Navette spatiale américaine - Définition

L'orbiteur

Spécifications de l’orbiteur (pour Endeavour, OV-105)

• Longueur : 37,24 m
• Envergure : 23,79 m
• Hauteur : 17,25 m
• Masse à vide : 68 586,6 kg
• Masse totale au décollage : 109 000 kg
• Masse maximum à l’atterrissage : 104 000 kg
• Moteurs-fusée principaux : Trois Rocketdyne Block 2 A SSME, exerçant chacun une poussée au niveau de la mer de 1,75 MN
• Charge utile maximum : 25 000 kg (~ 30 t pour d’autres navettes)
• Habitacle pressurisé : 71 m³
• Dimensions de la soute : 4,6 m par 18,3 m, pour un volume de 300 m³
• Bouclier thermique : quelques 24000 tuiles isolantes en carbone composite ou en silice
• Altitude opérationnelle : 185 à 1 000 km
• Vitesse typique : 7 800 m.s^-1, 28 000 km.h^-1 (vitesse de satellisation)
• Portée transversale (déport latéral possible de part et d’autre de sa trajectoire de rentrée pour aller se poser) : 2 000 km
• Équipage : Sept (commandant, pilote, deux spécialistes de mission, et trois spécialistes de la charge utile), deux au minimum.

1 et 16 moteurs de correction d'orientation (RCS) - 2 Portes du train d'atterrissage avant - 3 Train d'atterrissage avant - 4 Hublots - 5 Station du bras télémanipulateur - 6 Commandant - 7 Pilote - 8 Écoutille - 9 Passage vers le pont intermédiaire - 10 Portes de la baie cargo - 11 Baie cargo - 12 Bras télémanipulateur - 13 Radiateurs - 14 Moteurs principaux (SSME) - 15 Moteurs de manœuvre orbitale (OMS) - 17 Réservoirs d'hydrogène et d'oxygène liquide - 18 Réservoirs d'hélium - 19 Dérive - 20 Gouverne de direction - 21 Ailes - 22 Élevon - 23 Train d'atterrissage principal - 24 Connecteurs liaisons au sol

Superstructure

L'orbiteur est construit selon les mêmes principes qu'un avion à partir de tôles d'alliage d'aluminium rivetées sur une superstructure constituée de longerons. Le fuselage comporte quatre sous-ensembles : le fuselage avant, la baie cargo, les ailes et le fuselage arrière. La partie avant du fuselage reprend les formes d'un avion. La pointe contient le train d'atterrissage avant, des moteurs d'orientation utilisée en orbite et des instruments utilisés pour le guidage lorsque la navette est dans l'espace. La cabine dans laquelle séjournent les astronautes est une structure pressurisée indépendante qui est accrochée à la superstructure de l'orbiteur par seulement 4 points pour limiter les échanges thermiques. Le fuselage intermédiaire contient la baie cargo et relie la partie avant de l'orbiteur, la partie arrière et les ailes. C'est une structure en U, ouverte à chaque extrémité, longue de 18 mètres, large de 5,2 mètres et haute de 4 mètres pesant 13,5 tonnes. Sur ses flancs viennent se loger les deux trains d'atterrissage centraux. Deux portes, réalisées en graphite-expoxy plus léger que l'aluminium, viennent fermer la baie cargo et servent de support au système de radiateurs qui évacue la chaleur excédentaire de la navette lorsque celle-ci est en orbite. Les portes sont tellement légères que dans la gravité terrestre elles ne supportent pas leur propre poids. Leur fermeture est essentielle avant la rentrée atmosphérique car dans cette position elles contribuent à la rigidité de la navette.

Ensembles de propulsion

Space Shuttle Main Engine en test.

L'orbiteur comprend trois ensembles de propulsion distincts. La propulsion principale est constituée par trois moteurs-fusées cryogéniques SSME qui sont utilisés uniquement pour placer la navette en orbite et puisent leur carburant dans le réservoir externe contrairement aux autres ensembles de propulsion. Les deux moteurs du système de manœuvre orbitale (OMS) complètent l'action des SSME après l'extinction de ceux-ci puis sont utilisés pour les changements d'orbite au cours de la mission puis pour déclencher la rentrée atmosphérique. Les petits moteurs de contrôle d'orientation permettent d'orienter la navette dans l'espace et d'effectuer des corrections orbitales de faible amplitude.

