Le projet européen Phoebus, développé conjointement par l'Agence Spatiale Européenne (ESA), ArianeGroup et MT Aerospace, entre dans une nouvelle phase où la technologie des composites passe du laboratoire à de grands démonstrateurs concrets. L'objectif est ambitieux : remplacer les réservoirs métalliques classiques de l'étage supérieur de la fusée Ariane 6 par des réservoirs en plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP), permettant ainsi d'économiser plusieurs tonnes de masse, d'offrir de meilleures performances et de réduire les coûts par lancement. Derrière le terme « étage supérieur noir » se cache un développement de plusieurs années qui relie les matériaux, l'ingénierie cryogénique, les systèmes de sécurité et la logistique industrielle d'Augsbourg et Brême à Trauen et Lampoldshausen.

Pourquoi des composites sur l'étage supérieur ?

Chaque kilogramme de masse économisé sur l'étage supérieur d'une fusée se multiplie dans la charge utile finale. Les solutions en CFRP, avec une architecture de couches, une matrice et un contrôle de production adéquats, permettent un équilibre délicat entre la résistance, la rigidité et la résistance aux températures extrêmes, le tout avec une masse nettement inférieure à celle de l'aluminium ou des alliages métalliques optimisés pour la cryogénie. Dans les systèmes de fusées actuels, nous utilisons déjà des composites pour les coiffes et les grands moteurs à propergol solide (comme le P120C), mais l'utilisation de composites comme structure principale des réservoirs cryogéniques est une tâche beaucoup plus difficile. C'est précisément dans ce domaine que Phoebus élève la barre technologique et le niveau de maturité (TRL) afin que le futur « Black Upper Stage » puisse véritablement être commercialisé comme le successeur de l'étage supérieur actuel d'Ariane 6.

Les extrêmes de l'hydrogène liquide : −253 °C et une molécule qui trouve chaque microfissure

L'hydrogène est la molécule la plus petite et la plus vive de l'univers. Dans la fusée Ariane 6, il est utilisé comme carburant cryogénique et maintenu à l'état liquide à environ −253 °C, soit seulement vingt degrés au-dessus du zéro absolu. À ces températures, la plupart des polymères et des composites deviennent plus fragiles, et les ingénieurs sont confrontés à des phénomènes tels que des microfissures dans la matrice, la séparation des couches (délaminage) ou des changements de perméabilité. De plus, l'hydrogène se diffuse facilement à travers des voies microscopiques, de sorte que même des défauts minimes peuvent devenir des canaux de fuite. Les concepteurs de Phoebus doivent donc concevoir un réservoir qui supporte simultanément des gradients de température extrêmes, des charges de pression cycliques et des contraintes mécaniques dues aux vibrations du lancement.

De la « bouteille » au réservoir de 2 mètres de diamètre : un parcours étape par étape

Les premières expériences dans le cadre de Phoebus ont utilisé de petits démonstrateurs d'environ 60 litres, appelés « bouteilles », pour prouver qu'une structure en CFRP, avec une architecture de laminé et des processus de post-traitement appropriés, pouvait contenir de manière fiable de l'hydrogène liquide sans fuite et sans réactions indésirables. Sur ces démonstrateurs, les modèles de matériaux fondamentaux ont été confirmés, les paramètres pour les basses températures ont été calibrés et des méthodologies de test, qui n'existaient jusqu'alors que pour les réservoirs métalliques, ont été développées.

Après les « bouteilles », une avancée importante suit : la réalisation d'un réservoir de 2 mètres de diamètre, d'un volume de près de 2600 litres. À cette échelle, toute une série de nouveaux défis apparaissent, du contrôle des tolérances lors du placement automatisé des fibres (AFP) et de la précision des joints, à la gestion des contraintes résiduelles après durcissement et à l'intégration des connexions, des vannes et des capteurs qui doivent rester fiables à −253 °C.

Production à Augsbourg, tests en Allemagne : qui fait quoi ?

