Choix d un lanceur spatial pour des missions habitées

Université Libre de Bruxelles Solvay Brussels School of Economics and Management Choix d un lanceur spatial pour des missions habitées Utilisation des techniques d aide à la décision multicritères dans le cadre du cours de TQG-II Travail présenté par Matthieu Loos et Pierre Verhelst Année académique 2012-2013 Titulaire du cours : Bertrand Maréschal 1

Sommaire 1 Introduction... 4 2 Présentation et modélisation du problème... 5 2.1 Les trois scénarios envisagés... 5 2.1.1 Objectif Mars/Lune... 5 2.1.2 Objectif international... 5 2.1.3 Objectif tourisme... 5 2.2 Définition des critères... 6 2.2.1 Flexibilité (Qualitatif)... 6 2.2.2 Coût opérationnel... 6 2.2.3 Capacité LEO... 6 2.2.4 Capacité GTO... 6 2.2.5 Sécurité... 6 2.2.6 Autres critères... 7 2.3 Les différents types de lanceurs... 8 2.3.1 Navette spatiale (STS)... 8 2.3.2 Lanceur Heavy launch vehicle type (SLS)... 8 2.3.3 Falcon 9... 9 2.3.4 Falcon Heavy... 9 2.3.5 Delta IV Heavy... 10 2.3.6 Zenit... 10 2.3.7 Ariane V... 11 2.3.8 R-7 Soyouz... 11 2.4 Le tableau de comparaison... 12 3 Décision sur base de la Somme Pondérée... 13 4 Décision sur base de surclassement... 16 4.1 Etablissement des fonctions de préférences... 16 4.1.1 Capacité en orbite basse... 16 4.1.2 Capacité en orbite de transfert... 16 4.1.3 Coût opérationnel... 16 4.1.4 Sécurité... 17 4.1.5 Flexibilité... 17 4.1.6 Tableau récapitulatif... 17 4.2 Analyse des scénarios... 18 4.2.1 Voyage vers la Lune ou Mars... 18 4.2.2 Développement de la coopération internationale... 20 4.2.3 Développement du tourisme spatiale... 22 2

4.3 Comparaison des scénarios... 23 5 Conclusions... 24 6 Bibliographie... 25 Annexe A Résultat somme pondérée... 26 3

1 Introduction Le 8 juillet 2011, décolle pour la dernière fois la navette Atlantis et clôture une longue série de vols marquant l histoire de la conquête spatiale américaine. Depuis l annonce du retrait des navettes spatiales, plusieurs projets ont été proposés et les directives données à la NASA ont changé plusieurs fois. A chaque changement de destination, un nouveau type de lanceur est proposé. Les lanceurs spatiaux sont en effet spécifiques et doivent être dimensionnés de façon à répondre le mieux possible à un objectif défini. C est sur ce thème que nous avons décidé de travailler pour le projet du cours de Technique Quantitative de Gestion II. Nous avons élaboré le problème de décision suivant : Quel est le lanceur spatial le mieux adapté pour envoyer des êtres humains dans l espace à différentes destinations? Les destinations étant les différents scénarios imaginés. Ce rapport est divisé en trois grandes parties. Le premier chapitre présente le problème avec une petite introduction du contexte et les trois scénarios imaginés, c est-à-dire un voyage lointain vers la Lune, Mars ou un astéroïde, une coopération internationale et un développement de la station spatiale internationale ou alors le développement du tourisme spatial. Ensuite, les différents critères, qualitatif comme quantitatif, de sélection des lanceurs sont décrits tels que la capacité en orbite basse, GTO, la sécurité, le coût, etc. Et enfin les différents lanceurs et leurs caractéristiques par rapport aux critères sont expliqués. Nous parlons notamment des lanceurs privés Falcon, d Ariane V, de la navette spatiale, d un lanceur lourd SLS, etc. La deuxième partie fait une première sélection des lanceurs pour chaque scénario en utilisant la technique de la somme pondérée. Les inconvénients de cette méthode sont décrits et l utilité de passer à des techniques plus complexes utilisant les surclassements est montrée. Enfin le dernier chapitre présente une technique de surclassement utilisant le logiciel Visual Prométhée. Des classements par Prométhée et une analyse de sensibilité par GAIA sont notamment faits. Une conclusion termine ce travail et donne des choix de lanceurs pour les scénarios envisagés. 4