La propulsion principale : les SSME

Les trois moteurs-fusées dits SSME (Space Shuttle Main Engines) situés à l'arrière de l'orbiteur sont chargés avec les propulseurs d'appoint à poudre de produire la poussée qui permet de placer la navette en orbite. Ces moteurs-fusée à ergols liquides et combustion étagée sont non seulement réutilisables mais ont des performances qui dépassent toutes les productions équivalentes passées et actuelles : pour obtenir une impulsion spécifique très élevée, les ergols sont introduits dans la chambre de combustion avec une pression de 423 bars. Chaque moteur produit ainsi 179 tonnes de poussée au niveau de la mer et 221 tonnes dans le vide lorsque le moteur est à 104 % de sa puissance nominale. La poussée est modulable entre 67 et 104 % de la poussée nominale. Le moteur est monté sur cardan et l'axe de la poussée peut être orienté de ±10,5° en tangage et de ±8,5° en lacet. Chaque moteur brûle environ 423 kg d'oxygène liquide et 70 kg d'hydrogène liquide par seconde lorsque le moteur est à pleine puissance. L'impulsion spécifique est de 453 secondes dans le vide et de 363 secondes au niveau de la mer (vitesses d'éjection de 4 440 m.s^-1 et de 3 560 m.s^-1 respectivement). La tuyère, qui a un rapport de détente fixe de 69, est refroidi par de l'hydrogène gazeux qui circule dans 1080 conduits de refroidissement. Chaque moteur est long de 4,24 mètres, a une diamètre maximal de 2,38 m ; le moteur pèse à vide 3,4 tonnes et un peu moins de 5 tonnes en incluant les systèmes auxiliaires et la tuyauterie. Pour répondre à une situation exceptionnelle, le moteur peut être poussé à 109 % de sa puissance nominale. Le SSME est conçu pour pouvoir cumuler 27 000 secondes (55 lancements avec à chaque fois 8 minutes de fonctionnement continu) mais on estime que sa durée de vie opérationnelle est plutôt de 15 000 secondes de fonctionnement et 30 lancements. Ces moteurs puisent leur carburant dans le réservoir externe et ne jouent plus aucun rôle dans la suite de la mission une fois le réservoir externe largué à la fin de la phase ascensionnelle. Si la poussée cumulée a été insuffisante pour placer l'orbiteur en orbite, les deux moteurs du système de manœuvre orbitale peuvent éventuellement prendre le relais.

Le système de manœuvre orbitale (OMS)

Schéma des nacelles OMS

Les deux moteurs du système de manœuvre orbitale (Orbital Maneuvring Sytem OMS) sont utilisés d'une part pour placer la navette sur l'orbite visée à l'issue de la phase ascensionnelle et d'autre part, en fin de mission, pour amorcer la rentrée atmosphérique en réduisant la vitesse de l'orbiteur. Durant le séjour dans l'espace, ils permettent également d'effectuer de petites corrections d'orbite. Chaque moteur est placé dans une nacelle amovible dans laquelle se trouve également les deux réservoirs contenant les ergols utilisés, deux réservoirs d'hélium pour mettre sous pression carburant et comburant ainsi qu'une partie des moteurs de contrôle d'orientation de l'orbiteur. Les deux nacelles sont situées à l'arrière de l'orbiteur de part et d'autre de la dérive et au-dessus des SSME. Chaque moteurs-fusée brûle du peroxyde d'azote et du méthylhydrazine. Ces ergols liquides qui présentent l'avantage de pouvoir être stockés facilement aux températures rencontrées et d'être hypergoliques c'est-à-dire de pouvoir s'enflammer spontanément lorsqu'ils sont mis en contact l'un avec l'autre. Le système de pressurisation qui utilise de l'hélium sous pression est simple et donc fiable, ce qui est essentiel pour garantir un retour de l'orbiteur sur Terre. Avec une impulsion spécifique dans le vide de 313 secondes ils sont nettement moins performants que les SSME mais bien adaptés à leur rôle qui nécessitent qu'ils soient allumés puis éteints à de nombreuses reprises éventuellement pour des durées très courtes (2 secondes) au cours d'une même mission. La poussée de 2,7 tonnes peut être orientée de ±8° en tangage et de ±7° en lacet. Les deux moteurs, qui disposent d'environ 10,4 tonnes d'ergols dans chaque nacelle, peuvent fournir un delta-v total d'environ 300 m.s^-1 dont environ la moitié est utilisée pour placer la navette en orbite.