MT Aerospace à Augsbourg réalise les étapes clés de la fabrication du réservoir sous pression interne (pressure vessel) et de ses éléments composites associés. L'entreprise a développé des capacités pour la fabrication de structures composites et de réservoirs d'un diamètre allant jusqu'à 3,5 mètres, avec des machines automatiques avancées pour le placement de bandes et de mèches et des systèmes de contrôle qualité natifs. ArianeGroup assume la responsabilité des essais des réservoirs, y compris la conception et la construction d'une nouvelle installation d'essai, ainsi que la définition des procédures de test, des protocoles de sécurité et de l'architecture de mesure. Les équipes comprennent également des partenaires spécialisés en ingénierie cryogénique et en analyse, tandis que certaines vérifications des capacités du système sont confiées à des instituts d'État.

Chronologie du développement : automne 2025, revues d'ici la fin de l'année et essais au printemps 2026

En septembre 2025, la première série d'opérations de production sur la chambre interne du réservoir d'hydrogène liquide de 2 m de diamètre a été achevée. D'ici décembre, il est prévu de clôturer la phase de production, ce qui inclut les enveloppes composites finales, les brides de raccordement et la préparation pour l'intégration des instruments. La revue critique de conception (CDR) est prévue d'ici la fin de 2025, afin de confirmer toutes les hypothèses de conception clés et de donner le « feu vert » pour les travaux de génie civil sur le site d'essai et l'installation des équipements. La campagne d'essais avec de l'hydrogène liquide est prévue pour avril 2026 et se déroulera sur le site d'essai d'ArianeGroup à Trauen, en Allemagne.

Trauen comme scène cryogénique : qu'est-ce que cela signifie sur le plan logistique ?

Trauen fait partie d'un réseau allemand d'usines et d'installations spécialisées dans l'hydrogène : outre le rôle principal d'ArianeGroup en Europe, le site sert de plaque tournante pour le développement, la qualification et les essais de sous-systèmes, d'équipements et de démonstrateurs fonctionnant avec des fluides cryogéniques liquides. Pour Phoebus, cela signifie que sur un seul site seront intégrés les systèmes de remplissage, une société de réservoirs de gaz inertes, les systèmes de ventilation et de récupération de gaz, une infrastructure résistante au feu et des zones de périmètre de sécurité. Étant donné que l'hydrogène liquide, malgré ses −253 °C, forme très facilement des mélanges inflammables, chaque opération de remplissage et d'essai se déroule selon des procédures rigoureuses et avec des barrières de sécurité à plusieurs niveaux.

Comment on « écoute » le réservoir : capteurs, mesures et modèles

Pour comprendre le comportement du réservoir composite lors du remplissage, du confinement étanche et de la vidange à −253 °C et sous des pressions accrues, la structure est « parsemée » de capteurs. Sur et dans le laminé se trouvent des jauges de déformation (strain gauges), des réseaux de fibres optiques, des sondes de température, des capteurs de pression et des analyseurs de fuites très sensibles. Un défi particulier est de mesurer les fuites microscopiques dans des conditions cryogéniques : il n'existe presque pas de solutions industrielles prêtes à l'emploi, l'équipe a donc développé ses propres configurations de test avec des fuites calibrées, des fluides inertes (hélium) et des algorithmes qui séparent le bruit instrumental des signaux réels. Les données sont enregistrées à différentes « étapes » de charge afin de cartographier les endroits où les microfissures apparaissent le plus tôt et de comparer les résultats avec des modèles numériques couche par couche.

Jusqu'où irons-nous dans les essais : jusqu'au point avant la rupture

Le plan est de « pousser » le réservoir à travers plusieurs phases, jusqu'au point limite où des fissures contrôlées commencent à apparaître – mais d'arrêter le test avant la rupture complète. Cela fournit des informations cruciales sur les réserves de résistance, la progression des dommages et les marges de sécurité par rapport aux charges réelles lors de la préparation au lancement et dans les premières minutes de vol. Chaque cycle de remplissage et de vidange est suivi par télémétrie, et entre les étapes, une analyse détaillée des données et une inspection de la structure sont effectuées à l'aide de méthodes non destructives (par exemple, ultrasons, thermographie, émission acoustique).

