Innovation - Le Stratobus de Thales : un dirigeable stratosphérique

En avril 2016, Thales Alenia Space et ses partenaires ont officiellement annoncé le lancement du programme du Stratobus, un dirigeable stratosphérique dont le concept a beaucoup fait parler de lui en raison de ses particularités et de son positionnement, entre le drone et le satellite. Le 27 novembre 2018, Jean Philippe Chessel, directeur de la ligne produit Stratobus chez Thales Alenia Space, est revenu en détails sur ce système lors d'une conférence organisée par l'Académie de l'Air est de l'Espace (AAE). L'occasion de présenter cette plateforme et de faire un point sur le programme, qui intéresse, entre autres, le Ministère des Armées.

1. Qu'est-ce-que le Stratobus ?

Le Stratobus est une plateforme qui se situe entre le drone (MQ-9 Reaper, RQ-4 Global Hawk…) et les satellites situés dans l'orbite terrestre basse. Il fait partie de la famille des HAPS (High Altitude Pseudo Satellite) et ne remplace ni le drone ou le satellite puisqu'au contraire, il les complètent.

Ce système mesure 140m de long et a un diamètre de 32m. Sa masse sèche est de 8 300kg et il emporte 85 000m3 d'hélium dans son enveloppe. Pour rester en stationnaire et face au vent au-dessus de sa zone d'opération, il dispose de quatre hélices et quatre moteurs électriques. Il est aussi équipé de quatre gouvernes arrières mobiles qui assurent ses déplacements. Sa surface comprend entre 970 et 1 100m2 de cellules photovoltaïques qui procurent à la fois l'énergie à la charge utile et à son fonctionnement (notamment de nuit) grâce aux deux gondoles de stockage d'énergie.

Détaché de ses trois câbles d'amarrage il peut décoller depuis un espace vierge de la taille d'un terrain de foot, être piloté lors de ses manoeuvres depuis un poste mobile et être contrôlé le reste du temps depuis un poste de commandement fixe (à proximité comme à plusieurs milliers de kilomètres). Il ne nécessite donc pas d'installations lourdes (piste en dur pour les drones ou lanceur pour les satellites). Sa montée se fait verticalement et atteint son altitude en 4 heures, et sa descente se fait progressivement en 6 heures vers son point de lancement où il doit être récupéré et amarré. Le descente est pilotée mais à l'avenir, il se pourrait qu'elle soit faite par un drone qui le récupère et le ramène au point de lancement.

Il est amené à évoluer de façon autonome et en permanence dans la couche basse de la stratosphère, soit une zone de l'atmosphère comprise entre 12 et 50 kilomètres d'altitude. Sa zone d'évolution est particulièrement sujette aux conditions météorologiques environnantes avec des températures froides, une ozone très présente, des rafales de vent, un éclairement du soleil important et des composants qui chauffent et des rayons ultraviolets agressifs.

Mais si les conditions extérieures sont dures, cette zone a aussi des avantages puisqu'il n'y a pas de trafic aérien, la réglementation aéronautique est inexistante (ce qui permet de l'écrire en prenant en compte les spécificités de l'engin) et son altitude lui permet d'avoir une vision sur 500km.

La zone d'opération idéale pour le Stratobus est comprise entre les deux tropiques, où les vents sont les plus faibles (environ 90km). Cela lui permet d'être le plus efficace possible sans devoir puiser dans ses ressources pour assurer une meilleure stabilité. Au-delà de 90km/h, sa présence et son efficacité seraient compromises. Si l'Europe et le Proche-Orient sont exclus de cette zone, il reste néanmoins une large partie de l'Afrique, du Moyen-Orient et de l'Asie, des régions où les conflits sont permanents et où le Stratobus peut être amené à y être déployé. Ainsi, il peut rester jusqu'à 12 mois en l'air entre les tropiques, mais un peu moins à l'extérieur.

Complémentaire des drones et des satellites, son développement ne représente donc pas un doublon mais vise à combler un trou capacitaire qui existe entre les deux systèmes précédemment cités. Si le satellite est connu pour sa fiabilité et sa précision, celui-ci a une permanence sur zone réduite puisque lorsqu'il a survolé la zone cible, il doit reparcourir son orbite avant de pouvoir à nouveau procéder aux observations. Par ailleurs, tant à se développer depuis ces dernières années et notamment ces derniers mois, des tensions dans l'espace avec des satellites qui sont gênés dans leur travail et dont certaines de leurs données sont « aspirées ». Du côté du drone, si sa permanence est importante comparée aux aéronefs traditionnels, elle reste limitée face au Stratobus et sa vulnérabilité est aussi remise en cause puisqu'il doit faire face aux systèmes de défense sol-air, aux aéronefs adverses et à la possibilité de se faire pirater en vol.

