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La fusée Vulcan Centaur est un système de prochaine génération, entièrement américain, de l’United Launch Alliance (ULA). Elle remplace la technologie vieillissante des lanceurs Atlas V et Delta IV — qui sont en voie d’être retirés — pour lancer des satellites sur différentes orbites pour des clients comme la NASA et le département de la Défense.

Salas O’Brien a fourni des services d’ingénierie complets pour la mise à niveau du complexe de lancement 41 au Kennedy Space Center afin d’accueillir la fusée de plus grandes dimensions et les nouveaux carburants. Cet article porte sur les défis à relever pour assurer cette transition, ce qui a contribué à répondre à la promesse d’un transport spatial abordable.

En quoi la nouvelle fusée Vulcan est-elle différente ?

La fusée Vulcan Centaur d’ULA est bien en avant de la technologie précédente. Elle a :

Une plus grande charge utile. La fusée Vulcan Centaur a une poussée maximale de décollage de 3,8 millions de livres, fournie par deux moteurs principaux Blue Origin BE4 de 550 000 livres chacun et par jusqu’à six propulseurs à poudre Northrop Grumman GEM 63XL de 463 200 livres chacun. La charge utile porte jusqu’à 56 000 livres à l’orbite basse terrestre, 33 000 livres à une orbite de transfert géostationnaire, et 16 000 livres à l’orbite géostationnaire. La fusée a de plus grandes capacités que tout lanceur à propulseur unique actuellement disponible.

Composants récupérables. La fusée Vulcan Centaur est conçue pour une réutilisation SMART (Sensible Modular Autonomous Return Technology). Le propulseur principal se détache après l’arrêt du moteur principal et est conçu pour être récupéré, ce qui réduit le coût des vols spatiaux.

Combustible plus performant. Bien que le premier étage de l’Atlas V soit alimenté par le combustible Rocket Propellant (RP-1), semblable au kérosène, et par de l’oxygène liquide (LO2), les nouveaux moteurs BE-4 de la fusée Vulcan utilisent du gaz naturel liquide (GNL), de l’hydrogène liquide (LH2) et du LO2. Les recherches montrent que le GNL, dans une application de lancement spatial, fournit un rendement accru à un coût moindre et avec un plus faible impact environnemental que le RP-1.

Composants entièrement américains. Des moteurs jusqu’aux coiffes de protection de la charge utile, la fusée Vulcan Centaur amène la technologie américaine à l’avant-plan de l’industrie aéorspatiale.

Quelles modifications a-t-il fallu apporter au complexe de lancement 41 pour permettre le lancement de la fusée Vulcan d’ULA ?

Stockage et distribution de carburant

Le site de lancement nécessitait un nouveau système de remplissage, de stockage et de distribution de carburant cryogénique au gaz naturel liquide. Il nécessitait aussi des modifications aux systèmes LH2 et LO2 existants. À des fins de sécurité, le complexe de lancement 41 est divisé en quadrants avec une séparation claire des carburants. L’équipe de conception a élaboré une tuyauterie pour les systèmes cryogéniques LH2, LO2 et GNL.  Les carburants cryogéniques vont de -200°F à -400°F, ce qui cause une contraction de toute conduite touchée. Salas O’Brien a également effectué des simulations thermiques sur des tuyaux de ventilation cryogéniques à enveloppe sous vide et isolés mécaniquement, pour concevoir des supports de tuyaux qui adhèrent aux contraintes et aux déplacements admissibles causés par la contraction thermique. Un autre enjeu des carburants cryogéniques est la condensation. Alors que la condensation sur un verre contenant un liquide froid se forme à partir de la vapeur d’eau contenue dans l’air ambiant, la condensation sur une conduite d’hydrogène cryogénique non isolée est de l’oxygène liquide. Ces gouttelettes peuvent endommager l’équipement et blesser le personnel. Nous avons fait passer la conduite d’aération LH2 non isolée à l’écart des passages et des équipements critiques pour éviter que de l’oxygène liquide ne s’égoutte sur ces équipements ou des zones où circule le personnel.  Aux endroits où un tel détournement n’était pas possible, nous avons conçu des plateaux récepteurs et des couvercles de protection.

Tuyauterie

Pour modifier le complexe de lancement existant, Salas O’Brien a utilisé une tuyauterie sans tranchée pour faciliter l’installation derrière et entre les systèmes existants. Cela a grandement réduit le risque de dommages et éliminé la nécessité de démolir et de réparer les chaussées et structures existantes. Salas O’Brien a utilisé le forage directionnel horizontal (FDH) pour les tuyaux et conduites flexibles. Le forage par poussée nous a permis d’installer des gaines rigides à une certaine inclinaison, fournissant une enveloppe protectrice pour que la conduite passe derrière la structure de lancement existante. Dans le cadre de ce projet, les opérations de forage par poussée ont dû être planifiées entre les lancements de fusées afin de ne pas avoir d’incidence sur le manifeste de lancement d’ULA. La précision était de mise dans le cas des conduites à enveloppe à vide isolant pour les carburants cryogéniques quant à leur connexion et à leur passage autour des bâtiments. Il n’y a aucune marge permettant des ajustements coûteux sur le chantier. Hensel Phelps a fourni le balayage 3D de tous les bâtiments et systèmes existants, et Salas O’Brien a créé un modèle 3D détaillé dans Creo Parametric et Revit pour élaborer avec précision le trajet de chaque tuyau et respecter les exigences strictes concernant les pentes.

