La stratégie de SpaceX pour relancer la conquête spatiale

Analyse du marché des lancements spatiaux

La demande

Les vols dans l’espace répondent à 3 grands types de besoin : scientifiques, commerciaux et militaires. On les définit souvent selon leur orbite cible. Space Market En 2014 et 2015, il y a eu plus de 80 vols orbitaux dans l’année, dont la majorité se décident hors de tout processus commercial.

En effet chaque pays réserve ses lancements militaires et ses missions scientifiques à sa propre industrie spatiale. Les marchés émergents sont également verrouillés.

La Chine est même complètement isolée puisqu’elle ne peut ni importer de composants étrangers ni exporter ses lanceurs.

Un marché commercial en mutation

Le régulateur américain de l’aéronautique, la Federal Aviation Admnistration publie régulièrement des prévisions sur les vols orbitaux à caractère commercial (ce qui exclue donc tous les lancements militaires, les missions scientifiques et l’intégralité du marché chinois et indien).

Pour la période 2015-2017 les prévisions font état d’environ 17 lancements commerciaux attendus par an pour l’orbite géostationnaire et 13 pour les autres orbites. Traditionnellement le marché est de 25 lancements par an.

Source : Satellite Industry Association

Source : Satellite Industry Association

Plus de 50% des satellites en orbite sont des satellites de communication. Tout simplement car il s’agit du service le plus rentable.

La Satellite Industry Association estime le marché des services par satellite à $123 milliards en 2014 dont $95 pour la télévision, $4,1 pour la connexion Internet et $1,6 pour les services d’imagerie (voir ce document p11).

Les opérateurs satellites sont contraints de réduire leurs coûts rapidement car ils sont menacés par des technologies concurrentes.

En premier lieu la fibre optique qui est beaucoup plus efficiente en zone urbaine dense.

Ensuite par d’autres projets plus originaux pour connecter des zones reculées à l’aide de flottes de ballons atmosphériques (Projet Loon de Google) ou de drones à haute altitude (projet Internet.org de Facebook).

De plus, de nouveaux entrants sur le marché entendent casser les prix en exploitant non plus des constellations d’une dizaine de satellites lourds mais un maillage dense de centaines de satellites de moins d’une tonne.

Le projet OneWeb financé notamment par Virgin et Qualcomm entend utiliser cette stratégie pour fournir une couverture Internet à l’échelle de la planète. SpaceX porte un projet similaire aux côtés de Google. L’américain Planet Labs propose de son côté des services professionnels d’imagerie satellite à partir d’un réseau de mini satellites (CubeSat).

Un des leader du marché « traditionnel », Eutelsat, souhaite en conséquence abaisser les investissements nécessaires pour mettre en orbite 1gbps de capacité de bande passante de €4 à €1 millions. Les principaux axes d’économie envisagés sont l’allongement des durées de vie en orbite et une conception plus légère pour réduire les coûts de lancement. Grâce aux nouvelles propulsions 100% électriques, le poids moyen pourrait être réduit de 50%.

Il restera toutefois une demande pour des satellites très lourds comme l’expliquent les intervenants de cet échange tenu au Satellite Industry Forum à Singapour en 2013.

L’offre de lancement

L’accès à l’espace reste un facteur de prestige et de puissance pour les Etats. Au-delà des pays développés, l’Inde, les Corées et surtout la Chine mènent des programmes spatiaux ambitieux. World Map Launching Capability Comme l’explique très pédagogiquement cette vieille émission de C’est Pas Sorcier, mettre en orbite une charge nécessite de la lancer à très haute vitesse sous peine de la voir retomber.

Plus l’altitude visée est haute, plus il faut de vitesse et donc un lanceur puissant. Si on s’intéresse à l’intégralité des lancements orbitaux depuis 2 ans, on peut brosser le tableau suivant :

Lancement spatiaux 14-15

SpaceX est en mesure de devenir leader incontesté de l’accès à l’espace

Aujourd’hui Space Exploration Technologies Inc. (SpaceX) est présent sur plusieurs marchés :

  • Sur le front des lancements commerciaux, l’américain est opposé au lanceur européen Ariane, au russe Proton et dans une moindre mesure aux H-II japonais et Zenit/Denpr de conception ukrainienne (mais lancés en Russie).
  • Il fabrique et opère pour le compte de la NASA son cargo inhabité Dragon capable de ravitailler la station spatiale internationale (ISS) et de ramener du fret sur Terre.

