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Les vaisseaux spatiaux Falcon, SLS, Dragon et Orion

Vue d'artiste du Space Launch System (SLS Block IA version habitée). Document Boeing.

COTS où la nouvelle course à l'espace (I)

Suite à l'annulation du programme Constellation et de la plupart de ses projets, la NASA n'a pas eu d'autre alternative que d'imaginer un nouveau lanceur de la classe Saturn V. Ce nouveau programme baptisé COTS (acronyme de Commercial Orbital Transportation Services) est développé par la NASA en collaboration avec le secteur privé dont l'entreprise qui a de suite proposé son lanceur Falcon 9 complété par le module cargo Dragon.

Parmi les projets en cours de développement ou opérationnels depuis peu, les plus aboutis sont ceux développés par la société privée SpaceX du milliardaire Elon Musk (le cofondateur de PayPal et le fabricant de la Tesla) qui propose plusieurs lanceurs Falcon ainsi que le modèle cargo Dragon, Lockheed Martin avec le module Orion et Boeing qui est chargé de construire les deux étages du Space Launch System ou SLS.

Notons que dans sa variation "light", ce programme spatial est en concurrence directe avec le programme Ariane de l'ESA et notamment avec son futur lanceur Ariane 6 dont le premier vol est prévu vers 2020.

Les fusées Falcon 9, Heavy et XX

En remportant le contrat de la NASA en 2005, la société SpaceX s'est engagée à lui fournir un lanceur cargo et 12 capsules spatiales dans un délai de 10 à 12 ans, soit au plus tard en 2017. Entre-temps, SpaceX s'engagea à placer sur orbite de petites charges utiles à partir de 2010. A terme, pour garantir la pérennité de son entreprise et rendre le tourisme spatial plus abordable, Elon Musk espère réduire le prix de la charge utile à 1000$/kg, soit 10 à 15 fois inférieur à son prix actuel. Dans un premier temps, pour réduire les coûts, son astuce a été de construire des capsules réutilisables.

Pllusieurs versions du lanceur Falcon ont été construits depuis 2005 dont le poids et la puissance ont progressivement augmenté. Falcon 9 n'est qu'une version intermédiaire de la fusée Falcon XX qui devrait être aussi haute et plus massive que la fameuse Saturn 5 (même profil que le concept Arès V).

Le dernier modèle des lanceurs légers est la fusée Falcon 9 V1.1. de la taille d'une fusée Titan III (moitié moins haute que la fusée Saturn V). Falcon 9 V1.1 mesure 68.4 m de hauteur, 3.7 m de diamètre pour un poids à vide de 480 tonnes. Il s'agit d'une fusée à 2 étages capable d'emporter une charge utile de 13.15 tonnes en orbite basse (LEO) ou 4.85 tonnes en orbite de transfert géostationnaire (GTO). Son coût est d'environ 57 millions de dollars.

La fusée Falcon 9 est propulsée par des ergols LOX (oxygène liquide) et RP-1 (une version de kérosène spécialement raffinée adaptée aux lanceurs spatiaux).

Le 1er étage de la fusée est équipée de 9 petits moteurs Merlin 1D disposés en cercle offrant une poussée totale de 5880 kN soit 560 tonnes durant 180 secondes au niveau de la mer. Le 2e étage dispose d'un seul moteur Merlin 1D Vacuum d'une poussée de 801 kN soit 82 tonnes durant 375 secondes. La fusée présente une masse maximale de 505.8 tonnes au décollage.

A gauche, les différents lanceurs Falcon de SpaceX. Au centre, une illustration du Falcon 9 Heavy. Le futur Falcon XX Heavy sera pratiquement deux fois plus grand. A droite, un gros-plan sur les 9 moteurs Merlin 1D du Falcon 9 au cours du lancement du satellite Iridium-1 le 14 janvier 2017. Documents SpaceX et SpaceX/Flickr.