Les moteurs de contrôle d'orientation (RCS)

Sorties des moteurs de contrôle d'orientation avant

Les moteurs de contrôle d'orientation ou d'attitude (Reaction Control System RCS) sont utilisés pour modifier l'orientation de la navette lorsque l'atmosphère est trop ténue pour que les empennages de l'orbiteur puissent être efficaces. On a également recours à eux en orbite lorsque la vitesse de l'orbiteur doit être corrigée d'une valeur inférieure à 2 m.s^-1. Les moteurs sont répartis entre les deux nacelles OMS et l'avant de l'orbiteur. Il existe deux types de moteurs. Les plus puissants ont une poussée de 395 kg avec une impulsion spécifique de 289 secondes. Les moteurs vernier, avec une impulsion spécifique de 228 secondes, sont utilisés pour les corrections très fines : d'une poussée de 11 kg, ils peuvent fournir une impulsion d'une durée comprise entre 0,08 et 125 secondes. Sur l'avant de l'orbiteur se trouvent 2 moteurs-vernier et 14 moteurs plus puissants tandis que dans chaque nacelle OMS on trouvent 2 moteurs-verniers et 12 moteurs de 395 kg de poussée. Tous ces moteurs utilisent les mêmes ergols que les moteurs de manœuvre orbitale mais avec des réservoirs qui leurs sont propres répartis entre les trois emplacements.

La protection thermique

Répartition des différents types de tuile

Tuiles de type HRSI et pièce en carbone-carbone peuvent être distinguées sous la pointe avant de la navette Discovery

Simulation des contraintes thermiques subies par la navette durant la rentrée atmosphérique : en blanc les parties les plus chaudes

La navette qui se déplace à plus de 7 km/s, est durant la rentrée atmosphérique ralentie progressivement par les forces de friction engendrées par l'atmosphère qui se densifie : l'énergie cinétique accumulée durant le lancement est transformée en énergie thermique. Durant cette phase les parties extérieures de la navette sont portées à des températures qui montent jusqu'à 1 650 °C au niveau des parties les plus exposées c'est-à-dire la pointe avant et les bords d'attaque des ailes. Pour ne pas endommager la structure en aluminium qui doit être maintenue en-dessous de 180 °C, une protection thermique recouvre complètement la navette. Sur les vaisseaux spatiaux comme les capsules Soyouz ou Apollo cette protection thermique est constituée d'un matériau ablatif qui élimine la chaleur en se décomposant couche après couche. Pour un engin réutilisable cette solution ne peut être retenue. Le choix s'est porté sur un matériau isolant qui renvoie la majeure partie de la chaleur.

Le bouclier thermique de la navette est en grande partie constitué de tuiles en céramique collées sur la structure en aluminium. Le matériau utilisé, mis au point au cours années 1960 par la société Lockheed, a été retenu car il est à la fois un excellent isolant thermique et est d'une grande légèreté (densité de 0,144 pour les tuiles HRSI-9) car constitué à 90 % d'air. Mais le coefficient de dilatation thermique de ce revêtement est très faible : pour que le revêtement ne se brise pas lorsque la superstructure en aluminium se contracte ou se dilate, il a fallu le diviser en tuiles carrées d'une taille moyenne de 15 cm de côté séparées par des interstices de 0,03 cm qui donnent suffisamment de jeu. Les tuiles sont un matériau relativement rigide qui peut casser du fait des déformations subies par la structure de la navette durant la traversée des couches denses de l'atmosphère : pour éviter une rupture un couche de feutre est interposée entre chaque tuile et la coque en aluminium.