Si on le compare à ses concurrents sur le marché le Falcon 9 n’est pas le lanceur le plus polyvalent disponible :

Launcher Capability BenchmarkSelon la Fédération de l’Aviation des Etats-Unis, en 2014 39% des satellites géostationnaires lancés pesaient plus de 5,4 tonnes soit plus que les capacités du Falcon 9.

Il en est de même pour les satellites militaires de l’Air Force dont plus des 2 tiers sont trop lourds.

De plus dans les faits la charge maximale réelle disponible du Falcon 9 est de 3,5 tonnes délivrées en GSO. Pourquoi ? Car ils sont lancées depuis la Floride ou la Californie, beaucoup plus éloignées de l’équateur que peut l’être par exemple Kourou en Guyane.

Il y a donc encore en Janvier 2016 un problème de capacité chez SpaceX qui lui barre l’accès à une grande part du marché. Pour autant l’entreprise rencontre déjà un succès important.

Le Falcon 9 est un lanceur jeune : il a réalisé son premier vol en 2010. En 2015 il fait déjà jeu égale avec les Ariane 5 (6 vols dans l’année) et les Proton-M (7 vols).

On peut noter que le Falcon 9 bénéficie des contrats de la NASA vers l’ISS (2 vols en 2015) contrairement à ses consœurs.

D’après les prévisions de la FAA déjà citées, le Falcon 9 pourrait devenir le lanceur commercial le plus utilisé vers les orbites géostationnaires dès 2016

Le Falcon 9 Heavy et le Dragon habitable devraient ouvrir de nouveaux marchés

Simulation du Falcon 9 Heavy - SpaceX

Le Falcon 9 Heavy est en fait 3 Falcon 9 assemblés – SpaceX

Pour palier aux insuffisances du Falcon 9, les ingénieurs de SpaceX en développent une version « lourde », le Falcon 9 Heavy, qui devrait pouvoir emporter jusqu’à 21 tonnes en orbite géostationnaire et 53 tonnes en orbite basse.

Ce serait donc le plus gros lanceur au monde. Pourquoi une telle débauche de puissance ?

Car Elon Musk veut pouvoir envoyer des hommes sur Mars. Après avoir été plusieurs fois retardé, le Falcon 9 Heavy devrait faire son vol d’essai en 2016.

L’US Air Force a par ailleurs accrédité le californien pour le lancement de satellite militaires brisant l’ancien monopole de fait d’United Launch Alliance (Boeing + Lockheed) avec ses lanceurs Atlas V et Delta.

Une fois le Falcon 9 Heavy opérationnel, SpaceX sera donc en mesure de répondre à la totalité des besoins commerciaux dans le monde et militaires aux Etats-Unis. La capsule Dragon habitable devrait être testée en 2017, elle pourra transporter des astronautes jusqu’à l’ISS.

Aujourd’hui la NASA paie les russes pour envoyer des astronautes vers l’ISS. Dans un contexte de dégradation des relations russo-américaines suite aux événements en Ukraine, elle n’hésitera donc pas une seconde à ré-orienter les fonds dédiés vers une entreprise américaine. Evidemment les Dragon seront lancées par des Falcon.

Le Falcon 9 est indiscutablement le lanceur actuel le plus économique

Pour comprendre le succès de SpaceX sur le marché commercial, il suffit de s’intéresser aux prix pratiqués par le californien. Les industriels ont toujours maintenu une certaine confidentialité sur les prix. Il est donc difficile d’obtenir des informations fiables.

Néanmoins en compilant les informations disponibles, on peut établir le tableau suivant (sources détaillées en fin d’article) : Launcher Price Benchmark CurrentSpaceX est donc aujourd’hui clairement imbattable sur le segment commercial et pourrait tailler des croupières à ULA sur le marché militaire américain pour les lancements les plus légers.