2 Présentation et modélisation du problème La décision à prendre pour ce projet est de choisir le lanceur spatial le mieux adapté pour envoyer des êtres humains dans l espace dans le but de missions spatiales très spécifiques. Le problème présenté pour ce projet pourrait concerner l administrateur de la NASA ou des hommes politiques américains voulant décider de l avenir du secteur aérospatial américain. 51 ans après que Yuri Gagarin a ressenti les effets de l apesanteur, le monde géopolitique et économique a énormément changé mais l intérêt pour l espace ne semble pas s être éteint pour autant. Le président George H. Bush puis son fils George W. Bush ont successivement proposé des programmes spatiaux ambitieux. Le président américain Barack Obama a ensuite changé à nouveaux les plans pour proposer son propre programme. Dans chacun des cas, des nouveaux types de lanceurs sont suggérés. Nous pouvons donc supposer que le type de lanceur dépend énormément de la mission à accomplir. C est pour cela que nous nous proposons d étudier différentes technologies de lanceurs (nos actions) en fonction de plusieurs critères qui pourraient être sélectionné par les gouvernements (dans notre cas le gouvernement américain) comme jouant un rôle relativement important dans le choix définitif. 2.1 Les trois scénarios envisagés Nous avons choisi d étudier trois scénarios différents ; le premier demande l envoi de beaucoup de matériel dans l espace dans l objectif d envoyer des Hommes sur la Lune ou sur Mars. Le deuxième scénario est moins ambitieux et suggère une coopération internationale entre les états pour continuer à utiliser la station spatiale internationale et y développer des partenariats. Et enfin, nous avons voulu tester un troisième scénario où l idée serait de développer le tourisme spatial. 2.1.1 Objectif Mars/Lune Le premier scénario propose une volonté américaine d étendre son impact et son avance technologique sur l espace tel que l installation d une base lunaire, le lancement d un voyage lointain sur Mars ou sur un astéroïde. Nous imaginons donc que le critère de coût du projet sera donc moins important que dans les autres cas car c est surtout le prestige d y arriver qui compte. 2.1.2 Objectif international Le deuxième scénario est un renforcement de la coopération internationale, les Etats-Unis décident de s aligner sur les projets internationaux. D après nos recherches, il semble que les efforts s orientent principalement autour de la station spatiale internationale. Certains états ont des plans différents mais ne sont pas assez clairs ou ambitieux pour être pris en compte. Les projets internationaux semblent donc s orienter autour de l orbite basse et de l entretien de la station avec des capacités de lancement relativement faible. 2.1.3 Objectif tourisme Le troisième scénario envisagé est plus complexe et cherche l accessibilité de l espace à la population donc un développement du tourisme spatial et autre. Dans ce scénario, nous verrons que les coûts sont extrêmement importants ainsi que la sécurité. 5

2.2 Définition des critères Différents critères ont été choisis. La plupart d entre eux sont inspirés du rapport de la commission Augustine [1] commandé par le président Barack Obama pour évaluer les possibilités qu à la NASA de suivre le programme Constellation 1 et des conséquences du retrait de la navette spatiale sur le programme de la station spatiale internationale. Le choix des critères ne fut pas simples car il y a beaucoup de facteurs qui peuvent conduire au choix d un lanceur et les informations ne sont pas toujours faciles à trouver vu que les programmes appartiennent en général à des états et prennent de nombreuses années à être développés. 2.2.1 Flexibilité (Qualitatif) La flexibilité est un critère plutôt qualitatif basé sur trois effets ; le type de carburant, l existence d un véhicule capable d emporter des Hommes ou la prévision d un véhicule capable d emporter des Hommes. Les fusées utilisant un carburant solide sont désavantagées car il n est pas possible d interrompre la combustion, ainsi la poussée ne peut être contrôlée. Ce système est intéressant pour envoyer des satellites sur des orbites précises mais pour des lancements avec des missions très différentes, cette propulsion peut être un désavantage. 2.2.2 Coût opérationnel Le coût opérationnel correspond au coût d entretien des lanceurs ; c est-à-dire les coûts variables liés à chaque lancement. Par exemple, une navette spatiale demande énormément d entretien car beaucoup de pièces sont à changer et à vérifier. Les anciens lanceurs doivent simplement être reconstruit et n ont pas de coût de maintenance, le coût est donc le coût de production du lanceur avec son carburant. 2.2.3 Capacité LEO Chaque lanceur spatial a une taille définie, ce qui lui donne une capacité définie en orbite basse et en orbite de transfert. Le choix d un lanceur va donc fixer à long terme le poids maximum à envoyer en un seul lancé. Dans certains cas, comme du simple ravitaillement, le poids n est pas nécessairement important mais pour des missions lointaines, énormément de matériels est nécessaire ce qui peut requérir soit un gros lanceur, soit plusieurs lanceurs moyens avec un assemblage en orbite (ce qui complexifie fortement les opérations). 2.2.4 Capacité GTO La capacité GTO (Geostationary Transfer Orbit) est une orbite assez particulière fortement elliptique. Une quantité relativement importante de carburant doit être consommée par le véhicule car il doit être sur le plan équatorial de la terre. Une fois le véhicule placé sur cette orbite, il est possible de se transférer sur un autre astre que la terre. Cette position est donc relativement importante pour les vols éloignés. 2.2.5 Sécurité Il est très difficile d estimer la sécurité d un lanceur et de les comparer les uns par rapport aux autres notamment à cause du peu de vols qu effectuent ces engins. Pour cela, nous nous sommes basés sur le nombre de lancements réussis par rapport au nombre de lancement total, en ajoutant un coefficient en cas de réussite partielle. Nous obtenons ainsi des ratios relativement bons pour les lanceurs âgés mais les lanceurs récents ou en cours de développement ne peuvent pas être évalués. Nous nous sommes alors basés sur les technologies utilisées pour ces lanceurs et nous avons essayé de les comparer avec les lanceurs existants. Par exemple, le Falcon 9 de SpaceX a déjà effectué quelques vols mais le Falcon Heavy n en a effectué aucun mais utilise les mêmes propulseurs. Leur 1 Programme spatiale lancé par le président G. W. Bush pour envoyer des américains sur la Lune puis sur Mars. Lorsque la commission Augustine fut lancée, le programme avait déjà beaucoup de retard et était en grand manque de budget. 6