Une version lourde, le Falcon Heavy, comporte deux boosters supplémentaires disposés de part et d'autre du corps de la fusée Falcon 9 représentant l'équivalent de la poussée de 27 moteurs Merlin. Sa poussée initiale atteint 22819 kN soit 2327 tonnes au niveau de la mer, soit la moitié de celle de la fusée Saturn V. Le lanceur comprend deux étages. Il mesure 70 m de haut, 11.6 m de largeur pour une masse au décollage de 1421 tonnes. Sa capacité de chargement ou charge utile atteint 63.8 tonnes en orbite LEO et 26.7 tonnes en orbite GTO. Son coût est d'environ 128 millions de dollars mais avec l'avantage que les boosters sont réutilisables, ce qui permet d'économiser 24.8 millions de dollar par lancement. Rappelons que le prix d'un vol d'un Falcon Heavy revient à 90 millions de dollars (contre 62 millions de dollars pour le Falcon 9).

SpaceX en collaboration avec la NASA procéda à un test statique du Falcon Heavy le 24 janvier 2018. Comme on le voit ci-dessous, le vol inaugural (STP-1) eut lieu avec succès le 6 février 2018. La fusée décolla à 15h46 locale (20h46 TU) du pad de tir 39A de Cap Canaveral (le même qui fut utilisé pour les missions Apollo et la navette spatiale). Pour l'occasion, l'astronaute Buzz Aldrin âgé de 88 ans qui fut pilote du module lunaire sur Apollo XI assista au décollage.

A voir : Falcon Heavy Test Flight (6 fév 2018), SpaceX

Live Views from Starman, SpaceX

Localiser le roadster Tesla dans le ciel (voir aussi cette vidéo)

Le vol inaugural du lanceur Falcon Heavy de SpaceX le 6 février 2018. Documents Brady Kenninston/Spaceflight.com.

Selon Elon Musk, comme prévu, les deux boosters ou propulseurs d'appoint se sont séparés du corps de la fusée 2m32s après le décollage à 60.9 km d'altitude alors que la fusée se déplaçait à 6877 km/h. Ils sont revenus se poser simultanément sur leur plate-forme respective à Cap Canaveral 8m20s après le lancement. Le premier étage retomba dans l'Atlantique à 480 km/h à une centaine de mètres de la barge où il devait se poser. Après la séparation du premier étage, le second étage poursuivit sa course jusqu'à 180 km d'altitude à la vitesse de 26000 km/h où, libéré de sa coiffe de protection, il largua sa charge utile, une voiture Tesla décapotable au volant de laquelle se trouvait "Starman", un mannequin habillé en astronaute. L'objet (référence ou Target Body du JPL 143205 ou 2002 XQ92) fut mis en orbite héliocentrique entre 150 et 220 millions de kilomètre du Soleil, soit entre l'orbite de la Terre et celui de Mars. Dorénavant la Tesla se comporte comme un astéroïde NEA (Near-Earth Asteroid). On y reviendra à propos du risque d'impact des astéroïdes.

Précisons la Tesla emportait une "arche" à savoir une bibliothèque numérisée sur cinq petits disques optiques contenant 360 TB de données sur les connaissances du monde dont la trilogie "Fondation" d'Isaac Asimov. Ces disques en cristal sont censés survivre aux conditions de l'espace durant quelques millions ou milliards d'années.

Un second vol de démonstration du Falcon Heavy (STP-2) avec une charge utile militaire est planifié pour mi-2018.

Il est certain que ce vol couronné de succès et très médiatisé a placé la société d'Elon Musk loin devant ses concurrents. Même l'ESA ne fait plus le poids avec sa fusée Ariane 5 (ou la future Ariane 6) qui est trois plus légère que le Falcon Heavy. Cette fois, l'Europe a pris un sérieux retard sur les Etats-Unis. Si l'espace ne semble plus être l'une des priorités européennes, en revanche l'ESA reste un acteur de premier choix pour les clients souhaitant placer un satellite en orbite bas et pour les scientifiques envisageant des missions robotisées vers des planètes, des comètes ou encore des astéroïdes.

Enfin, au sommet du lanceur Falcon 9 ou Heavy se trouve le vaisseau autonome Dragon.

Le vaisseau Dragon

Le vaisseau Dragon est une capsule habitable autonome réutilisable. Le montant investi par la NASA pour la construction des 12 capsules habitée s'élève au maximum à 3.1 milliards de dollars.

