Méthodes de propulsion spatiale/Une fusée particulière : la navette spatiale

Méthodes de propulsion spatiale Une fusée particulière : la navette spatiale
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Les navettes spatiales sont un moyen réutilisable d'accès à l'espace.

Les navettes décollent à la verticale (image 1), aidées par deux boosters latéraux qui sont largués une fois que leur réserve de carburant est vide. Les moteurs propres à la navette ne fournissent qu'une très petite partie de la poussée produite au décollages : ils ne servent qu'à faire de légères manœuvres de correction de trajectoire ou de désorbitation.

Une navette spatiale est polyvalente, puisque capable de mettre en orbite un satellite (image 2) ou le réparer, s'amarrer à une station orbitale (image 3), etc... Par exemple, en 1990, la navette Discovery a mis en orbite le satellite scientifique Hubble. Plus récemment, le 12 mai 2009, la navette Atlantis a décollé de Cap Canaveral pour aller le réparer une dernière fois.

Le retour sur Terre s'effectue en planant jusqu'à la piste d'atterrissage. Au moment où les pneus touchent le sol, des parachutes s'ouvrent à l'arrière afin de ralentir la navette (image 4). Le site principal d'atterrissage se situe à Cap Canaveral en Floride, il s'agit du « Shuttle Landing Facility ». En cas de besoin, deux autres pistes existent, une à la base militaire d'Edwards, l'autre au White Sands Space Harbor du nouveau Mexique.

Les différentes navettes actuelles

Les seules navettes spatiales existantes sont les 6 construites dans les années 1980 par la NASA, alors en pleine restriction budgétaire :

Endeavour,
Discovery,
Atlantis,
Columbia, détruite le 1^e février 2003 lors de sa rentrée dans l'atmosphère. Les 7 membres d'équipage périrent dans l'accident.

FIGURE 4 : Explosion de challenger au décollage.

Challenger, détruite le 28 janvier 1986 suite à un problème sur un des boosters. Les 7 membres d'équipage périrent eux aussi dans l'accident, 73 secondes après le lancement.
Enterprise, navette d'essai, n'a jamais été mise en orbite.

D'autres pays que les États-unis voulurent se doter de navettes, aucun n'y est parvenu :

L'ESA, avec sa navette Hermès, projet abandonné
L'Union Soviétique, avec les navettes Bourane (qui effectua une mission sans équipage, détruite lors de l'effondrement de son local de stockage), Ptitchka (inutilisée), Bourane 2.01 (inachevée),
La Russie, avec Kliper, abandonné en 2006.

D'autres projets existent :

X-15 : Avion spatial qui dépassa les 100km d'altitude et la vitesse de mach6 et qui servit à tester et à mettre au point la plupart des systèmes de guidage pour la navette spatiale. Notamment un joystick commandant de micro tuyères pour permettre l'orientation du véhicule en l'absence d'atmosphère. Il servi à diverses tests comme des essais sur l'échauffement des tuilles à grandes vitesse auprès de la nasa et la compréhension des flux d'air à grandes vitesses. De nombreux pilotes de légende participèrent à ces essais.
X-37 Boeing = drone spatial utilisé par l'United States Air Force qui peut resté plus un an en orbite. premier vol orbital = 22 août 2010. Mission gardée secrète.
X-38 Boeing = projet de véhicule de secours pour récupérer les passagers de la station spatiale internationale abandonné en 2002
SpaceShipOne= Projet Civil de l'ingénieur Burt Rotan de la société ScaledComposite pour le concours du X-Prize= premier avion civil à franchir les 100km d'altitude qui est la frontière dite de l'espace et à être réutilisé pour un deuxième vol en moins de quinze jour.4 octobre 2004. Ce sera le début du tourisme spatial. L'appareil fut lancer à partir d'un avion porteur le WhiteKnight.
SpaceShipTwo = VirginGalactic=Projet d'avion spatial basé sur le principe SpaceShipOne mais plus grand pour permettre l'emport de plus passagers, le but étant de développer le tourisme spatial et de faire découvrir les joies de l'apesanteur à quelques touristes en mal de sensations fortes. Projet en cours.

Procédure de lancement des navettes américaines

La procédure du compte à rebours du lancement de la navette spatiale américaine est une longue phase de contrôle de tous les organes vitaux du lanceur (motorisation, alimentation en énergie et en comburants, communications, systèmes de pilotage et systèmes de survie) qui s’étend sur 3 jours.

3 jours avant le lancement

Appel aux stations d'écoute ;
Début du compte à rebours à T - 43 h ;
Début du transfert vers le site de tir et de la dernière phase de préparation au lancement ;
Vérification des systèmes de secours des systèmes de vol de la navette ;
Vérification des logiciels de vol ;
Chargement des logiciels du système de vol dans les ordinateurs de la navette ;
Retrait de certains ponts ;
Début des tests du système de navigation ;
T - 27 h : premier arrêt du compte à rebours pour une période de 4 h ;
Retrait du pas de tir des personnels non nécessaires ;
Test des dispositifs pyrotechniques du lanceur.

