Les véhicules HAPS (High Altitude Pseudo Satellite) sont des plateformes se déplaçant dans la stratosphère, au-dessus de l’espace aérien commercial, à environ 20 km d’altitude, hors du trafic aérien. Lancés dans les années 90, ils sont capables de stationner plusieurs mois au-dessus d’une zone spécifique pour assurer diverses missions, telles que l’observation, la télécommunication ou la mesure de paramètres physico-chimiques. Situés à une altitude intermédiaire entre les satellites en orbite et les systèmes de basse altitude (stations météorologiques, caméras sur pylône, véhicules terrestres, etc.), les HAPS offrent plusieurs avantages :
Bien qu’émergents, les HAPS constituent une alternative complémentaire sérieuse aux systèmes spatiaux et terrestres, fournissant des informations précises, continues, à faible coût et potentiellement à usage multiple. Dans cet article, Alcimed distingue trois grandes catégories de HAPS et leurs usages : les ballons stratosphériques, manœuvrants ou non, les drones de haute altitude à voilure fixe, et les dirigeables de haute altitude.
Les ballons stratosphériques sont généralement fabriqués à partir de matériaux légers et résistants, comme le polyéthylène, pour supporter les conditions extrêmes de la stratosphère (basses températures, faible pression, rayons UV). Ils sont remplis d’un gaz léger, tel que l’hélium ou l’hydrogène, qui leur permet de s’élever jusqu’à l’altitude souhaitée. Ces ballons peuvent, depuis peu, être manœuvrant grâce à un système composé de deux ballons (l’un dans l’autre ou l’un au-dessus de l’autre) ou bien d’un seul avec du lest. Il est ainsi possible de piloter sa trajectoire dans la stratosphère en se servant des vents : le Ballon Stratosphérique Manœuvrant (BSM) fait varier son altitude par des jeux de pression et dépression de ces deux ballons ou bien en se délestant, dans le but d’exploiter les différents courants de vent disponibles.
La précision du BSM dépend ainsi directement de la diversité des courants de vent présents dans la stratosphère, et ne peut donc pas être déployé à n’importe quelle endroit de la planète ou n’importe quelle période de l’année. Nécessitant une technologie particulière, il ne peut pas transporter de charges utiles très lourdes (environ 50 kg), comparé au ballon stratosphérique libre qui peut quant à lui porter plusieurs centaines de kg, jusqu’à une ou deux tonnes. Cependant, les ballons stratosphériques, qu’ils soient libres ou manœuvrants, ont l’avantage d’être très peu chers, entre 100 000 et 250 000 $ pour toute leur durée de vie. De plus, ces véhicules sont assez facilement et rapidement déployables contrairement aux autres HAPS.
Certains fabricants, tel que Aerostar par exemple, ont déjà fait voler des BSM, bien que la majorité soit encore en train de chercher des financements pour continuer de développer leur projet. Les ballons libres, quant à eux, sont les HAPS les plus matures et ont commencé à être utilisés par le CNES dès les années 60.
Ces drones à voilure fixe fonctionnent à l’énergie solaire : grâce à leur altitude d’opération au-dessus des nuages, les panneaux solaires installés sur leurs ailes très larges rechargent des batteries tout au long de la journée. L’énergie stockée permet de faire fonctionner des hélices à moteur électrique, assurant ainsi leur propulsion jour et nuit. Contrairement à d’autres HAPS, ces drones génèrent leur portance via l’aérodynamisme de leurs ailes, et non grâce à la flottabilité, ce qui contribue à leur excellente manœuvrabilité.
Ces drones, capables de voler plusieurs mois, offrent une grande flexibilité d’utilisation, permettant une couverture continue ou une réaffectation rapide des missions. Cependant, ils sont très coûteux en raison de leur conception complexe, nécessitant des matériaux spécialisés pour leurs ailes légères mais robustes, leurs batteries volumineuses, et leurs panneaux solaires. Leur capacité de charge utile, la plus faible parmi les HAPS, se limite à 1-10 kg en raison de leur structure fragile. Cette fragilité impose également des contraintes de déploiement, rendant leur lancement dépendant de conditions météorologiques favorables (notamment l’absence de vents forts entre le sol et la stratosphère, qui pourraient perturber leur ascension).
Bien que plusieurs prototypes prometteurs existent et que certains aient déjà réalisé des vols de longue durée comme le Zephyr de AALTO par exemple, les drones stratosphériques sont encore en pleine phase de développement et d’expérimentation avancée. Leur maturité technologique et industrielle reste encore limitée en 2025.
Les dirigeables de haute altitude, semblables à de gigantesques ballons à la forme aérodynamique, sont équipés de systèmes de propulsion latérale à hélices, leur permettant de se déplacer ou de résister aux courants de vent.