La capsule constituant le cône supérieur de la fusée mesure 3.6 m de hauteur et 2.9 de diamètre. La version habitable peut emporter 7 astronautes.

La version cargo pilotée automatiquement est équipée d'une soute non pressurisé pour le fret. Deux versions ont été proposées, une module cylindrique mesurant 2.3 m de longueur et un module mesurant 3.3 m de longueur pour 3.6 m de diamètre, ce qui permet pratiquement de tripler son volume intérieur.

A gauche et à droite, deux infographies décrivant la fusée Falcon 9 et la capsule Dragon CRS-4 de SpaceX qui sont opérationnelles depuis 2014. Au centre, la capsule Dragon CRS-4 (gauche) et Dragon version 2 (droite) présentée en 2014 par Elon Musk au quartier général de SpaceX à Hawthorne, en Californie. La capsule Dragon v2 eut embarquer 7 personnes et assurer plusieurs fonctions : vaisseau ravitailleur commercial en orbite basse, navette pour les astronautes travaillant à bord de la station ISS et éventuellement de capsule autonome pour un voyage touristique autour de la Lune. Documents SpaceX et Rianovoski.

Des panneaux solaires sont placés sur ses flancs générant de 1.5 à 2 kW de puissance (4 kW en crête) qui sont stockées dans 4 batteries délivrant 28 V.

Ce vaisseau spatial est équipé de 12 à 18 petits moteurs Draco d'une poussée totale de 400 N soit 41 tonnes propulsés par des hypergols (méthylhydrazine et peroxyde d'azote qui s'enflamment spontanément quand ils sont mis en contact l'un avec l'autre).

La capsule étant récupérable, contenant optionnellement du fret ou étant habitée, elle est pressurisée et dispose d'un bouclier thermique supportant une température proche de 1700°C réalisé en PICA (Phenolic Impregnate Carbon Ablator).

Enfin, les communications avec le sol sont assurées en bande S (2-4 GHz) ou via les satellites géostationnaires relais TDRSS de la NASA.

Le premier lancement de la fusée Falcon 9 eut lieu le 4 juin 2010 et la capsule Dragon CRS-4 réussit sa première mission vers la station ISS le 24 septembre 2014. Pour cette mission de ravitaillement, mise à part 20 souris destinées à la recherche sur la physiologie dans l'espace, la capsule n'était pas habitée. Ce n'est qu'à partir de 2019 que la NASA envisage des vols habités.

Les principales étapes du vol de la capsule autonome Dragon de SpaceX : le vol orbital jusqu'à la station ISS, l'arrimage à la station ISS et son retour sur Terre, dans le Pacifique. Comme la fusée Falcon 9, la capsule Dragon pourrait également atterrir sur la terre ferme grâce à ses rétrofusées (en-dessous à droite, un essai effectué le 24 novembre 2015). Documents SpaceX.

La fusée BFR

Lors du Congrès International d'Astronautique qui s'est tenu du 24 au 29 septembre 2017 à Adélaïde en Australie, Elon Musk annonça qu'à terme il comptait remplacer les fusées Falcon 9, Falcon Heavy ainsi que la capsule Dragon par la fusée BFR ou "Big Falcon Rocket". La fusée complète mesure 106 m de hauteur et 9 m de diamètre et est équipée de 31 moteurs Raptor alimentés par du LOX et du méthane liquide. Elle comprend un deuxième étage autonome équipé de 6 moteurs Raptor qui est 100 % réutilisable et atterrit verticalement présenté ci-dessous. Ce deuxième étage qui coiffe la fusée peut assurer des missions de ravitaillement. En effet, il peut être configuré en vaisseau habité (crew), cargo ou en tanker. Elon Musk envisage de commencer sa construction en 2018.

La fusée BFR sera utilisée pour des missions lunaires ainsi que pour la mission martienne prévue au-delà de 2024. Elon Musk prévoit également de l'utiliser pour transporter des passagers à.... Mach 22 soit 27000 km/h à travers le monde ! A cette vitesse, le BFR relie New York à Los Angeles en 22 minutes et Paris à New York en 30 minutes contre près de 4 heures aujourd'hui ! Le prix du billet d'embarquement sera aligné sur celui d'un billet d'avion en classe économique (a priori 2500-3500$). Le lancement s'effectuerait depuis un aéroport installé en pleine mer, les passagers embarquant à bord d’un bateau pour rejoindre la rampe de lancement.

