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Les vaisseaux spatiaux Falcon, SLS, Dragon et Orion
COTS où la nouvelle course à l'espace (I) Suite à l'annulation du programme Constellation et de la plupart de ses projets en 2010 par le président Obama, 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 SpaceX du milliardaire Elon Musk (le cofondateur de PayPal et le fabricant de la Tesla) qui proposa rapidement plusieurs lanceurs Falcon ainsi que le vaisseau autonome Dragon, Lockheed Martin avec le module Orion et Boeing qui est chargé de construire les deux étages du Space Launch System ou SLS. SpaceX Pour Elon Musk qui lut des romans de science-fiction étant enfant ainsi que les biographies de certains inventeurs qui l'aideront à trouver sa voie (cf. cet article publié sur "Inc." en 2015 et cette biographie publiée sur "Esquire" en 2012), la stratégie au coeur de son business model est de fabriquer des fusées non plus à usage unique et jetables, mais des lanceurs entièrement réutilisables, comme des avions. L'objectif de cette industrialisation du spatial est d'augmenter la cadence des lancements afin de réduire les coûts de production et réaliser des économies d'échelle avec, à terme, la possibilité de pouvoir lancer du matériel plus lourd. Si a priori ce projet paraissait difficile à réaliser à court terme, c'était sans compter sur les ressources financières d'Elon Musk - selon le webzine "Forbes", Elon Musk était la personne la plus riche du monde avec 263 milliards de dollars en 2024 -, prêt à payer ce qu'il faut en personnel qualifié et innovations technologiques pour gagner son pari. Et il semble bien qu'il va encore gagner d'autres paris et la confiance de nouveaux clients, y compris Européens, dans la mesure où son lanceur "light" Falcon 9 est deux fois moins cher qu'un vol d'Ariane 6 (67 millions de dollars ou 62 millions d'euros pour le premier contre 115 millions d'euros pour le second). 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. Le prix de la charge utile rend les lanceurs Falcon très compétitifs. En 2024, il fallait compter entre 10200 et 7800 $ par kilo sur une Falcon 9 et entre 10100 et 7900 $ par kilo sur une Falcon Heavy contre 14000 € par kilo sur Ariane 6 A62 et 10000 € par kilo sur Ariane 6 A64.
Plusieurs versions du lanceur Falcon ont été construites 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 V (même profil que le concept Arès V). Le dernier modèle des lanceurs légers est la fusée Falcon 9 Full Thrust (FT) ou version 1.2. partiellement réutilisable de la taille d'une fusée Titan III (moitié moins haute que la fusée Saturn V). Falcon 9 FT mesure 70 m de hauteur, 3.7 m de diamètre pour un poids à vide de 549 tonnes. Il s'agit d'une fusée à 2 étages capable d'emporter une charge utile de 22.8 tonnes en orbite basse (LEO) ou 8.3 tonnes en orbite de transfert géostationnaire (GTO). Son coût est d'environ 70 millions de dollars (2024). 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 maximale de 934 kN soit 95 tonnes durant 348 secondes. La fusée présente une masse maximale de 572 tonnes au décollage. 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 67 millions de dollars pour le Falcon 9). Enfin, à terme SpaceX pourrait fabriquer deux lanceurs lourds Falcon XX et Falcon XX Heavy mesurant respectivement 105 et 140 m de hauteur. Ils disposeraient respectivement de 6 et 18 moteurs Merlin 2. Leur capacité de chargement en orbite LEO serait respectivement de 140 kg et 434 kg. 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 pas 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 Starship | SN15 | High-Altitude Flight Tesy (5 mai 2021), SpaceX Live Views from Starman, SpaceX Localiser le roadster Tesla dans le ciel (voir aussi cette vidéo)
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 que la Tesla emporta 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 qu'avait lu Elon Musk dans sa jeunesse. 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 eut lieu le 25 juin 2019. Il est certain que ce vol couronné de succès et très médiatisé a placé la société d'Elon Musk sur le podium en terme de compétitivité. Mais avec sa nouvelle fusée Ariane 6 qui décolla pour son vol inaugural le 9 juillet 2024, l'ESA peut revendiquer sa part de projets spatiaux. L'ESA reste un acteur de premier choix pour les clients souhaitant placer un satellite en orbite basse ou géostationnaire 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 habitées s'élève au maximum à 3.1 milliards de dollars. La capsule constitue le cône supérieur de la fusée et mesure 3.6 m de hauteur pour 2.9 de diamètre. La version habitable peut emporter 7 astronautes. La version cargo pilotée automatiquement est équipée d'une soute non pressurisée 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.
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.