Contrairement aux ballons stratosphériques (BSM), les dirigeables n’ont pas besoin de varier rapidement leur altitude en permanence, ce qui leur permet d’être construits en plus grande taille et d’atteindre des capacités de charge utile significatives, allant de plusieurs centaines de kilogrammes à plusieurs tonnes. Comme les ballons, ils volent grâce à la flottabilité, utilisant des gaz légers tels que l’hélium ou l’hydrogène, plutôt que la portance aérodynamique. Leur propulsion à hélice leur confère une manœuvrabilité efficace. Cependant, leur coût est élevé (plusieurs dizaines de millions de dollars) et leur déploiement est très complexe. Cela s’explique par leur taille imposante et les grandes infrastructures nécessaires à leur conception et lancement, comme des hangars géants.
Les dirigeables stratosphériques sont encore en plein développement technologique, et leur maturité opérationnelle reste encore assez limitée. Les premiers démonstrateurs de grande taille, tel que Sceye, n’ont pas encore réalisé de vols longue durée. Le projet européen le plus avancé, le Stratobus, ne devrait pas voler avant 2030.
Aujourd’hui le marché des HAPS est simplement émergeant : la grande majorité des acteurs et fabricants en sont encore au stade de développement et en phase d’expérimentation. Seuls quelques acteurs tels que Aerostar ou bien le Zephyr de AALTO ont commencé a réalisé des premières missions tests, mais on ne peut pas encore parler de rentabilité ou de viabilité économique. Cependant, les différents fabricants de HAPS développent leurs projets pour répondre à différents cas d’usage, parmi lesquels 3 peuvent être mis en avant, pour différentes raisons :
«Deux tiers de la population mondiale n’a toujours pas accès à une connexion rapide et bon marché, il reste beaucoup de chemin à parcourir dans ce domaine» d’après Mike Cassidy (chef de projet de GoogleX Project Loon pendant 5 ans). Opérant à environ 20 km d’altitude, les HAPS combinent les avantages des satellites et la flexibilité des avions pour fournir une connectivité à large bande dans des zones mal desservies. Ces véhicules navigant dans la stratosphère promettent ainsi d’être une solution très intéressante pour pouvoir connecter à Internet les zones reculées de la planète, à un coût bien moindre que les solutions spatiales et une autonomie bien plus importante que les solutions basse-altitude. De plus, ces systèmes possèdent un énorme avantage en cas de catastrophe naturelle : les communications pourraient être rapidement rétablies dans les zones sinistrées, coordonnant ainsi plus facilement la mise en place d’un dispositif de sauvetage.
C’est ainsi que Google s’est lancé pour objectif, en 2013, de fournir un accès à Internet à n’importe quelle région du monde, à travers le projet Loon. Pour éviter de mettre en place des antennes sur des zones géographiques compliquées d’accès, Google a mis au point un système de ballons stratosphériques manœuvrants gonflés à l’hélium qui dérivent au gré des vents au niveau de la stratosphère pour fournir un accès à Internet aux personnes vivant dans les zones survolées.
Malheureusement en 2021 le projet a pris fin car « Le chemin vers la viabilité commerciale s’est avéré beaucoup plus long et plus risqué qu’on ne l’espérait », a admis Astro Teller (patron des projets Google X). Ainsi, sans se focaliser uniquement sur les pays émergents, comme le faisait Loon, mais en gardant l’objectif de base qui est d’apporter Internet aux zones reculées, une multitude d’acteurs s’est lancée à ce jour dans des projets similaires. Tous types de HAPS y sont représentés : SoftBank avec le Sunglider (drone à voilure fixe), Sceye (dirigeable) ou encore Aerostar et ses Thunderheads (BSM) par exemple. Les principales difficultés pour ce type de projet sont : le poids de la charge utile et la précision de la manœuvrabilité. En effet, les antennes à transporter pèsent jusqu’à plusieurs dizaines de kg et la position de ces antennes en l’air doit être la plus précise possible. C’est pourquoi les drones stratosphériques (qui ne peuvent pas encore porter de charges utiles lourdes) et les BSM (qui ne peuvent pas être très précis dans leur manœuvrabilité) ne semblent pas être les solutions privilégiées pour ce cas d’usage, contrairement aux dirigeables (qui sont cependant les HAPS les moins matures du marché).