A voir : BFR - Earth to Earth, SpaceX

Making Life Multiplanetary (BFR) et la présentation, SpaceX

Le second étage de la fusée BFR de SpaceX lors d'une mission de ravitaillement d'une base lunaire et martienne. Documents SpaceX et Bryan Versteeg.

Que penser d'un tel projet ? "De la folie !", Elon Musk est-il "Mégalo ou visionnaire ?" comme l'ont titré certains journalistes. Les missions lunaires et martiennes sont évidemment très ambitieuses mais financièrement comme humainement également très risquées, l'histoire de l'astronautique nous rappelant régulièrement les dangers de cette entreprise.

Ceci dit, aucun obstacle n'a jamais arrêté le progrès ni l'ambition des ingénieurs. Accordons à Elon Musk et son équipe au moins une chance de réussir et de concrétiser leur rêve de conquérir l'espace. Nos aïeux n'éprouvaient-ils pas le même scepticisme envers les inventions des ingénieurs "fous" de la fin du XIXe siècle, ceux dont le génie nous a permis de gagner notre liberté de circuler et nous permet aujourd'hui de rouler et de voler à bord de machines les plus diverses à des vitesses inconcevables à l'époque... Comme nous le rappelle l'Hype cycle des technologies émergentes (cf. les technologies du futur), un jour ou  l'autre tout finit par se concrétiser.

Les concurrents dans la course

L'offre de la NASA étant ouverte à tous les constructeurs, SpaceX a évidemment quelques concurrents, et pas des moindres, parmi lesquels Boeing et Lockheed Martin qui peuvent se prévaloir de plusieurs dizaines d'années d'expériences en conception aéro et astronautique. Ce sont donc de sérieux challengers pour toutes les entreprises privées dont le budget est beaucoup plus limité. Toutefois, les "petites" entreprises peuvent également compter sur le patriotisme des investisseurs privés et le support financier des universités comme des industriels.

Néanmoins, mettre au point un vaisseau spatial autonome et habité requiert dix fois plus de systèmes de contrôle et de sécurité et devient de ce fait beaucoup plus complexe à mettre au point qu'une simple capsule automatique. Mais ces difficultés n'ont jamais fait peur aux ingénieurs ni aux pilotes d'essais qui de tout temps ont pris des risques calculés pour réaliser leurs rêves.

Parmi les concurrents de SpaceX toujours en compétition (il ne s'agit pas de vols spatiaux touristiques), citons l'entreprise Sierre Nevada Corp. qui propose une petite navette cargo "Dream Chaser" pouvant accueillir 7 personnes qu'elle peut transporter jusqu'en orbite basse où se trouve la station ISS. L'engin spatial est arrivé au centre Armstrong de la NASA en janvier 2017 où sont actuellement effectués différents tests. Le vol d'essai avec équipage était prévu mi-2017 mais il fut postposé après 2020. L'autre concurrent est Boeing en coopération avec Bigelow Aerospace qui proposent la capsule autonome habitée CTS-100. Le vol test avec équipage fut postposé en novembre 2018. Citons enfin XCOR qui développe des moteurs LOX-méthane pouvant notamment servir à propulser une fusée lunaire ou martienne.

Les deux concurrents de Lockheed Martin et SpaceX. A gauche, illustration du Dream Chaser de Sierra Nevada Corp. Au centre et à droite, illustration de la capsule autonome habitée CTS-100 proposée par Boeing et Bigelow Aerospace. Le développement de ces projets se poursuit mais tous sont en retard sur leur planning. Documents SNC et Boeing.

L'ESA et Ruscosmos renoncent au système de transport spatial habité

De son côté, l'Europe en concertation avec la Russie a étudié la faisabilité d'un concept qui devait aboutir à la construction d'une fusée et d'une capsule qui tirerait profit du meilleur des technologies Soyouz et Ariane. La capsule qui devait en hériter fut surnommée l'Euro-Soyouz. Malheureusement, en 2008, l'ESA annonça qu'elle abandonnait tout investissement dans les vols habités..