niveau de sécurité sera donc proche mais, comme la fusée est plus complexe, la sécurité a été abaissée par rapport au Falcon 9. 2.2.6 Autres critères Lors de la mise au point du problème, nous avons pensé à énormément de critères différents qui n ont pas été intégrés dans le problème pour plusieurs raisons comme la difficulté de trouver l information, la difficulté de comparaison, etc. Nous avons notamment pensé à : - Coût de développement ; ce coût aurait été très intéressant mais vu que les programmes sont généralement gouvernementaux, il est très difficile d obtenir des chiffres précis. - Capacité translunaire ; nous avons envisagé d utiliser cette capacité au lieu de la capacité GTO mais à part un lanceur, la plupart ne sont pas prévu pour être en orbite lunaire. - Particularité du véhicule ; beaucoup de paramètres peuvent être pris en compte comme la réutilisabilité du véhicule (Navette spatiale), le nombre d étages, l atterrissage (Soyouz) ou l amerrissage (capsule américaine), etc. Une partie d entre eux ont été inclus dans la partie flexibilité mais des critères plus précis auraient pu être développés. - Facteur d innovation ; les programmes spatiaux apportent une certaine quantité de nouvelles technologies. Ce facteur est intéressant à intégrer mais pas pour la sélection de lanceurs. En effet, les lanceurs apportent des retombées technologiques mais ce n est qu une partie des retombées de tout un programme spatial. 7

2.3 Les différents types de lanceurs Différents types de lanceurs ont été analysés. Nos sélections ont plutôt porté sur les grandes lignes des technologies utilisées. Après plus de 60 ans d innovation dans le domaine des lanceurs, plusieurs idées ont été testées et d autres risquent d apparaître dans le moyen terme. La plupart des chiffres et informations décrites dans cette section proviennent de Wikipedia et des sources annexes. 2.3.1 Navette spatiale (STS) La navette spatiale est un engin semi réutilisable de capacité en orbite basse relativement élevée de 24,4 tonnes. D après une étude, il est difficile d utiliser la navette en dehors de l orbite basse pour énormément de raisons. Une des raisons est que la rentrée atmosphérique se fait à une vitesse plus rapide une fois qu on sort de l orbite terrestre. La capacité en orbite GTO est de 3,81 tonnes, d après l étude Constantine, un coût de lancement revient à 450 millions de dollars, ce coût est extrêmement élevé et provient notamment de tout l entretien nécessaire pour pouvoir relancer l engin. Il n y a eu que deux accidents sur 135 vols, ce qui donne un ratio de succès de 98,52%. Figure 1: Illustration de la Navette spatiale américaine 2.3.2 Lanceur Heavy launch vehicle type (SLS) Le lanceur SLS est un véhicule de la taille de l ancienne fusée Saturn V qui emporta les Hommes sur la Lune. Cette fusée est extrêmement puissante ce qui lui offre une capacité extraordinaire mais possède également un coût par lancement relativement élevé si la masse de matériel à envoyer en orbite est faible (satellite, ravitaillement pour les astronautes). Basé sur le nombre de vols effectués par la fusée Saturn V, nous ne pouvons que qualifier la sécurité de moyenne car peu de vols ont été effectués pour être considéré comme sécuritaire. Ce lanceur possède le véhicule spatial Orion qui est en cours de développement et permet d envoyer 2 à 6 astronautes. Figure 2: Représentation du lanceur lourd en cours de développement par la NASA 8

2.3.3 Falcon 9 L orbite basse étant maîtrisé par les états depuis plus 60 ans, le secteur privé estime que la technologie est assez maîtrisée pour être géré indépendamment de l Etat. Le but est d améliorer l efficacité dans la gestion de cette industrie et tenter de réduire les coûts et créer de nouveaux marchés. Plusieurs sociétés se sont déjà lancées dans la course. SpaceX, Orbital Sciences, Boeing, Lockheed Martin sont en train de développer des capsules ou véhicules pouvant emporter des êtres humains dans l espace. La NASA finance ce système en donnant du conseil et achetant des contrats pour envoyer des personnes ou du ravitaillement dans la station spatiale internationale. La fusée considérée ici est celle de SpaceX, la Falcon 9. SpaceX développe actuellement la capsule Dragon Crew qui pourra emmener 7 astronautes. Figure 3: Illustration du lanceur privé Falcon 9 développé par SpaceX 2.3.4 Falcon Heavy SpaceX développe une autre fusée appelée Falcon Heavy. C est un lanceur lourd capable d envoyer 53 tonnes en orbite base et 12 tonnes en orbite géostationnaire. Les premiers tests sont à prévoir pour 2013 et la technologie utilisée est très semblable à celle du Falcon 9. Deux prix sont proposés en fonction de la charge utile à mettre en orbite (83 m$ au dessus de 6.4 tonnes en GTO et 128 m$ en dessous). Dans notre cas, faisons une moyenne des deux prix. Il est prévu que ce lanceur emporte l atterrisseur Red Dragon qui devrait être capable de conduire un équipage sur mars. Figure 4: Illustration du projet de lanceur lourd Falcon Heavy développé par SpaceX 9