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Stratospheric Platform Limited (SPL) est une société créée en 2014 dont l’actionnaire principal est Deutsch Telekom qui souhaitait trouver une solution pour remplacer les antennes 5G au sol, très chères. Les HAPS peuvent jouer un rôle intéressant dans le déploiement de cette 5G, en particulier dans les zones mal desservies. Ils sont plus ou moins flexibles et peuvent être déployés rapidement et ajustés selon les besoins, tout en étant moins chers que des antennes au sol. L’idée d’utiliser un véhicule HAPS ayant été décidée, il a fallu ensuite s’interroger sur le type de plateforme qui permettrait d’être très manœuvrable ainsi que de produire suffisamment d’énergie pour transporter des charges utiles de l’ordre de 100/150 kg. Leur solution est donc un drone stratosphérique à hydrogène : un petit avion, sans pilote, qui fonctionne à l’hydrogène et qui peut voler en continu entre 14 et 20 jours. Ce projet venant d’un besoin utilisateur, contrairement à d’autres acteurs de HAPS, à de bonne chance de se concrétiser et de voir le jour dans les prochaines années. Aujourd’hui, SPL a démontré que sa charge utile fonctionnait. En effet, une plateforme aéroportée 5G/LTE a été développée est embarquée à bord d’un avion classique et a montré qu’elle était insensible au terrain, aux dommages aux infrastructures et aux interférences atmosphériques. Peu d’information sur le drone à hydrogène sont disponibles mais il ne fait aucun doute qu’il faudra encore attendre quelques années avant d’avoir une solution parfaitement autonome pouvant voler pendant plusieurs jours ou semaines.
Les HAPS, opérant à environ 20 km d’altitude offrent un potentiel prometteur pour la surveillance et la gestion des catastrophes naturelles tels que les feux de forêt par exemple. En effet, ils peuvent fournir une observation continue des zones à risque pendant plusieurs semaines voire plusieurs mois, grâce à leur grande autonomie, et à haute résolution spatiale de par leur proximité terrestre en comparaison avec les solutions satellitaires. En restant en dessus de la zone, les HAPS peuvent suivre l’évolution en temps réel du sinistre et détecter en premier les évènements sur place (départ de nouveaux foyers dans le cas de feux de forêt par exemple). Enfin, il serait possible d’embarquer plusieurs capteurs différents (optiques, infrarouges, LIDAR, etc) en fonction du type de HAPS, afin d’avoir des informations les plus précises possibles.
Le 4 août 2024, La NASA, le Service forestier des États-Unis et la société Aerostar ont collaboré pour tester la technologie STRATO afin d’améliorer la sécurité et l’efficacité des pompiers luttant contre les feux de forêt. Un ballon stratosphérique Aerostar Thunderhead a été lancé au-dessus des incendies du West Mountain Complex, dans l’Idaho, pour servir de relais de communication cellulaire depuis la stratosphère. Le ballon a assuré une couverture LTE continue pendant 11 jours, permettant des communications fiables là où les réseaux traditionnels étaient absents. Il a transmis des images en temps réel, dont les premières du feu de Snag, utiles pour les équipes d’intervention. L’expérience a ainsi démontré la faisabilité technique et opérationnelle d’utiliser des plateformes stratosphériques pour soutenir les premiers intervenants.
Les prochaines étapes après l’expérimentation réussie de la technologie STRATO à bord d’un BSM consistent à passer de la phase de test à une intégration opérationnelle plus large. Si cela est adoptée à grande échelle, la gestion des feux de forêt, la coordination et l’efficacité des interventions pourrait être grandement amélioré. De plus, cela ouvre la voie à de nouvelles applications scientifiques pour la collecte de données environnementales et la gestion des urgences.
Dans le futur, Aerostar prévoit aussi d’optimiser l’emplacement des ballons en utilisant des constellation de plusieurs ballons qui permettraient de maximiser la couverture et d’anticiper les changements de flux d’air dans la stratosphère, en apprenant chacun des autres.
Le marché des HAPS est un marché émergeant composé de 3 grandes catégories de véhicules : les drones à voilure fixe, les dirigeables et les BSM. Ces véhicules stratosphériques possèdent des avantages par rapports aux solutions spatiales et de basse altitude tels que la capacité à fournir des données en continu d’une même zone, pendant plusieurs mois, avec une très bonne résolution spatiale, et à moindre coût.
Cependant, aujourd’hui aucune typologie de HAPS ne possède tous les avantages recherchés et il reste encore plusieurs verrous à lever : si le drone stratosphérique est très maniable, il ne peut pas encore porter de charge utile assez lourde contrairement au dirigeable qui lui n’est pas encore assez mature et demande beaucoup de moyen pour être déployés, tandis que le BSM n’est pas encore assez fiable dans la manœuvrabilité.
Bien que ce marché soit très récent, il est tout de même prometteur et certains cas d’usages commencent donc à émerger, comme la télécommunication ou le support en situations d’urgences. Plusieurs acteurs ont déjà commencé à développer des solutions (SPL, Aerostar, etc), et même si les projets les plus avancés n’en sont qu’aux phases de tests, les résultats sont très satisfaisants, et laisse croire à une commercialisation dans un futur proche.
Beaucoup d’autres fabricants commencent à se lancer sur ce marché, avec des motivations, des moyens et des budgets parfois très différents, et Alcimed continue d’explorer l’ensemble de cet écosystème. N’hésitez pas à contacter notre équipe !
À propos de l’auteur,
Quentin, Consultant au sein de l’équipe Défense Aéronautique et Spatiale d’Alcimed en France.
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