Si le projet a été abandonné côté européen, l'agence spatiale russe Ruscomos (FSA) continua à travailler sur un projet de module de transport spatial baptisé PPTS (Prospective Piloted Transport System). Ce vaisseau assez proche du vaisseau Soyouz et qui se pilote de la même manière, en automatique ou manuellement, était capable d'embarquer 6 astronautes vers la station ISS ou 4 astronautes vers la Lune. Le PPTS était réutilisable une dizaine de fois et sa durée de vie estimée à 15 ans. Malheureusement, en 2011 Ruscosmos annonça qu'elle abandonnait la construction du lanceur Rus-M qui devait le propulser, officiellement pour une raison de rentabilité. Conséquence prévisible, on n'entendit plus parlé du projet PPTS.

C'est un revers de plus pour l'agence spatiale russe qui a connu de nombreux échecs ces dernières années (6 échecs du lanceur lourd Proton entre 2007 et 2013), perte d'un vaisseau Progress au lancement en 2011, échec de la mission Phobos-Grunt en 2012, etc.).

Finalement, seuls les Américains restent dans la course mais sans navette spatiale et devant compter sur le savoir-faire d'entreprises privées pour fabriquer leurs lanceurs et les modules de commandes.

Le Space Launch System, SLS

En septembre 2011, la NASA annonça son projet de fabriquer un nouveau lanceur baptisé le "Space Launch System" ou SLS. Ce lanceur lourd pesant 3000 tonnes et d'une hauteur de 121 mètres avec la coiffe est destiné aux futures missions cargos ainsi qu'aux missions d’exploration habitées (avec le module Orion).

Le SLS a hérité de plusieurs modules des anciens lanceurs. Ainsi, le premier étage est dérivé du réservoir externe de la navette spatiale. Il sera propulsé par cinq moteurs cryogéniques RS-25D/E dérivés des SSME (Space Shuttle Main Engine) équipant les navettes spatiales.

La fusée porte sur les flancs du premier étage deux propulseurs à poudre additionnels qui lui apporteront l'impulsion nécessaire pour s'affranchir de l'attraction terrestre pendant les deux premières minutes du vol. Il s'agit des mêmes boosters que ceux de la navette, complétés par un segment.

Ces boosters devaient initialement équiper les fusées Arès I et Arès V et ont déjà été testés deux fois au sol par la société ATK.

A voir : Space Launch System Animation, NASA

Vues d'artistes du Space Launch System développé par Boeing pour la NASA et les différentes configurations habitées et cargo.

Le deuxième étage dispose des moteurs cryogéniques J-2 qui équipaient le deuxième étage de la fusée Saturn V, dans une version remise à jour baptisée J-2X. Ces moteurs ont également déjà été testés avec succès. Un moteur J-2X coûte environ 25 millions de dollars, soit moins de la moitié des propulseurs SSME, et il en faut deux sur le deuxième étage du SLS Block II cargo.

C'est Boeing qui est chargé de la fabrication des deux étages de la fusée. La première version "Block I" du SLS sera capable d'emporter une charge utile de 70 tonnes en orbite basse (contre 22 tonnes pour les navettes) qui sera portée à 130 tonnes dans une version ultérieure "Block II". A terme, le SLS présentera une capacité de chargement 20 % supérieure à la fusée Saturn V. Le SLS sera alors la fusée la plus puissante du monde.

Pour atteindre son objectif, la NASA a engagé 7 milliards de dollars entre 2014 et 2018 pour un total de 35 milliards de dollars d’ici 2030.

Le SLS devrait effectuer son premier vol d'essai fin 2017 mais fut il postposé à 2018. Ensuite, si les détails du projet actuel sont maintenus, sa première destination sera un astéroïde vers 2025, puis l'orbite martienne vers 2030 avant d'envisager une mission internationale et un débarquement sur Mars vers 2035 voire après 2040.

 Voyons à présent le projet de module Orion de Lockheed Martin.

Deuxième partie

Le vaisseau Orion

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