2.3.5 Delta IV Heavy Le lanceur Delta IV Heavy est un lanceur utilisé par l armée américaine et la NASA développé dans les années 1990. Sa capacité en orbite basse est de 23 tonnes et il peut mettre 13 tonnes en orbite de transfert. Il n y a pas de véhicule permettant d emporter des hommes dans l espace. Bien que tous les lancements effectués soient réussis avec cette classe de lanceur, il y a eu un échec partiel où l orbite désiré n a pas été atteint. Nous fixons donc une sécurité de 95%. Actuellement, aucun véhicule capable d emporter un équipage n est prévu pour ce lanceur. Figure 5: Photo du lanceur lourd Delta IV Heavy 2.3.6 Zenit Le lanceur Zenit a été développé par l union soviétique. Ces lanceurs sont maintenant adaptés pour être lancés depuis une plateforme navale. Le taux de succès de ces lanceurs est relativement faible avec 9 échecs sur 79 lancés. Le coût d un lancement est d environ 67.5 millions de dollars et il est possible d envoyer 13,74 tonnes en orbite basse. Aucune capsule permettant d emporter des êtres humains n est prévue pour être adaptés à cette fusée. Figure 6: Décollage d'une fusée Zenit depuis une plateforme flottante 10

2.3.7 Ariane V Ariane est la fusée commerciale européenne qui a un succès relativement bon et une sécurité élevée. Bien qu une navette Hermès ait été en projet au début des années 1990, ce dernier est complètement abandonné et rien n est prévu pour envoyer des êtres humains dans l espace. La capacité du véhicule est conséquente par rapport aux autres lanceurs commerciaux avec une capacité en orbite basse de 21 tonnes et en orbite de transfert de 9,6 tonnes. Le coût par lancement est cependant élevé avec 220 millions de dollars notamment suite à la grosse capacité et à la complexité logistique créé par l accord entre les différents pays européens participants au programme. Figure 7: Décollage d'ariane V depuis la base de Kourou 2.3.8 R-7 Soyouz L engin Soyouz a effectué son premier vol en 1966 et a subi plusieurs améliorations depuis. Avec autant d année de service, c est l engin spatial le plus utilisé (avec plus de 1700 lancés) et le plus fiable qui existe [7], [8] (fiabilité signifie sécurité au niveau des astronautes, pas au niveau accomplissement de mission). Les Etats-Unis s appuient d ailleurs sur cette technologie pour envoyer leur personnel dans l ISS depuis l arrêt des navettes spatiales. Bien que les Soyouz n aient envoyé des êtres humains qu en orbite basse, la société privée Space Adventures propose un passage proche de la Lune en adaptant un véhicule Soyouz, la flexibilité est donc relativement possible. Figure 8: Lancement du dernier Soyouz R-7 11

2.4 Le tableau de comparaison D après la section précédente et plusieurs recherches sur internet, nous pouvons établir le tableau de comparaison suivant : Tableau 1: Tableau des critères et des options pour lanceur spatial LEO (T) GTO (T) Coût opérationnel (millions de $) Sécurité (%) Flexibilité STS 24.4 3.81 450 99 Bon SLS 118 55 500 94 Moyen Falcon 9 10.45 3.4 56 93 Moyen Falcon Heavy 53 19 102.5 92 Moyen Zenit 13.74 6.16 67.5 88 Faible Ariane V 21 9.6 220 97 Très faible Soyouz 5.5 2.4 188 99 Bon Delta IV 23.04 13.13 155 95 Très faible Pour chacun des scénarios présentés précédemment, des poids peuvent être attribués à chacun des critères. Pour le scénario 1 impliquant une mission habitée sur Mars ou un retour sur la Lune, nous avons mis en priorité à la capacité en orbite de transfert GTO. Une énorme quantité de matériel devra être envoyée et est une des choses les plus importantes ainsi que la flexibilité. Certaines fusées devront envoyer du fret en orbite, d autre atterrir sur un astre et d autres envoyer des êtres humains. Le but étant de s assurer que les astronautes reviennent sains et sauf, la sécurité est aussi importante. Concernant le scénario 2 avec une coopération internationale, il va y avoir une continuité de la station spatiale internationale avec aucun projet d envoi d êtres humains au-delà de l orbite terrestre. Les pays seraient alors favorables à un engin extrêmement fiable avec une capacité suffisante pour envoyer du fret et entretenir la station spatiale. La sécurité nous a semblé extrêmement importante car des astronautes de toutes les nationalités iront à bord du véhicule. Il semble donc qu au niveau politique, la fiabilité du véhicule doit être excellente afin d obtenir la confiance des pays étrangers. De plus, des véhicules devront être rapidement disponibles et donc la flexibilité nous a semblé importante notamment parce que la station spatiale est déjà présente et a besoin d être utilisée rapidement. Quant au coût de ces projets, tout dépend de la volonté politique mais nous avons considéré ça comme moyennement important. Le troisième scénario visant à tenter de développer le tourisme spatial est basé principalement sur le coût et la sécurité. Le but premier des constructeurs privés est d avoir une gestion des coûts beaucoup plus basse que le gouvernement pour agrandir le marché et aussi augmenter la sécurité des véhicules car il n est pas envisageable qu un touriste ait un risque d un pourcent d avoir un accident. 12