Selon l'emplacement la température et les contraintes mécaniques sont très différentes. La taille, l'épaisseur et la densité des tuiles peut varier pour s'adapter à la forme de la coque et à la contrainte thermique locale. Chaque tuile est unique et porte un numéro indélébile qui la situe sur la coque. Différents types de matériaux sont utilisés :

• Le dessous de la navette, le bord d'attaque de la dérive qui subissent des températures comprises entre 650 °C et 1 260 °C sont protégés par des tuiles en céramique noires de type HRSI (High Temperature Reusable Surface Isolation). Leur épaisseur est comprise entre 1,3 à 13 cm et leur densité peut être égale à 0,144 ou 0,35.
• Une partie des parois de l'habitacle ainsi que la surface supérieure des ailes situées juste après le bord d'attaque qui subissent des températures comprises entre 370 °C et 650 °C sont protégés par des tuiles en céramique blanches de type LRSI (Low Temperature Reusable Surface Isolation. Leur épaisseur est comprise entre 1,3 à 7 cm et leur densité est de 0,144.
• Les autres parties de la navette qui subissent des températures inférieures à 370 °C sont couvertes de FRSI (Felt Reusable Surface Insulation) un revêtement à base de Nomex. Les pièces en FRSI ont en général une taille de 0,8 x 1,2 mètres et une épaisseur comprise entre 0,4 et 1 cm.
• Le nez de la navette et le bord d'attaque des ailes sont les parties les plus exposées : elles subissent des températures supérieures à 1 260 °C. Elles ne sont pas recouvertes d'un matériau isolant mais de pièces en carbone carbone renforcé (Reinforced carbon carbon ou RCC) qui supportent ces températures extrêmes. L'utilisation de ce matériau n'a pu être généralisé car il est beaucoup plus lourd que les tuiles en céramique. Contrairement à celles-ci, les pièces en RCC jouent un rôle structurel et doivent être séparées de la structure par une couche d'isolant car le carbone est un bon conducteur thermique. L'épaisseur des pièces en RCC est comprise entre 0,64 et 1,27 cm. Le nez est recouvert par une pièce d'un seul tenant tandis que les bords d'attaque sont recouverts par plusieurs tuiles. L'origine de l'accident de la navette spatiale Columbia est liée à la perforation d'une de ces tuiles par un morceau de mousse isolante détachée du réservoir externe lors du lancement et qui a provoqué la destruction de la navette durant la rentrée atmosphérique.

De nouveaux matériaux ont été mis au point depuis l'époque de la construction des navettes et sont utilisés ponctuellement lorsque les tuiles d'origine doivent être remplacées :

• Les tuiles de type FRCI (Fibrous Refractory Composite Insulation) sont utilisées pour remplacer les tuiles HRSI lorsqu'elles sont endommagées car elles sont plus résistantes. Elles ont une densité de 0,19 et une épaisseur comprise entre 2,5 et 13 cm.
• Les tuiles de type TUFI (Toughened uni-pice fibrous insulation) sont utilisées à la place des tuiles HRSI là où leur résistance aux dommages présente un avantage en particulier près des SSME.
• Les revêtements de type AFRSI (Advanced Flexible Reusable Surface Insulation) de couleur blanc remplacent les tuiles LRSI : elles sont moins coûteuses à produire, pèsent moins lourd et sont plus faciles à mettre en place.

Chaque navette, du fait de sa date d'entrée en service ainsi que des opérations de maintenance effectuées, a une protection thermique qui diffère légèrement. En 1999 la protection thermique de la navette Atlantis était constituée de 501 tuiles de type HRSI-22(densité de 22 pouces par pied carré soit 0,35), 19 725 de type HRSI-9 , 2 945 de type FRCI-12, 322 de type TUFI-8, 77 de type LRSI-12, 725 de type LRSI-9, 2 277 de type revêtement AFRSI et 977 de type revêtement FRSI. Environ 20 tuiles sont endommagées à chaque vol et 70 doivent être remplacées pour différentes raisons.

Les quartiers de l'équipage

La navette spatiale peut accueillir jusqu'à 8 astronautes répartis sur 2 ponts : le pont de vol (flight deck) et le niveau intermédiaire (mid-deck). À ces deux niveaux s'ajoutent une soute (lower-deck). 72 m² sont ainsi disponibles, contre 8,5 m² sur un vaisseau russe Soyouz capable de transporter 3 cosmonautes.