La première mission de démonstration de la capsule Dragon de SpaceX eut lieu le 3 mars 2019. Mission réussie : la capsule s'est amarrée automatiquement à la station ISS (cf. cette photo prise de face). Le premier vol habité se déroula au printemps 2020. Le premier vol commercial habité de SpaceX Décollage ! Le 30 mai 2020, poussée par ses neuf moteurs Merlin, la fusée Falcon 9 transportant les astronautes de la NASA Robert Behnken et Douglas Hurley à bord de la capsule habitée Dragon "Endeavour" de SpaceX s'envola du pas de tir (launch pad) historique 39A du Kennedy Space Center à 15h 22 EDT (20h 22 TU) vers la station ISS. Cette mission doublement historique donna le coup d'envoi du test de vol final (Demo-2) et critique du système de transport spatial imaginé par Elon Musk et toute son équipe. Le contrôle du vol fut transféré de l'équipe de contrôle de lancement SpaceX du KSC à l'équipe de contrôle de mission installé au siège de la société à Hawthorne, en Californie. Au terme d'un vol "nominal" de 19 heures, la capsule s'amarra en douceur à la station ISS. L'écoutille d'accès à la station s'ouvrit et les deux astronautes passèrent dans la station où ils furent accueillis par les membres de l'Expédition 63 composée de l'astronaute Chris Cassidy et des cosmonautes Anatoly Ivanishin et Ivan Vagner. L'ère du vol spatial commercial avait officiellement commencé pour les Américains. A
voir : Crew
Demo-2, SpaceX, 30 mai 2020 SpaceX DM - 2 Docking - May 31 2020 SpaceX DM-2 Flight Day Highlights - May 31, 2020, NASA Crew Dragon’s First Demonstration Mission, SpaceX, 2 mars 2019
L'équipage continua de tester et de démontrer les capacités du Dragon "Endeavour" pendant son amarrage à la station ISS. La capsule Dragon peut rester en orbite environ 110 jours. A terme elle pourra rester en orbite pendant au moins 210 jours, conformément aux exigences de la NASA. La mission se termina 2 mois plus tard. Le 1 août 2020 à 23h35 TU, les deux astronautes rejoignirent la capsule Dragon "Endeavour" qui se déconnecta automatiquement de la station ISS et revint sur la Terre. Bien que la réentrée elle-même jusqu'au splashdown ne dure que 11 minutes, la procédure complète d'allumage, de séparation d'ISS, la désorbitation, de jettison (séparation), la réentrée, le blackout radio (vers 96 km d'altitude durant 6 minutes), le déploiement des parachutes jusqu'à l'amerrissage dura plus de 20 heures. Durant cette phase, les astronautes subirent au maximum 3.5 g. Comme prévu, la capsule amerrit dans le Golf du Mexique, au large de Pensacola en Floride le 2 août 2020 à 19h48 TU. Une demi-heure plus tard, les parachutes, la capsule et les astronautes furent récupérés par le navire de récupération "Go Navigator" de SpaceX qui comprend 40 membres d'équipage qui retourna ensuite à Cap Canaveral. Cette première mission commerciale habitée de SpaceX fut un succès total. A
voir : NASA Astronauts Return Home in SpaceX's Crew Dragon Spacecraft,
2 août 2020, NASA SpaceX DM-2: NASA Astronauts Earth from Space seen from Crew Dragon Returns Home
La prochaine mission sera déterminée en fonction du statut de la préparation du prochain vol commercial habité. Le "Starship" de SpaceX 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" qu'Elon Musk renomma "Starship" le 19 novembre 2018. 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. Le Starship sera utilisé 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 Starship 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 : Starship
- Earth to Earth, SpaceX Making Life Multiplanetary (2017) et la présentation, SpaceX
Que penser d'un tel projet ? "De la folie !", Elon Musk est-il "Mégalo ou visionnaire ?", comme l'ont titré certains journaux et webzines. Les missions lunaires et martiennes sont évidemment très ambitieuses mais financièrement ruineuses et humainement 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 ou la curiosité des hommes. 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 et pour lesquelles chaque million compte. Toutefois, les "petites" entreprises américaines 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.
Enfin, il y a l'ESA et ses contractants qui peuvent toujours remporter de petits contrats sur l'un ou l'autre grand projet de la NASA ou de SpaceX. 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 fut abandonné côté européen au profit d'une navette automatique sans équipage (cf. le "Space Rider"), 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). Contrairement au programme Apollo, cette fois plus de vingt entreprises européennes participent au programme SLS (et donc à Artémis). A
voir : Space Launch System Animation,
NASA
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. 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 est aujourd'hui la fusée la plus puissante du monde. A
voir : NASA's Artemis
I rocket prepares for first test flight,
CBS, 2021 A consulter : Space Launch System, Boeing Artemis I : Get boarding Pass, NASA, 2022 Enregistrez votre prénom et nom pour recevoir votre ticket pour le vol d'Artémis I
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. Chaque fusée Artémis revient à 4.1 milliards de dollars (cf. Ars Technica). Nous verrons page suivante que la NASA compte également sur d'autres partenaires que SpaceX pour construire les futures fusées habitées. Décolages Initialement, le SLS Artémis I présenté ci-dessous devait effectuer son premier vol d'essai sans équipage autour de la Lune fin 2017 mais il fut postposé. Après avoir été reporté d'année en année, la NASA a finalement lancé la fusée le 16 novembre 2022, soit 50 ans après la mission Apollo 11 (cf. le site Track Artemis de la NASA). On reviendra sur la colonisation de la Lune. A
voir : Artemis I Launch to the Moon (Official NASA Broadcast),
NASA Track Artemis, NASA
En admettant que les détails du planning actuel soient maintenus, le lancement d'Artémis II et du premier vol habité autour de la Lune a été reporté en avril 2026 (cf. NASA). Aux dernières nouvelles, le lancement d'Artémis III avec le débarquement des hommes sur la Lune a été reporté à mi-2027 (cf. NASA). En parallèle, il est prévu de survoler un astéroïde (initialement vers 2025), d'atteindre l'orbite martienne vers 2030 avant d'envisager une mission internationale et un débarquement sur Mars vers 2035 voire après 2040. A côté de ces deux missions majeures, la NASA a également planifié des dizaines de petites missions scientifiques (cf. GSFC). Voyons à présent le projet de vaisseau Orion dont le maître d'oeuvre est Lockheed Martin. Deuxième partie
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