Front parallèle : les réservoirs d'oxygène de grand diamètre

Pendant que le réservoir d'hydrogène progresse sur sa voie de développement, les démonstrateurs pour l'oxygène liquide avancent également dans le cadre du même programme. L'accent est mis sur une approche sans revêtement interne (lineless) et sur la confirmation que le CFRP peut contenir du LOX sans réactions indésirables et sans fuite. Au cours du dernier cycle de production, le premier réservoir à l'échelle réelle d'un diamètre d'environ 3,5 m a été fabriqué et achevé, ce qui est un signal fort que les solutions composites dans le domaine cryogénique mûrissent également pour les plus grands diamètres. Parallèlement, les processus de placement automatisé des couches et les systèmes de contrôle qualité en ligne, qui détectent les anomalies et les défauts dès le placement des couches, sont améliorés.

De Phoebus à ICARUS : que signifie « étage supérieur noir » ?

Phoebus est conçu comme un démonstrateur technologique qui jette les bases de la prochaine génération d'étage supérieur, souvent mentionnée sous le nom de travail ICARUS (Innovative Carbon ARiane Upper Stage). Le succès des démonstrateurs à hydrogène et à oxygène ouvrirait la voie à un étage supérieur intégré avec des réservoirs composites, des systèmes cryogéniques et une structure compatible qui maintient la masse totale minimale et la fonctionnalité (autonomie, rallumage, vidange profonde) maximale. En outre, les implications sur l'architecture des lignes d'alimentation, les systèmes de remplissage sur le pas de tir et les normes de maintenance pendant le cycle de vie opérationnel sont également étudiées.

La sécurité avant tout : gestion des risques avec l'hydrogène liquide

Bien que l'hydrogène soit maintenu à une température extrêmement basse lors des tests, sa capacité à s'enflammer au contact d'un oxydant ou d'une étincelle exige une discipline extrême. Les campagnes de test sont menées avec des zones d'accès restreint strictes, des systèmes de détection d'hydrogène redondants, une inertisation automatique à l'azote ou à l'hélium, des vannes de décharge de pression rapides et des systèmes anti-incendie adaptés aux conditions cryogéniques. Chaque procédure a des scénarios et des points d'arrêt préétablis, et les équipes effectuent plusieurs répétitions à sec avant le premier remplissage de LH₂.

Le tableau industriel plus large : des matériaux aux emplois

Le développement de Phoebus n'est pas seulement une histoire technologique : c'est aussi un programme industriel qui renforce l'autonomie européenne dans le domaine des réservoirs cryogéniques composites. Les investissements dans les équipements, les personnes et les processus à Augsbourg, Brême et sur les sites d'essai allemands renforcent les chaînes d'approvisionnement et créent les conditions pour que l'Europe conçoive, produise, teste et qualifie elle-même les éléments clés des étages supérieurs de fusées. À long terme, les connaissances acquises dans le secteur spatial se répercutent sur l'aviation (initiatives autour des avions à LH₂), l'énergie (réservoirs et pipelines pour l'hydrogène) et la mobilité (réservoirs terrestres, logistique).

La technologie de près : qu'est-ce qui fait un bon réservoir CFRP pour LH₂ ?

• Architecture du laminé : empilement précis des orientations des fibres pour gérer l'anisotropie et empêcher l'« oscillation » des contraintes autour des ouvertures et des connexions.


• Matrice et compatibilité : un système de résine qui conserve sa ténacité et son adhérence aux fibres à −253 °C, avec un réseau de microfissures minimal après durcissement.


• Méthodes de production : placement automatisé de fibres (AFP/ATL) avec surveillance de la qualité en ligne, cycles de durcissement contrôlés et traitements thermiques post-processus.


• Connexions et transitions : des hybrides métal-composite qui atténuent les concentrations de contraintes et assurent l'étanchéité sous charge cyclique.