Le poste de pilotage de vol

Configuration de lancement du poste de pilotage

Vue sur l'avant du cockpit

Le poste de pilotage peut accueillir 4 personnes. En configuration de lancement, le commandant et le pilote s'installent en face du tableau de bord respectivement à gauche et à droite. Derrière le pilote s'installent deux spécialistes de mission. En orbite, les sièges sont démontés ; seul le commandant garde sa place. À l'arrière de la cabine se trouve un poste de travail, équipé d'étriers au sol, permettant à l'astronaute de se maintenir en position fixe tout en travaillant ; ce poste est utilisé pour commander les mouvements du bras robotique de la navette qui manipule les charges utiles situées dans la soute de la navette. L'opérateur dispose de plusieurs hublots donnant sur la soute. Sur le côté, deux postes latéraux sont dédiés au contrôle des charges utiles et de la navette.

À l'avant, la zone située au-dessus du pare-brise regroupe les différents moyens de propulsion ; il permet de sélectionner les ordinateurs GPS (General Purpose System). À gauche, le commandant a accès aux systèmes de contrôle thermique, de pressurisation et de conditionnement de l'air, de détection d'incendie et d'allumage des extincteurs. Face au pilote et au commandant sont placés deux indicateurs, l'ADI (Altitude Direction Indicator) et le HSI (Horizontal Situation Indicator) qui donnent des informations sur le pilotage, la vitesse, l'accélération et la position dans l'espace, mais également des commandes relatives au train d'atterrissage, entre autres. Sur sa droite, le commandant contrôle les circuits hydrauliques et l'alimentation électrique.

Au centre, plusieurs écrans fournissent aux pilotes des informations sur le remplissage du réservoir externe et le temps écoulé depuis le décollage. Entre les deux sièges, le « pylône central » comprend un clavier et des chronomètres, la sélection des antennes et des liaisons radio ainsi que des indicateurs sur le fonctionnement du contrôle d'attitude. Face aux pilotes, un manche RHC (Rotation Hand Controler) permet d'utiliser les moteurs pour mettre en rotation la navette sur 3 axes. Un second manche, le THC (Translator Hand Controler), situé sur la gauche du RHC, permet les mouvements de translation.

Au plafond, les astronautes disposent d'un large panneau avec de nombreux interrupteurs coupe-circuit. Au sol, des pédales de palonniers permettent aux pilotes, comme dans un avion, de braquer la gouverne de direction de queue et de freiner la navette à l'atterrissage.

Le pont intermédiaire

Les compartiments de repos peuvent se refermer comme des placards

Le pont intermédiaire sous le poste de pilotage constitue le lieu de vie de l'équipage. Trois sièges y sont installés lors du décollage et de l'atterrissage pour les spécialistes de charge utile. On y accède soit par une écoutille latérale donnant sur l'extérieur soit par les deux trappes situées au plafond et communiquant avec le niveau supérieur.

À droite de l'écoutille se trouvent les toilettes ; sur la gauche, un coin cuisine permet à l'équipage de préparer ses repas. En face sont installés à l'horizontale des compartiments de repos individuels pouvant être refermés ou ouvert comme des placards, sur lesquels les astronautes ont l'habitude d'accrocher le fanion de leur université. L'équipage dispose d'un tapis roulant, afin de maintenir sa condition physique en impesanteur.

Le sas

L'orbiteur dispose d'un sas qui permet à des membres de l'équipage d'intervenir à l'extérieur lorsque la navette est en orbite. Lorsque les orbiteurs ont été construits le sas empiétait sur le pont intermédiaire afin de laisser la baie cargo entièrement libre pour une charge utile. Le sas comportait à l'époque deux écoutilles, d'un diamètre de 91 cm dont l'une donne dans la partie pressurisée de l'orbiteur et l'autre sur la soute cargo pour permettre aux astronautes d'intervenir sur les charges utiles au cours de sorties extra-véhiculaires. À la suite de la décision des États-Unis de participer au programme de la station spatiale russe Mir et d'envoyer les navettes afin d'assurer la relève des équipages, le sas est modifié pour permettre à l'orbiteur de s'amarrer à la station spatiale. Il est désormais placé dans la soute cargo. Le sas se présente sous la forme d'un cylindre vertical en sandwich d'aluminium. À l'intérieur la hauteur totale est de 2,11 mètres et le diamètre de 1,6 mètres soit un volume un peu supérieur à 5 m³ qui permet à deux astronautes équipés d'une combinaison spatiale d'effectuer une sortie. Les deux écoutilles d'origines sont conservées mais une troisième écoutille est ajoutée au sommet du cylindre ; celui-ci est par ailleurs coiffé d'un système d'amarrage périphérique androgyne mis au point par les ingénieurs russes pour permettre à l'orbiteur de s'amarrer à la station spatiale ce qui offre la possibilité aux astronautes de passer en bras de chemise dans la station. Cette méthode d'amarrage est également celle utilisée pour la Station spatiale internationale. Atlantis est le premier orbiteur équipé à compter de 1992; les autres orbiteurs reçoivent à partir de 1998 une version légèrement différente sauf la Columbia qui conservera son installation d'origine jusqu'à sa destruction en 2003.