Le tableau suivant indique la valeur numérique mise pour le poids de chaque critère en fonction des différents scénarios. Tableau 2: Tableau reprenant les poids pour chacun des critères et des scénarios envisagés Poids LEO (T) GTO (T) Coût opérationnel (millions de $) Sécurité (%) Flexibilité Mars/Lune 0.1 0.3 0.15 0.2 0.25 ISS 0.13 0.03 0.18 0.43 0.23 Tourisme 0.1 0.05 0.5 0.3 0.05 3 Décision sur base de la Somme Pondérée Une méthode simple consiste à pondérer chaque critère pour les différents scénarios analysés. Le choix se faisant sur le type de lanceur ayant la plus grande et où sa valeur est calculée par la formule ci-dessous : Où w i est le poids attribué au critère i et g i (Lanceur) est la valeur du critère pour le lanceur étudié. Pour cela, le tableau présenté à la section précédente doit être retraité pour être exprimé en pourcentage. Tableau 3: Tableau modifié pour utiliser la somme pondérée g i (Lanceur) LEO (%) GTO (%) Coût opérationnel Sécurité (%) 2 (%) Flexibilité STS 20.68 6.93 10 99 100 SLS 100 100 0 94 66 Falcon 9 8.86 6.18 88.8 93 66 Falcon Heavy 44.92 34.55 79.5 92 66 Zenit 11.64 11.2 86.5 88 33 Ariane V 17.8 17.45 56 97 0 Soyouz 4.66 4.36 62.4 99 100 Delta IV 19.53 23.87 69 95 0 2 Calculé sur base du pourcentage de gain par rapport au lanceur le plus cher 13

Dans le cas du scénario 1 (Destination Lune/Mars), nous observons que le SLS est le mieux adapté, cela semble être principalement à sa forte capacité et sa sécurité, le deuxième est le Falcon Heavy qui a un gros avantage concernant le coût. L analyse par Prométhée et GAIA permettra de voir s il y a des contradictions ou autres problèmes dans les critères. Le tableau ci-dessous reprend les valeurs calculées sur base des sommes pondérées pour ce scénario. Tableau 4: Résultat de la somme pondérée pour le scénario 1 Lanceur Valeur V STS 50,447 SLS 75,3 Falcon 9 51,16 Falcon Heavy 61,682 Zenit 43,349 Ariane V 34,815 Soyouz 55,934 Delta IV 38,464 Concernant le scénario 2 (Coopération internationale), sur un scénario de renforcement de coopération internationale. En appliquant les poids expliqués précédemment, nous obtenons que le modèle type Soyouz est le véhicule le mieux adapté car sa sécurité et flexibilité est excellente. Ensuite, le Falcon Heavy semble être une bonne idée également mais, cela proviendrait à nouveau de son coût intéressant et de sa capacité importante. Le tableau ci-dessous reprend les valeurs calculées sur base des sommes pondérées. Tableau 5: Résultat de la somme pondérée pour le scénario 2 Lanceur Valeur V STS 70,2663 SLS 71,6 Falcon 9 72,4912 Falcon Heavy 75,9261 Zenit 62,8492 Ariane V 54,6275 Soyouz 77,5386 Delta IV 56,525 14

Pour le scénario 3 visant à développer le tourisme spatial, les deux lanceurs Falcon ont la cote grâce à leur faible coût, la sécurité des engins étant très proche pour chacun des cas, l influence n est pas énorme. L étude par surclassement nous permettra de mieux comprendre les avantages et inconvénients des lanceurs. Tableau 6: Résultat de la somme pondérée pour le scénario 3 Lanceur Valeur V STS 42,1145 SLS 46,5 Falcon 9 76,795 Falcon Heavy 76,8695 Zenit 73,024 Ariane V 59,7525 Soyouz 66,584 Delta IV 66,1465 En conclusion, une décision sur base de la somme pondérée nous donne déjà un premier résultat de lanceur pour chacun de nos scénarios. Cependant, seulement une valeur nous permet de savoir lequel est le mieux adapté sans prendre en compte les conflits et autres problèmes. L analyse par Prométhée et GAIA est donc nécessaire afin de mieux comprendre le choix d un lanceur. 15