• Couches barrières et perméabilité : des optimisations qui réduisent la diffusion de l'hydrogène à travers la matrice sans augmentation significative de la masse.


• Inspections CND : ultrasons, thermographie et fibres optiques intégrées dans la structure pour surveiller les dommages en temps réel.

À quoi s'attendre de la campagne d'essais en avril 2026 ?

La série d'essais prévue comprend des remplissages et des décharges à des niveaux de pression définis, des cycles thermiques, des essais sous charge vibratoire, et enfin un test d'approche des états limites. Une attention particulière est accordée au suivi des « premières fissures » – ce sont des phénomènes microscopiques qui indiquent les endroits où les contraintes s'accumulent localement. De telles observations alimentent directement les itérations de conception et les instructions de production, raccourcissant le chemin vers un réservoir qui résiste aux conditions de vol réelles avec de plus grandes marges.

Impact sur les opérations d'Ariane 6 et le positionnement sur le marché

Une transition réussie vers un étage supérieur plus léger apporte un double avantage : une charge utile plus importante vers l'orbite cible et un coût par kilogramme potentiellement plus faible. Cela donne à Ariane 6 une flexibilité supplémentaire pour les constellations, les missions interplanétaires avec des profils d'injection plus complexes, et les missions qui nécessitent un rallumage et une gestion précise de l'énergie orbitale. Un « étage supérieur noir » serait également un message fort au marché que l'Europe possède ses propres technologies composites innovantes à un niveau qui résout également les défis cryogéniques de l'hydrogène et de l'oxygène liquides.

Plans jusqu'à la fin de 2025 : décisions critiques et travaux de construction

D'ici le 31 décembre 2025, une revue critique de la conception de l'infrastructure d'essai et du réservoir est prévue, après quoi commenceront les travaux de construction et l'installation d'équipements spécialisés sur le site. La documentation doit confirmer que tous les critères de sécurité sont remplis, que le scénario de test est réalisable et que les marges sont conformes aux objectifs du programme. Cela ouvre la voie au calendrier de printemps pour les essais à l'hydrogène liquide en avril 2026.

Comment cette histoire s'inscrit dans le FLPP : le programme qui réduit les risques futurs

Phoebus fait partie du programme FLPP (Future Launchers Preparatory Programme) de l'ESA, dont le rôle est de réduire les risques techniques et de développement avant d'entrer dans les phases coûteuses de production en série et d'opérations. Grâce au FLPP, des démonstrateurs sont financés et coordonnés, des vérifications sont effectuées, des normes sont établies et des connaissances sont transférées entre les partenaires industriels. Un cadre a été mis en place dans lequel de nouvelles technologies – telles que les réservoirs cryogéniques en CFRP – peuvent être prouvées sur le terrain puis intégrées dans des systèmes réels avec des effets clairs sur le marché.

Ce que nous avons appris des petits démonstrateurs et pourquoi c'est important

La « bouteille » de 60 litres n'est pas seulement une étape symbolique, mais une étape cruciale pour la validation des hypothèses physiques de base : comment les microfissures se développent à des températures cryogéniques, comment les changements dans les paramètres du processus de production affectent la perméabilité, dans quelle mesure les couches barrières aident et à quels endroits le laminé doit être renforcé autour des connexions. Ces leçons constituent le cœur des connaissances qui sont ensuite transposées à des réservoirs de 2 m de diamètre et plus, avec un alignement constant des modèles informatiques sur les résultats des essais.

L'équipement qui fait la différence : de l'AFP à la vérification numérique de la qualité

Pour la fabrication de grands réservoirs composites, l'automatisation est essentielle. Les machines de placement automatisé de fibres (AFP/ATL) travaillent avec une grande précision, mais pour les réservoirs cryogéniques, un « œil en temps réel » supplémentaire est nécessaire. Des systèmes d'inspection visuelle et thermique intégrés pendant la production permettent de reconnaître les défauts sur la couche où ils sont apparus, avant qu'ils ne soient cachés par des couches plus profondes. Parallèlement, un enregistrement numérique du processus – un fil numérique – est effectué, ce qui facilite ensuite la corrélation entre les défauts, les processus et le comportement du réservoir lors des essais.