Le système médical des navettes spatiales (SOMS, Shuttle Orbiter Medical System) permet aux astronautes de se soigner en cas de maladie ou de petites blessures. Il est composé d'une boîte bleue (MBK, Medication and Bandage Kit) contenant des médicaments (suppositoires, aspirines), des pansements ainsi qu'une boîte bleue à bandes rouges (EMK, Emergency Medical Kit) contenant un kit de premiers secours et des instruments médicaux ; ces deux boîtes sont stockées sur le mid-deck (le niveau intermédiaire). Les informations collectées par le SOMS sont envoyées au centre de contrôle de mission à Houston, où des médecins peuvent conseiller les astronautes, ou demander l'annulation de la mission.

L'informatique embarquée

L'informatique des navettes spatiales est composée de 200 calculateurs assignés à chaque système. Les calculateurs sont reliés à 5 ordinateurs IBM AP-101, programmés par Rockwell et IBM en Fortran. D'une mémoire de 3 833 856 bits (soit 468 Ko), ils peuvent interroger une base de données contenant le programme de vol, stockée sur une bande magnétique de 34 Mbit. Ce programme de vol est actualisé au fur et à mesure de l'avancement de la mission en 9 groupes : par exemple le premier correspond à la phase de vol propulsé. Tant que la navette est sur son pas de tir, elle est en partie contrôlée par le Launch Processing System (LPS).

Pendant les phases « critiques » (lancement, atterrissage), les 5 ordinateurs fonctionnent en parallèle en effectuant les mêmes calculs : ils reçoivent les mêmes informations et sont synchronisés 440 fois par seconde. Pour pallier les erreurs de logiciel, les décisions sont prises à la majorité lorsqu'il y a divergence dans les résultats obtenus.

L'alimentation électrique

Une pile à combustible utilisée sur les navettes spatiales

Les navettes spatiales sont alimentées en énergie électrique par 3 piles à combustible. 2 832 kg d'oxygène sont répartis dans huit réservoirs de 95,3 cm de diamètre et 1 584 kg d'hydrogène dans quatre réservoirs de 115,6 cm de diamètre. Ces 3 piles fournissent une tension de 28 V pour une intensité variant entre 61 A et 436 A. Il faut près d'un quart d'heure pour allumer une pile, aussi, deux sont toujours actives pour éviter une coupure ; elles alimentent continuellement un convertisseur produisant de l'électricité sous un voltage de 115 V. Les piles à combustible produisent de l'eau qui une fois filtrée peut être consommée par les astronautes. Les piles à combustible sont un élément à la fois sensible et critique de l'orbiteur. À plusieurs reprises une mission a due être abrégée à la suite d'une défaillance de l'un de ces éléments.

Les systèmes hydrauliques

Le système hydraulique des navettes spatiales est utilisé pour orienter les tuyères des moteurs SSME et déployer le train d'atterrissage. L'énergie est fournie par des groupes auxiliaires de puissance (APU, Auxiliary Power Units) au nombre de 3 positionnés à l'arrière de l'orbiteur. Ils pèsent près de 39 kg chacun et fournissent une puissance de 138 CV, grâce à une turbine alimentée par les gaz libérés lors de la décomposition catalytique de l'hydrazine à 930 °C ; cette turbine entraîne une pompe d'un débit de 4 litres par seconde. Un réservoir de 134 kg contient l'hydrazine pressurisée à 27 bars par de l'hélium.