L’arrivée du Falcon Heavy représente une menace très sérieuse pour la concurrence qui dispose encore de marchés protégés.

Arianespace lance généralement un satellite lourd (entre 5 et 6 tonnes, donc hors capacité du Falcon 9) avec un satellite plus léger (entre 2 et 3,5 tonnes) pour rentabiliser au maximum le lanceur Ariane.

Sur le second segment, le français a déjà du baisser ses prix

Réaction des concurrents

United Launch Alliance et Airbus Safran Launcher (maître d’oeuvre industriel d’Ariane) travaillent chacun sur une nouvelle génération de lanceur avec l’objectif affiché de diviser leurs coûts par 2 par rapport aux lanceurs disponibles.

Dans le scénario le plus optimiste, ULA et Arianespace seraient donc en mesure de redevenir compétitif avec SpaceX en 2019-2020. Khrunichev et Mitsubishi développent également de nouveaux lanceurs Angara et H-X mais peu d’information est disponible.

Launcher Price Benchmark FutureElément notable le développement du Falcon 9 (hors Falcon Heavy ou version réutilisable donc) a coûté moins de $900M (Rapport final du projet COTS p95) tandis que le développement d’Ariane 6 est déjà évalué à $3,8 milliards et celui du Vulcan à $2 milliards.

Certes ces 2 lanceurs sont plus puissants et donc plus complexes. De plus, même si c’est difficilement vérifiable, il n’est pas exclu que la NASA subventionne indirectement SpaceX en gonflant le montant des contrats de lancement signés.

Cependant, on peut voir dans les coûts de développement un proxy pour évaluer la capacité des entreprises à compresser leurs coûts. Vu sous cet angle, les 2 historiques sont encore loin de leur concurrent californien.

Mais l’arme ultime de SpaceX, c’est de parvenir à réutiliser son lanceur. Cela permettrait de proposer des lancements en orbite géostationnaire pour un coût de $5 à $7M soit 10 fois moins que ses prix actuels pourtant les plus compétitifs (voir cette interview à partir de 13.17).

La nouvelle génération de lanceurs en développement pourrait donc être obsolète avant même sa mise en service.

La révolution technologique des lanceurs réutilisables

Parvenir à mettre au point cette technologie pour un usage commercial ferait faire un bon de géant à l’industrie spatiale. Vieux fantasme des ingénieurs, il a longtemps été jugé irréalisable à grande échelle. Arianespace qualifiait ouvertement SpaceX de vendeurs de rêve en 2013.

Mais le 21 Décembre 2015, SpaceX a réussi à récupérer le premier étage de son lanceur Falcon 9 après qu’il a délivré sa charge utile en orbite. Le premier étage fournit l’essentiel de la puissance de la fusée et est donc la partie la plus onéreuse.

La trajectoire aller et retour du Falcon 9 - SpaceX

La trajectoire aller et retour du Falcon 9 – SpaceX

Aujourd’hui démonstration est faite de la faisabilité d’une telle manœuvre sur Terre. SpaceX entend lancer en Janvier 2016 son Falcon 9 non plus depuis un pas de tir terrestre mais depuis une barge en mer.

Cette dernière opération a déjà connu 2 échecs. Cependant parvenir à poser son lanceur sur une plate-forme flottante est essentiel pour atteindre les objectifs de coûts.

Cela donnerait à SpaceX une liberté totale pour choisir l’emplacement de son pas de tir : optimisant la trajectoire en fonction de l’orbite visée et apportant plus de flexibilité face à des contraintes de sécurités (vis à vis habitants aux environs) ou de météo qui obligent à repousser les lancements.

Si SpaceX a réussi son pari de récupérer son lanceur, il doit désormais démontrer sa capacité à le réutiliser sans compromettre ses exigences de fiabilité.

Bousculés par Elon Musk, ELA et Airbus Safran Launcher ont soudainement commencé à communiquer sur leurs projets de lanceur réutilisable. ELA envisage un premier vol en 2024, Arianespace en 2025.

Quelles conséquences ?