Intégration avec les systèmes de fusée : ce n'est pas seulement un réservoir, mais tout un écosystème

Un réservoir composite modifie également d'autres parties de l'étage supérieur : des conduites et vannes cryogéniques, à l'isolation et aux solutions anti-geyser, jusqu'à la manière de gérer l'évaporation (boil-off) et la relaxation de la pression sur la rampe de lancement. Des décisions subtiles entrent en jeu sur l'emplacement des capteurs, la manière de faire passer les câbles et les fibres optiques pour qu'ils résistent aux vibrations et aux contraintes thermiques, et la manière de résoudre les connexions de service compatibles avec l'équipement de remplissage au sol existant. Tout cela doit tenir dans une masse et une volumétrie qui ont du sens pour les performances de la mission.

La perspective écologique : hydrogène, émissions et mobilité future

Bien que les émissions des fusées soient spécifiques et représentent une faible part des statistiques mondiales, les technologies développées pour la manipulation sûre de l'hydrogène liquide et des réservoirs cryogéniques légers auront un impact plus large. Les connaissances sur les barrières de perméabilité, les zones de sécurité, l'inertisation et la détection des fuites se répercuteront sur l'aviation, qui étudie l'hydrogène comme carburant, mais aussi sur la mobilité terrestre et l'infrastructure énergétique, où il est crucial de réduire les pertes et les risques tout au long de la chaîne.

Que se passera-t-il après avril 2026 : la voie vers la qualification

Si les résultats montrent que le réservoir d'hydrogène composite répond aux critères d'étanchéité, de résistance et de durabilité avec des marges acceptables, les prochaines étapes mèneront à des campagnes d'essais étendues, y compris des tests de maintien de longue durée de l'hydrogène liquide, des cycles thermomécaniques à nombre élevé de répétitions, et des vérifications d'intégration au niveau du système de l'étage supérieur. Parallèlement, la production sera optimisée, des pistes d'économies de masse supplémentaires seront recherchées et les normes qui accompagneront le passage d'un démonstrateur à une configuration qualifiée pour le vol seront finalisées.

Les points clés en un seul endroit

• Développement de réservoirs composites d'hydrogène et d'oxygène liquides pour l'étage supérieur d'Ariane 6 dans le but d'une économie de masse significative.


• La production du réservoir sous pression interne de 2 m de diamètre a achevé ses premières phases en septembre 2025 ; l'achèvement de la production est prévu pour décembre.


• Une revue critique de conception d'ici la fin de 2025 permettra le début des travaux de construction sur le site d'essai.


• La campagne d'essais avec de l'hydrogène liquide est prévue pour avril 2026 à Trauen (Allemagne) ; le scénario inclut une approche progressive du point avant la rupture.


• Parallèlement, un réservoir LOX sans revêtement à l'échelle réelle (environ 3,5 m de diamètre) progresse également, ce qui confirme la maturité des solutions CFRP pour les conditions cryogéniques.


• Le projet fait partie du FLPP de l'ESA et renforce l'autonomie européenne dans les technologies critiques des futurs systèmes de lancement.

Glossaire des termes pour une consultation rapide

• CFRP (Carbon-Fibre Reinforced Plastic) – plastique renforcé de fibres de carbone ; rapport élevé résistance/masse.


• Réservoir cryogénique – réservoir pour liquides ultra-froids (LH₂, LOX) à des températures inférieures à −150 °C.


• Lineless – construction de réservoir sans revêtement interne métallique/plastique ; le composite contient directement le liquide cryogénique.


• CDR (Critical Design Review) – revue formelle qui confirme que la conception est prête pour la phase suivante.


• AFP/ATL – méthodes automatisées de placement de fibres ou de bandes de composite avec un haut degré de répétabilité.