2 jours avant le lancement

Reprise du compte à rebours ;
Début des opérations de remplissage des réservoirs de la navette (carburants et comburants cryogéniques) ;
T -19 h : second arrêt du compte à rebours pour une période de 4 h ;
Remplissage des réservoirs d’eau présents sur le pas de tir, qui se déverseront au moment du décollage pour atténuer le bruit ;
Désaccouplement du cordon ombilical intermédiaire ;
Prise d’autonomie du véhicule et déconnexion de ses instruments au sol ;
Reprise du compte à rebours ;
Préparation finale des trois moteurs principaux de la navette ;
Retrait de la plate-forme de service ;
Arrêt du compte à rebours pour une période de 12 heures et 45 minutes ;
Vérification du système de guidage stellaire ;
Activation des systèmes de mesures inertielles de la navette ;
Activation des systèmes de communications de la navette.

1 jour avant le lancement

Rangement à l’intérieur de la navette du matériel de l’équipage ;
Retrait du dispositif de remplissage au sommet du réservoir principal (RSS, ou Rotating Service Structure) ;
Lecture de la check-list de décollage ;
Purge des chambres de combustion ;
Reprise du compte à rebours à T - 11 h ;
Mise en action des pompes à carburant ;
Retrait de la zone de danger des personnels non essentiels ;
Nouvel arrêt du compte à rebours à T - 6 h pour une période de 2 h ;
Vérification de l’intégrité des réservoirs de la navette ;
Retrait du pas de tir de tous les personnels ;
Réfrigération des canalisations de carburant ;
Début du remplissage du réservoir externe de la navette ;
Reprise du compte à rebours ;
Fin du remplissage du réservoir externe ;
Inspection du pas de tir ;
T - 3 h : arrêt du compte à rebours pour une période de 2 h ;
Vérification des communications avec « Align Merritt Island Launch Area » (MILA), antennes de poursuites ;
Reprise du compte à rebours ;
Direction de l’équipage vers le pas de tir ;
Vérification des instruments du cockpit ;
Début de l’installation de l’équipage à bord de la navette ;
Vérification par l’équipage du bon fonctionnement des systèmes de communications entre la navette et le Centre de contrôle et de lancement.

Jour du lancement

FIGURE 5 : La salle de contrôle des navettes spatiales de la NASA (WFCR).

Fermeture du sas d’entrée de la navette ;
Test et fermeture étanche du sas d’entrée ;
Fin des opérations en salle blanche ;
Retrait des personnels présents dans la salle blanche ;
Retrait des derniers personnels ;
Arrêt du compte à rebours pour 10 m à T – 20 ;
Dernier débriefing transmis à l’équipe de préparation du lancement ;
Fin des mesures inertielles ;
Reprise du compte à rebours à T - 20 m ;
Bascule des ordinateurs de la navette en mode "configuration de lancement" ;
Début du conditionnement thermique des pompes à carburant ;
Fermeture des valves de ventilation de la cabine de la navette ;
Bascule des systèmes de vols de secours en mode "configuration de lancement" ;
Arrêt du compte à rebours à T - 9 m pour une période d’environ 45 m ;

FIGURE 6 : Décollage d'Endeavour le 11 février 2000.

Décision de la part du directeur du lancement, de l’équipe de gestion de la mission et du directeur de tests, de lancer la dernière phase du compte à rebours ;
Reprise du compte à rebours à T - 9 m ;
Début de la séquence automatique du lancement ;
T – 7 m 30 s : retrait du bras d’accès à l’équipage ;
T – 6 m 15 s : début de l’enregistrement de la mission ;
T – 5 m 00 s : mise en route des générateurs de puissance auxiliaires ;
T – 5 m 00 s : amorçage des moteurs des propulseurs (SRB) et activation des dispositifs de sécurité ;
T – 3 m 55 s : ventilation des circuits d'oxygène liquide ;
Mise en configuration de vol des surfaces mobiles de la navette ;
T – 2 m 55 s : mise sous pression du réservoir d'oxygène liquide ;
T – 2 m 50 s : début du retrait du bras de remplissage d'oxygène liquide ;
T – 1 m 57 s : mise sous pression du réservoir d'hydrogène liquide ;
T – 1 m 00 s : mise hors tension des réchauffeurs des joints des propulseurs ;
T – 0 m 50 s : mise sous tension autonome de l'orbiteur ;
T – 0 m 31 s : mise en route de la séquence automatique ;
T – 0 m 6,6 s : allumage des trois moteurs de la navette et du moteur principal ;
T - 0 : allumage des propulseurs et décollage.
T + 2 m (environ) : largage des propulseurs

Les navettes spatiales : quel intérêt ?

Dès la fin des années 70, les premières réductions budgétaires se font sentir pour la NASA. La course a la lune est terminée, et les vols spatiaux ressemblent, pour le grand public, de plus en plus à la routine.

Pour garantir aux États-Unis la continuité de leur accès à l'espace, les ingénieurs américains cherchent le moyen le plus économique.

L'étude se résume ainsi : l'augmentation des activités spatiales doit être provoquée par une diminution des coûts de lancement. « Il convient pour y parvenir de disposer d'un véhicule récupérable »^[1].

Notes

↑ « La grande aventure d'Ariane », 1987, Martine Castello, Librairie Larousse, page 66.

[1] « La grande aventure d'Ariane », 1987, Martine Castello, Librairie Larousse, page 66.

[1]