4 Décision sur base de surclassement Le problème de la méthode de la somme pondérée est qu elle ne tient pas compte des échelles entre les actions et ne détecte pas les conflits. Elle est complètement compensatoire c est-à-dire qu une bonne évaluation va complètement compenser une mauvaise évaluation. Le poids des critères est influencé par le facteur d échelle et le résultat de chaque action est simplement un score ce qui est difficile à interpréter et une perte d information peut arriver. La méthode de surclassement est donc utilisée pour tenir compte de ces subtilités. Cette méthode se base sur les comparaisons d actions 2 à 2 et par des fonctions de préférences, des flux sortants de puissance et des flux entrants de faiblesse sont construits. 4.1 Etablissement des fonctions de préférences Des fonctions dites de préférences doivent être établies pour tenir compte de l amplitude des déviations, du facteur d échelle et aussi pour s assurer que chaque paramètre ait une signification pour la personne prenant la décision (pas d effet «black-box»). Pour chacun des scénarios, il faut définir des fonctions de préférences qui vont permettre d affiner notre décision. 4.1.1 Capacité en orbite basse L importance de la capacité en orbite basse varie énormément en fonction des scénarios. Dans le scénario 1 pour une mission vers Mars, vu les quantités importantes de matériel à emporter pour un si grand voyage, la différence ne sera significative que lorsque l écart entre deux lanceurs sera suffisamment importants pour emporter du matériel lourd. Nous avons donc, sur base du «help me» de Visual Prométhée, fixé un seuil d indifférence à 37.03 T, ce qui correspond au poids d à peu près deux modules de l ISS et nous avons ensuite estimé un seuil de préférence à environ 74 T. Concernant les scénarios 2 et 3, le poids semble être important mais il ne nous a pas semblé utile d avoir un seuil d indifférence car tout kilogramme supplémentaire est intéressant vu que le matériel à transporter ne sera pas aussi important que dans le scénario 1. Le seuil de préférence est également mis en pourcentage car la quantité de matériel à envoyer sera rarement supérieure à une trentaine de tonnes, il nous a donc semblé que le kilogramme supplémentaire entre deux petits lanceurs est plus important que le kilogramme entre deux gros lanceurs qui auront probablement la capacité d embarquement nécessaire. 4.1.2 Capacité en orbite de transfert La capacité en orbite de transfert est plus faible que l orbite basse vu la quantité de carburant a consommé pour s y placer. Nous avons donc opté pour une fonction de préférence en V pour les scénarios 2 et 3 et linéaire pour le scénario 1. La méthode et le raisonnement utilisés sont les mêmes que pour la capacité en orbite basse. 4.1.3 Coût opérationnel Le coût opérationnel est très élevé dans ce genre de missions. Cependant, dans les scénarios 1 et 2, comme les gouvernements maîtrisent toujours l espace, nous avons supposé un seuil d indifférence de 3% car nous avons estimé que le coût était moins un problème pour ce genre de missions. Pour le scénario 3, comme il y a une idée de marché (offre/demande des touristes) et probablement une entrée des lanceurs privés qui se dessine autour du tourisme spatial, nous avons évité le seuil d indifférence et choisi le même seuil de préférence à 25%. 16

4.1.4 Sécurité Concernant la sécurité, nos fonctions de préférences varient dans chacun des scénarios car le risque pris ne nous semble pas le même et donc la tolérance à la sécurité est différente. Dans le cas du scénario vers la Lune ou Mars, nous avons mis un seuil d indifférence vu l ambition du projet, nous avons supposé qu il y aurait une petite indifférence de 3 pourcents entre deux fusées. Cependant si la différence est trop élevée, une préférence est malgré tout utilisée. Pour le scénario vers une coopération internationale, vu les tensions politiques qui peuvent se créer entre les pays en cas de mort d un astronaute, nous avons été plus sévère envers la sécurité surtout si elle est basse à la base. Ensuite pour le scénario tourisme, nous n avons mis aucun seuil d indifférence car nous supposons que les touristes ne peuvent tolérer aucune erreur dans le système alors que les autres scénarios peuvent accepter un retard de mission, une défaillance légère ou autres. 4.1.5 Flexibilité Le critère étant qualitatif, nous avons pris la fonction de préférence usuelle. Nous aurions pu choisir une fonction en pallier mais comme le nombre d étages est relativement limité, cela ne nous semblait pas cohérent. 4.1.6 Tableau récapitulatif Le tableau suivant indique le type et les valeurs des fonctions de préférences pour chacun des critères et des scénarios. Tableau 7: Tableau reprenant les fonctions de préférences pour chacun des scénarios Fct préférence LEO (T) GTO (T) Coût opérationnel Sécurité Flexibilité Scénario 1 Linéaire (Q=37.03 et P=73.97) Linéaire (Q=17.89 et P=34.95) Linéaire (Q=3% et P=25%) Linéaire (Q=3.07 et P=7.23) Usuel Scénario 2 V (P=25%) V (P=25%) Linéaire (Q=3% et P=25%) Linéaire (Q=3% et P=25%) Usuel Scénario 3 V (P=25%) V (P=25%) V (P=25%) V (P=7.23) Usuel 17