Le Stratobus a pour point fort sa permanence sur zone pendant un an, sa capacité multi-missions, sa capacité d'emport d'une charge utile de 250kg (pour une puissance de 5kW) et de 400kg environ (pour une puissance de 8kW), un OPEX/coût horaire faible selon son constructeur et une facilité de mise en oeuvre.

Il doit quand même faire face à des limites puisqu'il reste un système régional avec aussi sa vulnérabilité (dans un monde où les conflits dans l'espace s'accentuent et s'affirment). Sa durée de vie est estimée à dix ans, tous les ans il doit redescendre afin d'être rechargé en hélium et à mi-vie son enveloppe doit être changée (le coût et le temps que prend cette opération n'est pas connu aujourd'hui).

2. Son développement

Si le lancement du programme a officiellement débuté en avril 2016, le projet du Stratobus remonte quelques années en arrière, dès 2011 !  Lors des premières années, le Stratobus a été imaginé par les ingénieurs de Thales en plus de leurs travaux respectifs. De janvier 2011 à décembre 2012, il a été question d'une étude de préfaisabilité technique. De décembre 2011 à septembre 2013, c'est une étude de préfaisabilité de cas d'usage qui a été menée. Enfin, entre juin 2013 et décembre 2015, il y a eu un complément d'étude de préfaisabilité.

Le projet aurait pu être abandonné, notamment avec le développement du Zéphyr (drone solaire) chez Airbus et qui avait été pensé comme un concurrent. Mais les ingénieurs ont su séduire en interne au sein de leur entreprise sur l'utilité d'un tel programme, mais aussi en externe, et notamment via la presse à l'issue de la présentation officielle de ce nouveau système.

Si le projet est né chez Thales, l'avionneur a lancé des coopérations avec des partenaires en innovation collaborative car il manquait en connaissances dans certains domaines. Thales s'est donc associé à Airstar Aerospace (enveloppe), Cnim (nacelle), Prototech (pile à combustible réversible), Solution F (propulsion électrique), Cnes, Tronico (électronique de puissance) et l'Onera (études aérodynamiques des hélices).

Ces coopérations ont permis de développer des technologies novatrices et inédites. Jean Philippe Chessel explique que « le matériau d'enveloppe est unique au monde et est la clef du Stratobus ». Mais cette technologie clef n'est pas la seule puisqu'il y a également les cellules solaires, le stockage de l'énergie et le câblage.

Question financement, le projet est soutenu, entre autres, par l'Etat français avec le programme « investissements d'avenir » du Secrétariat général pour l'investissement (SGPI), la région Provence avec le fond FEDER, les partenaires, etc…

L'objectif affiché est de démarrer le développement l'année prochaine, en 2019, afin de pouvoir faire voler le premier Stratobus à l'échelle 1/1 en 2022/2023 sur la base aérienne 125 d'Istres, où des travaux doivent être effectués pour ce type d'essais. A terme, il est prévu de lancer une ligne de production en 2023/2024.

3. Quelles missions pour le Stratobus ?

Dès sa conception le Stratobus a été pensé pour être multi-missions. De fait, son champ des possibilités est assez large dans le domaine de la surveillance et de l'observation avec des acteurs qui peuvent être étatiques (ministères de la défense, de l'écologie, services de secours avec les pompiers et les forces de l'ordre…), ou privés (groupes pétroliers, associations, organisations humanitaires ou environnementales…).

Ses missions d'observation et de surveillance se feront avec des capteurs allant du radar (Radar Search Master, qui équipe les Atlantique II rénovés) à la boule optronique, de jour comme de nuit et par beau ou mauvais temps en alternant les systèmes en fonction des conditions météorologiques.

Les missions sont variées avec l'observation et la surveillance des frontières, d'une région ou d'une zone autour d'un point d'intérêt (raffineries, etc…). L'entreprise française Total est d'ailleurs intéressée par ces systèmes et est en discussion avec Thales.

Dans la bande sahélo-saharienne, vaste comme l'Europe et où la force Barkhane opère contre les groupes terroristes, la présence d'un ou plusieurs Stratobus a une certaine légitimité. Positionné à plusieurs endroits stratégiques, par exemple dans le nord de la BSS, à la frontière entre la Libye, le Tchad et le Niger, le Stratobus pourrait devenir une plateforme d'observation et de surveillance indispensable pour voir (et stopper ou limiter) les déplacements des jihadistes.

Lors de la conférence, Jean Philippe Chessel expliquait que le Stratobus pouvait être lancé depuis la base aérienne 125 d'Istres et amené au Sahel par communication satellite. De plus, l'état-major à Balard (Paris) peut voir ce que voit en direct le Stratobus positionné dans sa zone d'opération.

Le Stratobus peut aussi surveiller la progression des feux de forêts et ainsi aider à la gestion des secours (exemple de la Californie avec des fronts qui s'étalent sur plusieurs milliers de kilomètres et pendant des semaines).