L’investissement nécessaire pour mettre la moindre chose en orbite est tel qu’il faut être capable de générer derrière des revenus, des découvertes ou des services très important pour justifier un tel projet.

En abaissant le prix de l’accès à l’espace d’un facteur 10, une multitude de nouveaux modèles pourraient émerger, même s’il est difficile de dépasser les simples spéculations sur cette question.

Une entreprise comme Bigelow Aerospace développe des modules spatiaux pour des applications commerciales depuis des années sans rencontrer de demande significative. Si les investissements requis diminuaient, on peut envisager des laboratoires voir des usines spatiales capables de développer de nouveaux matériaux ou produits chimiques impossibles à produire dans les conditions de gravité ou d’atmosphère terrestre.

D’autres imaginent une petite révolution dans le monde des télécoms où le satellite supplanterait la fibre optique.

Comment SpaceX parvient à abaisser les coûts ?

De l’aveu même de son constructeur, le Falcon 9 ne représente pas un saut technologique spectaculaire par rapport aux autres lanceurs comme l’est un avion à réaction parmi une flotte d’appareils à hélice.

Ainsi quand le Falcon 9 propose un lanceur pour $60M, les chinois Long March étaient déjà positionnés sur une offre à $70M, même si ils ne participent pas aux appels d’offre.

Construire un lanceur moderne

Le Falcon 9 de retour sur Terre - SpaceX

Le Falcon 9 de retour sur Terre – SpaceX

On a longtemps voulu concevoir des lanceurs capables de tout faire : des missions habitées, des satellites espions, des télescopes, des sondes vers Pluton…

En conséquence on doit faire appel à une conception complexe. Ainsi quand l’Atlas V emploie 3 types de moteurs et de carburant différent, Falcon 9 n’en utilise qu’un seul.

De plus, l’aversion au risque des constructeurs les a conduit à utiliser de plus en plus des composants éprouvés. Aussi on se retrouve aujourd’hui avec des fusées essentiellement conçues autour de technologies des années 60.

Les équipes de Hawthorne sont elles parties d’une feuille blanche pour bâtir le Falcon (avec l’accès aux archives techniques de la NASA). Au final elles ont réalisé des prouesses d’ingénierie.

Ainsi la partie la plus critique du lanceur, le moteur Merlin est tout simplement l’un des plus efficace au monde en terme de poussée délivrée rapportée à son poids.

Autre exemple, elles sont parvenues à diviser d’un facteur 10 le coût de production du matériaux de base pour le bouclier thermique.

Au niveau du processus industriel, les plus récentes technologies sont exploitées en terme d’automatisation ou d’impression 3D.

Elon Musk souligne d’ailleurs que SpaceX n’a jamais déposé de brevets majeur, en partie pour dévoiler le moins d’informations possibles sur ses méthodes.

Une structure plus souple et intégrée

SpaceX a mis en place une organisation industrielle très intégrée verticalement : 80% des composants du Falcon et du Dragon sont conçus et construits en interne afin d’éviter le recours à une sous-traitance jugée trop onéreuse.

Traditionnellement, l’industrie aérospatiale y a énormément recours aux Etats-Unis. On peut même parler de sous-traitance en cascade puisque le sous-traitant sous-traite à son tour une partie de sa commande et ainsi de suite sur 4 ou 5 niveaux.

C’est un facteur évident d’inflation des budgets mais la NASA ou l’armée prend en charge les dépassements de budget en échange d’un droit de regard très approfondi sur le travail des industriels. Aussi, ces derniers ne sont pas incités à réduire ni même à optimiser leurs coûts.

D’autant plus qu’ils peuvent compter sur un financement quasi illimité par le biais du titanesque budget militaire américain. Le marché est par ailleurs verrouillé car le Pentagone passe uniquement par des entreprises américaines en l’occurrence United Launch Alliance comme maître d’oeuvre.

Dernier point, la frontière est poreuse entre l’administration et ULA et il n’est pas rare pour les managers de passer de l’un à l’autre au cours de leur carrière.