4.2 Analyse des scénarios Cette section analyse les différents scénarios du projet avec les poids établis et les fonctions de préférences décrites au chapitre précédent. L analyse par Prométhée et GAIA est faite afin de comprendre quelle est la meilleure option dans chaque cas et étudier la sensibilité et les contradictions pour chacun des lanceurs étudiés. 4.2.1 Voyage vers la Lune ou Mars Les figures 9 et 10 montrent respectivement la représentation Prométhée en Diamant et le graphe en classement partiel du scénario d une mission vers Mars ou la Lune. Figure 9 : Graphe de diamant du scénario 1 Figure 10 : Graphe de classement partiel du scénario 1 Grâce au graphique en diamant et de classement partiel, nous remarquons que le lanceur le plus adapté est le SLS au niveau du flux sortant (puissance) suivi du lanceur Soyouz. Concernant le flux entrant (faiblesse), le SLS a plus de faiblesses que la moitié des lanceurs sélectionnés. Un changement dans les poids pourrait le faire rapidement passer second derrière le Soyouz qui a le moins de faiblesse. Cependant ces deux lanceurs sont relativement préférés aux autres. Cette conclusion est assez intéressante car ce sont en effet ces deux lanceurs qui pourraient être utilisés pour de tels projets. La NASA compte en effet utiliser le SLS pour aller vers la Lune [4] et la société Space Adventure compte utiliser une adaptation du Soyuz pour également un flyby autour de la Lune. Le SLS possède le plus d avantages (φ + maximum de 0.5238) et a un nombre d inconvénients relativement moyen par rapport aux autres lanceurs (φ - est de 0.2479 alors que le maximum est de 0.4105 pour le Zenit et de 0.1469 pour le Soyouz). Par contre le lanceur Ariane V n est clairement pas adapté car il possède très peu d avantages (φ + est de 0.0911) et ses inconvénients sont malgré tout importants (φ - est de 0.3786). La représentation GAIA à la figure 11 nous permet de comprendre cette classification. Bien que la qualité ne soit pas excellente (81,9 %), les grandes lignes peuvent être comprises. 18

Figure 11 : Graphe Gaïa du scénario 1 Le graphe Gaïa nous montre un conflit entre le coût opérationnel et la capacité en orbite basse et orbite de transfert. En effet et de manière générale, plus la masse est importante et plus le coût sera élevé. On voit également que le critère le moins discriminatoire est la sécurité car la longueur du segment est la plus faible. Le SLS est clairement défavorisé par rapport au coût mais est le plus avantagé concernant les capacités en orbite. Il est ensuite bien classé pour la flexibilité ce qui fait qu il est sélectionné comme lanceur le plus intéressant. On voit également que proche de l axe de décision se trouve le Soyouz et le STS qui sont également bien classés dans la représentation en diamant. Dans le cas du scénario d une mission en dehors de l orbite terrestre, la capacité de mise en orbite basse et de transfert du lanceur SLS lui donne un avantage par rapport aux autres lanceurs. Cependant, le coût important du lanceur lui donne de sérieux désavantages qui pourraient nous conduire à préférer un lanceur Soyouz car il a peu de désavantages par rapport aux autres. 19

4.2.2 Développement de la coopération internationale Les figures 12 et 13 montrent respectivement les résultats en graphe diamant et graphe de classement partiel pour le scénario 2. Figure 12 : Graphe de diamant du scénario 2 Figure 13 : Graphe de classement partiel du scénario 2 Ce scénario permet moins facilement déterminer le meilleur lanceur car il y a des groupes très proches avec des incomparabilités. Mais nous constatons un groupe très condensé, dans l ordre décroissant, de Falcon Heavy, STS, Falcon 9, R-7 Soyuz et SLS. Malgré leurs importantes différences entre les φ + et φ - leur φ est similaire. L analyse du graphe en classement partiel nous montre que ce groupe de lanceur a peu de désavantages les uns par rapport aux autres mais ils ont également peu d avantages. La figure ci-dessous montre quantitativement le résultat du problème des flux de préférences unicritère. On remarque que les lanceurs du groupe ont généralement deux bons scores et deux mauvais scores. Figure 14 : Tableau de flux de préférences unicritère du scénario 2 20

L analyse par représentation GAIA nous aide à interpréter ce résultat. Le graphique 15 reprend cette représentation fournie par l outil Visual Prométhée. Figure 15 : Graphe Gaïa du scénario 2 Ce graphe met en évidence que les critères de flexibilité, de coup opérationnel et de charge utile sont discriminatoires car ce sont les plus longs vecteurs. Or ces critères sont tous opposés entre eux, ce qui montre qu ils sont conflictuels et expliquent l observation faites au tableau des flux de préférences précédents. L axe de décision est d ailleurs très petit ce qui rend le choix d un lanceur très sensible car l angle va varier rapidement dès qu une variation de critère ou de fonction de préférence sera opéré. Pour le scénario 2, il est très difficile de choisir un lanceur, celui préféré avec nos paramètres est le Falcon Heavy mais la navette spatiale STS, le Soyouz, le Falcon 9 ou le lanceur SLS pourrait probablement être aussi intéressant. Vu la grande sensibilité sur les paramètres, un affinement des fonctions de préférences et des poids devraient être fait de manières très précises pour pouvoir prendre une décision. 21

4.2.3 Développement du tourisme spatial Les figures 16 et 17 représentent respectivement le résultat du graphe en diamant et du graphe en classement partiel du scénario 3 concernant le tourisme spatial. Figure 16 : Graphe de diamant du scénario 3 Figure 17 : Graphe de classement partiel du scénario 3 Le lanceur Falcon 9 est clairement le plus adapté. En effet, il a le flux sortant (puissance) le plus important par rapport aux autres et le flux entrant (faiblesse) le plus petit (φ + vaut 0.5557 et φ - vaut 0.2518 alors que le Falcon Heavy a φ + = 0.5309 et φ - = 0.3268). On voit qu il y a une incomparabilité entre Ariane V et le STS mais aussi avec le Zenit et le groupe de lanceurs Delta IV, Soyouz et SLS. La représentation Gaïa à la figure 18 nous montre une discrimination relativement égal entre les critères mais l axe de décision clairement calé sur le coût opérationnel. Figure 18 : Graphe Gaïa du scénario 3 22