Outre la terre ferme, le Stratobus peut également opérer au-dessus d'un environnement maritime pour des missions de surveillance des bateaux pirates ou pollueurs et aider à la gestion du trafic maritime (Singapour est intéressé). Il peut d'ailleurs emporter avec lui un AIS (système d'identification automatique), qui est « un système d’échanges automatisés de messages entre navires par radio VHF qui permet aux navires et aux systèmes de surveillance de trafic (CROSS en France) de connaître l'identité, le statut, la position et la route des navires se situant dans la zone de navigation ».

On peut également retrouver le Stratobus pour des missions de surveillance et d'analyse de l'environnement avec la pollution de l'air, la météorologie, l'utilisation de caméras spectrales, le contrôle de l'érosion, la pollution maritime, etc… En outre, il peut servir comme système d'observation, de relai de communication et d'aide au déploiement des secours lors de catastrophes naturelles. Enfin, Thales est actuellement en discussion avec l'agence spatiale européenne pour compléter son programme d'observation de la Terre, Copernicus.

Le responsable de ce projet assure aussi que l'on peut utiliser le Stratobus au-dessus d'un environnement urbain et que des clients (non précisés) sont déjà intéressés. Il peut être un outil complémentaire aux caméras de surveillance, par exemple pour la poursuite d'un véhicule. S'il ne lit pas la plaque d'immatriculation contrairement aux caméras, il reconnait la couleur d'un véhicule et peut le suivre sur plusieurs kilomètres et sur plusieurs quartiers. Un atout lorsque le réseau de caméras ne couvre pas toute la ville.

Il peut aussi être engagé lors d'événements majeurs (compétitions sportives, meetings politiques, manifestations, …), aider à gérer les mouvements de foule, renforcer les réseaux de communication (téléphonie, 3G/4G/5G, Internet, …). Par ailleurs, dans le domaine de la télécommunication, le Stratobus est un complément de réseau puisqu'il peut se positionner et densifier le réseau, le compléter au bord des couvertures satellites et compléter le réseau terrestre.

4. Qui sont les acteurs et les concurrents dans ce marché des HAPS ?

Au cours des prochaines années, le marché des HAPS ne va cesser de croître. Jean Philippe Chessel explique que ce marché est estimé à 1 milliard de dollars par an à compter de 2020 voire 2025, et avec un taux de croissance de 12% par an (le prix unitaire d'un Stratobus est estimé entre 20 et 25 millions d'euros). La stratosphère est donc un enjeu économique fort au cours des prochaines années, avec des concurrents majeurs qui ont eux aussi leur propre projet.

C'est notamment le cas de Lockheed Martin, qui s'est engagé dans des programmes de ce type il y a maintenant quelques années avec le soutien financier du Département de la Défense des Etats-Unis. Mais avec la baisse des crédits alloués aux forces armées et un accident au cours des expérimentations (un ballon a été perdu), l'avionneur américain a temporairement stoppé ses essais. Ils ont toutefois aujourd'hui repris, avec le HALED par exemple. La Chine aussi a développé et produit son propre dirigeable, le Yuan Meng. L'appareil aurait volé pendant une vingtaine d'heures, mais les informations fiables sont difficiles à obtenir. Il n'en reste pas moins qu'elle est elle aussi engagée dans ce type de projet.

Enfin, du côté des acteurs privés, il y a notamment Google et Facebook. Le premier a développé des ballons défilants Loon pour assurer une couverture réseau dans des endroits reculés de la planète. Mais ce système comporte des défauts. D'abord il est sujet aux vents. Même s'ils sont aujourd'hui très bien connus et que les météorologues peuvent les prédire à l'avance, ils restent tributaires des vents qui peuvent changer de trajectoire.

Ensuite vient la question de la permanence. Le ballon ne fait que passer et ne reste pas sur une zone dans un temps long. Cela veut donc dire qu'il faut refaire partir un ballon et ainsi de suite. Se pose ici la question du coût d'un tel projet. Enfin, les ballons Loon ont une charge utile de 20kg seulement.

Google semble convaincu par son système mais a toutefois pris contact avec l'équipe de Thales pour voir qu'elles sont les opportunités. Cette dernière est entrée en discussion avec le géant américain, mais se limite pour ne pas dévoiler toutes les avancées technologiques acquises.

Dans ce marché, on peut également évoquer les drones solaires comme l'Aquila, le Zéphyr d'Airbus Defence & Space, l'Odysseus d'Aurora Flight Sciences (Boeing) et l'Aero Vironment d'Hélios. Mais ces systèmes ne sont pas encore prêts et ne sont pas comparables aux dirigeables car ils n'ont pas la même permanence dans les airs et ils sont loins d'avoir la même capacité d'emport.