Ariane doit, elle, composer avec la contrainte de retour géographique : en contrepartie des investissements dans le programme, l’industrie de chaque pays contributeur reçoit des commandes pour des composants, une tuyère, une valve… Tout cela complexifie l’équation industrielle.

Réaliser des économies d’échelle

SpaceX a enfin toujours indiqué qu’il entendait augmenter très sensiblement sa production pour amortir ses coûts fixes.

Les choix techniques ont été fait en conséquence en développant un moteur unique pour le Falcon 9 et le Falcon 9 Heavy.

Aujourd’hui la capacité industrielle serait de 400 moteurs Merlin par an (voir cette intervention à 28min) soit 40 Falcon 9 par an ou 14 Falcon 9 Heavy.

Surtout, en cassant les prix du lancement dans l’espace, Elon Musk entend provoquer une explosion de la demande. Demande qu’il est bien décidé à capter largement en se positionnant sur tous les marchés existants.

Conclusion

Elon Musk pourrait bien réussir son pari insensé de devenir le leader de l’accès à l’espace 13 ans seulement après avoir fondé SpaceX.

Il est déjà parvenu à ébranler une concurrence qui est aujourd’hui obligé de prendre à nouveau des risques. Mais en ramenant son lanceur Falcon 9 au sol en Décembre 2015, il a franchi une étape supplémentaire en ouvrant la voie à une toute nouvelle ère pour l’exploration de l’espace.

Développer cette technologie pour un usage commercial reste cependant une tâche immense, mais le Sud-Africain a aujourd’hui pris une avance considérable sur ses poursuivants dans cette nouvelle course à l’espace.

Enfin aussi ambitieux soit ce projet, il ne constitue qu’une simple étape dans la vision d’avenir de Musk : coloniser le système solaire.

Elon Musk

Annexes : source utilisées pour établir l’analyse des prix

SpaceX facture un lancement commercial de Falcon 9 environ $60M. Le prix annoncé pour le Falcon 9 Heavy est de $90M pour une charge maximale de 6,4T en GSO.

A cause des contraintes supplémentaires imposées par l’Air Force, un lancement Falcon 9 devrait coûter $90M. Un lancement de Heavy $160M.

La NASA a confié à SpaceX un contrat de $1,6 milliards pour 12 vols à destination de l’ISS, soit $130M par vol, ce qui inclue le coût de la capsule Dragon, les équipes mobilisées pour l’amener et l’arrimer à la station et enfin la récupération de la capsule et son chargement à sa rentrée dans l’atmosphère.

Le projet Ariane 6 vise à proposer parvenir à diviser par deux les coûts d’Ariane 5. Arianespace entend proposer Ariane 6 entre €70 (Ariane 62) et €90M (Ariane 64). On peut donc estimer le coût d’un lancement d’Ariane 5 à €200M. Les coûts sont convertis en dollar en utilisant un taux de change de 1,1.

En Mai 2014, le dirigeant d’United Launch Alliance Michael Glass déclarait avoir un coût par lancement entre $164 et $350M selon la charge embarquée. Il ajoute qu’à partir de 2 vols réalisés le coût par lancement d’un Atlas V basique (donc en version 401) coûtait moins de $100M.

Les informations concernant les charges utiles des fusées proviennent de sites des constructeurs : SpaceX, ESA, ULA. La future charge utile du Vulcan est estimée à partir du graphique disponible dans cet article. Le Vulcan devrait être proposé pour la moitié du prix d’une fusée Atlas V de base, soit environ $80M.

Dans ses interviews de 2014 disponibles sur Youtube, Elon Musk estimait à 5 à 6 ans le temps nécessaire pour mettre au point un lanceur réutilisable.

Souvent on dispose d’une estimation de coût pour une famille de lanceur sans savoir à quelle configuration on fait référence. Dans le cas d’Ariane 6 et du Vulcan, j’ai pris l’hypothèse pas forcément réaliste que les estimations concernaient la version la plus lourde des lanceurs.

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1 Commentaire

  1. Amedee Bédard

    Hello, bravo pour votre article très plaisant! Je suis attiré par ce theme. Grâce à votre site que je viens découvrir, je vais en apprendre davantage. Amicalement.

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