Le Falcon 9 est gagnant au niveau du coût bien que la qualité (83.6%) de la représentation nous montrerait que ce serait le Zenit. Pour le tourisme spatial, la série des lanceurs Falcon du constructeur privé SpaceX semble la meilleure notamment grâce à l avantage du coût. Le Zenit a aussi un coût faible mais est généralement moins que le Falcon 9 en sécurité et flexibilité ce qui l handicape. 4.3 Comparaison des scénarios Dans le cas d une comparaison des scénarios, on peut imaginer plusieurs parties prenantes comme les industriels, les politiques et les groupes de Lobby comme la Mars Society. Ces trois groupes vont avoir peut-être des objectifs différents, ce qui pourrait faire préférer un scénario par rapport à l autre. La figure ci-dessous montre une comparaison des différents scénarios. Figure 19 : Graphe de comparaison de scénario Le graphe de comparaison de scénario montre que les lanceurs Falcon 9 et Falcon Heavy sont les plus polyvalents. Cependant, si nous supposons que plusieurs scénarios sont envisagés, il ne semble pas intéressant d utiliser qu un seul type de lanceur pour deux ou trois scénarios car le coût d un programme spatial est tellement élevé qu il faut obligatoirement choisir le lanceur optimal. Il n y pas d économie d échelle entre scénarios. Chaque programme spatial nécessite son propre lanceur qui fait l objet d adaptations pour chaque mission (évolution de Saturn V pour chaque mission Apollo). 23

5 Conclusions Ce travail a donc fait l objet d une comparaison multicritère entre différents lanceurs spatiaux de critères très distincts. Trois scénarios avec trois objectifs très différents ont été établis. Un tableau de critères quantitatifs et qualitatif a alors été construit pour commencer la décision multicritères. La méthode de la somme pondérée a été utilisée mais a vite montré ses faiblesses et ses limites notamment en cas de conflits entre critères et les problèmes de compensation qui peuvent apparaître. La méthode de surclassement, en utilisant le logiciel Visual Prométhée, a alors été utilisée et une analyse beaucoup plus précise a pu être effectuée. Des fonctions de préférences ont été introduites et présentées pour comparer les lanceurs deux à deux dans chacun des scénarios. Ensuite un classement par Prométhée et une analyse par GAIA a permis de comprendre la sensibilité des poids des critères pour chacun des scénarios. Le lanceur lourd SLS est donc le lanceur le mieux adapté pour un voyage long vers Mars ou la Lune. Dans le cas d une coopération internationale avec une volonté de travailler sur l ISS, une sélection est difficile à faire et une analyse précise des fonctions de préférences doit être établie pour choisir le lanceur le mieux adapté. Ensuite, dans le cas du tourisme spatial, c est le coût qui est le facteur le plus discriminant et nous conduit à élire le Falcon 9 comme le lanceur le mieux adapté. 24

6 Bibliographie [1] Review of U.S. Human Spaceflight Plans Committee, Seeking a Human spaceflight program worthy of a great nation. [2] Pravda English, Soyuz Booster Rocket 100 Times More Reliable Than US Shuttles. Dernière consultation, le 16 décembre 2012. http://english.pravda.ru/science/tech/04-02-2010/112038- soyuz-0/ [3] ESA, Delta mission, Soyuz Launch Vehicle : The most reliable means of space travel.. Dernière consultation, le 16 décembre 2012. http://www.esa.int/our_activities/human_spaceflight/delta_mission/soyuz_launch_vehicle_the_m ost_reliable_means_of_space_travel [4] Space.com, NASA May Unveil New Manned Moon Missions Soon. Dernière consultation, le 4 janvier 2013. http://www.space.com/18380-nasa-moon-missions-obama-election.html 25

Annexe A Résultat somme pondérée LEO (%) GTO (%) Coût opérationnel (%) Sécurité (%) Flexibilité Mars/Lune ISS Tourisme STS 20,68 6,93 10 99 100 50,447 70,2663 42,1145 SLS 100 100 0 94 66 75,3 71,6 46,5 Falcon 9 8,86 6,18 88,8 93 66 51,16 72,4912 76,795 Falcon Heavy 44,92 34,55 79,5 92 66 61,682 75,9261 76,8695 Zenit 11,64 11,2 86,5 88 33 43,349 62,8492 73,024 Ariane V 17,8 17,45 56 97 0 34,815 54,6275 59,7525 Soyouz 4,66 4,36 62,4 99 100 55,934 77,5386 66,584 Delta IV 19,53 23,87 69 95 0 38,464 56,525 66,1465 Mars/Lune 0,1 0,3 0,15 0,2 0,25 1 ISS 0,13 0,03 0,18 0,43 0,23 1 Tourisme 0,1 0,05 0,5 0,3 0,05 1 26