 1964
NRX-A2 (deux essais de puissance) Sep 1964 - Oct 1964
Kiwi-TNT Jan 1965
NRX-A3 (trois essais de puissance) Avr 1965 - Mai 1965
Phoebus-1A (un essai de puissance) Juin 1965
NRX/EST (dix démarrages) Dec 1965 - Mars 1966
NRX-A5 (deux essais de puissance) Juin 1966
Phoebus 1B (un essai de puissance) Fevrier 1967
Phoebus 2 (tests de flux froid) Juillet 1967 - Aout 1967
NRX-A6 (un essai de puissance)* Dec 1967
XECF (tests de flux froid) Fevrier 1968 - Avril 1968
Phoebus-2A (trois essais de puissance) Juin 1968 - Juillet 1968
Pewee-1 (deux essais de puissance) Nov 1968 - Dec 1968
XE (28 démarrages) Dec 1968 - Aout 1969
*a fonctionné 60 minutes à pleine puissance (1,100MW)

Pour l'expédition habitée définitive vers Mars, on envisageait un moteur NERVA 2 plus puissant, de 90.700 Kg de poussée. La poussée pouvait être bien plus petite que celle des grandes fusées chimiques parce que la mission commencerait sur orbite terrestre.

Pour réunir les conditions nécessaires au voyage interplanétaire, les ingénieurs développèrent, une technologie de "blocs de construction" dans laquelle les modules de propulsion Nerva séparés pouvaient être groupés pour répondre à diverses exigences.Pour des raisons de sécurité, on proposa de bâtir l'expédition vers Mars autour de deux vaisseaux de même plan. Un équipage de six hommes prendrait place dans chacun d'eux, dans des quartiers qui ne différeraient guère de ceux qui étaient envisagés pour les stations de longue durée.

Quittant l’orbite terrestre le 12 novembre 1981 (selon l'un des plans prévus), ils s'arrimeraient nez a nez dès que les lanceurs Nerva accolés au cylindre central se seraient séparés. Ces fusées devaient assurer l'unique propulsion nécessaire pour lancer 1e navire sur la route de Mars. Vers la fin de la route de transfert vers Mars, les vaisseaux se sépareraient en vue des manœuvres de freinage qui leur permettraient de se mettre en orbite autour de la planète.

Le premier stade de l'exploration serait consacré a des observations depuis l'orbite et au lâcher de sondes automatiques destinées à tester les divers sites d'atterrissage envisagés.

Une fois les résultats analysés, les équipes d'atterrissage descendraient dans des capsules du type Apollo tandis que leurs vaisseaux-mères continueraient a étudier scientifiquement la surface et l'atmosphère. Pour les aider à explorer les environs, les équipes d'atterrissage auraient emmené avec elles des Rovers mus à 1'électricité ci un équipement de laboratoire pour pouvoir procéder sur place aux analyses de sol et de roches. Ils se limiteraient à un séjour de 30 jours à la surface de Mars.

Cependant, le voyage de retour ne pourrait s’effectuer dès que les équipes d'atterrissage auraient rejoint leurs vaisseaux-mères, il serait nécessaire d'attendre 80 jours depuis le moment de l'arrivée pour que les trois planètes, Mars. Vénus et la Terre, se soient placées dans la position correcte sur leurs orbites respectives. Si l'un des véhicules venait à être en panne, les 12 membres de l’expédition pourraient s'installer dans l'autre.

Au moment prévu, les moteurs seraient remis en marche pour lancer les véhicules réarrimés sur une trajectoire courbe autour du Soleil. Celle-ci les amènerait près de Vénus de manière a obtenir une action de Freinage de son champ de gravitation, ce qui détournerait les navires vers une route qui rencontrerait la Terre sur son orbite. Après un voyage global de 640 jours, les deux navires, a nouveau séparés, basculeraient sur l'orbite terrestre le 14 août 1983. Les équipages seraient alors transférés dans des navettes spatiales pour rentrer chez eux.

Von Braun, qui avait joué un rôle déterminant dans la conception de la mission, proposa que les grands navires interplanétaires soient parqués sur orbite terrestre afin de pouvoir les utiliser pour d'autres missions après qu'on eut procédé a un nécessaire entretien et qu'on eût refait le plein d'hydrogène. Même les fusées accolées et larguées, estimait-il, devaient pouvoir être renvoyées en orbite pour être réutilisées.

Divers facteurs s'unirent pour empêcher le projet d'être pris sérieusement en considération. D'abord, le coût élevé d'une aventure qui. en 1969 semblait devoir atteindre les limites de la technologie. Ensuite, l'impact clé la guerre du Vietnam sur l'économie des Etat Unis. En troisième lieu l'avance des techniques d'exploration par robots qui promettait de fournir des informations de base sur Mars pour une petite fraction du coût envisagé.

Enfin, l'atténuation du défi soviétique d'être les premiers dans l'espace. (Si les Russes avaient été les premiers a atterrir sur la Lune. l'histoire aurait été très différente). En conséquence, le projet NERVA. pour lequel des millions de dollars avaient été dépensés fut abandonné.