Protection incendie et détection

Pour protéger les systèmes de réservoirs de carburant, Salas O’Brien a élaboré et mis en œuvre des systèmes d’extinction d’incendie, des talus en terre renforcés et d’autres barrières physiques. Nos ingénieurs en protection incendie ont conçu le système d’extinction déluge avec une répartition de la pulvérisation permettant de couvrir complètement le réservoir de stockage d’hydrogène de 120 000 gallons d’une longueur de 180 pieds, les postes de remplissage des camions et d’autres zones critiques. Des détecteurs de flamme à infrarouge ont également été conçus pour fournir une couverture optimale de détection d’un incendie de façon hâtive dans ces zones, avant une défaillance catastrophique. Les fuites de carburant dans les dispositifs de distribution statiques et les réservoirs de carburant sont rares ; toutefois, les camions livrant les carburants liquides créent une zone vulnérable durant les opérations de remplissage. Nous avons réduit ce risque en mettant en œuvre les méthodes de classification des dangers NFPA, comme des dispositifs électriques antidéflagrants et des systèmes d’extinction déluge qui comportent des caractéristiques de détection des flammes et de la chaleur. Nos ingénieurs ont aussi fait une analyse étendue d’un nouveau bassin de déversement pour le GNL pour en déterminer la taille et l’emplacement. Advenant la défaillance complète d’un réservoir de stockage, ce bassin doit recueillir le GNL et le diriger à l’écart, où il peut être brûlé en toute sécurité sans endommager les infrastructures critiques du site. Cette analyse et les études visant l’emplacement des torches pour le LH2 et le GNL faisaient partie de la conception de systèmes de sécurité incendie pour la nouvelle disposition du site.

Système de suppression acoustique par eau (ASWS)

Les systèmes de suppression acoustique aident à réduire le bruit et les vibrations lors du lancement d’une fusée. Ces systèmes injectent une grande quantité d’eau dans la colonne d’échappement, dans les zones au-dessus de l’aire de lancement. L’eau est libérée juste avant l’allumage des moteurs et est livrée sous haute pression pour assurer sa distribution uniforme et la formation d’une enveloppe de vapeur pour absorber l’énergie acoustique générée par les moteurs. Pour le nouveau système de stockage et de distribution de l’eau ASWS, des systèmes à azote gazeux (GN2) ont été conçus pour pressuriser et actionner les flux d’eau. Salas O’Brien a conçu un nouveau tracé pour les tuyaux d’azote à haute pression (3 500 psig), des raccords et des raccordements aux systèmes existants. Nous avons fourni des calculs initiaux de la perte de pression et des débits requis, et déterminé les forces de poussée causées par l’activation des commandes à action rapide pour dimensionner des butées et soutiens appropriés pour protéger les conduites contre les forces de réaction. La conduite d’eau de 30 po pour l’ASWS a été installée par forage par poussée plutôt que par l’excavation d’une tranchée dans l’aire de lancement.

Mise en chantier et permis

Avant les modifications, Salas O’Brien a élaboré les travaux de génie civil et de mise en chantier pour chacune des quatre zones d’installation des réservoirs. Cela comprenait les dessins de conception complets pour le déblai et la gestion/élimination du sol contaminé. Nous avons élaboré des demandes de permis concernant les eaux pluviales pour la zone de projet et obtenu un permis de construction auprès du St. Johns River Water Management District. Nous avons contribué à l’élaboration de plans de prévention de la pollution des eaux pluviales et des déterminations de la conformité environnementale. Salas O’Brien a élaboré l’évaluation environnement exigée par le National Environmental Policy Act (NEPA) pour le programme Vulcan, qui a obtenu le résultat « Finding of No Significant Impact (FONSI) » (aucun impact important). Nous avons contribué à l’élaboration de plans de conformité aux contrôles de l’utilisation du sol exigeant la gestion du sol contaminé sur place. Nous avons géré le processus d’obtention de permis en étant extrêmement proactifs et réactifs auprès des organismes publics. Nos dessins étaient très détaillés et très complets pour réduire les commentaires au minimum.

Quand la nouvelle fusée Vulcan a-t-elle été lancée ?

ULA a lancé la fusée Vulcan Centaur à partir du complexe de lancement 41 fraîchement rénové le 8 janvier 2024, un lancement que le New York Times a qualifié d’« impeccable ». L’équipe de Salas O’Brien a fourni l’ingénierie qui a aidé ULA à moderniser et mettre à niveau les installations pour qu’elles puissent accueillir les lanceurs lourds de prochaine génération et a une grande expérience auprès de clients de l’aérospatiale. Contactez-nous pour en savoir plus à [email protected]. Pour les demandes des médias sur cet article, adressez-vous à Stacy Lake, directrice des communications d’entreprise.