Programme Constellation - Définition

Le déroulement du programme

Concept en 2007 de vaisseau Orion en configuration pour une mission lunaire.

Le cœur du projet est le développement du véhicule spatial Orion, (en anglais CEV : Crew Exploration Vehicle) et du lanceur Ares I qui doivent tous deux permettre de remplacer la navette spatiale durant la phase d'exploitation de la station spatiale internationale. Le scénario de recours aux lanceurs utilisés par l'armée américaine a été définitivement abandonné. La NASA n’a actuellement défini aucun planning concret pour le développement des modules nécessaires pour les missions longues vers la Lune et Mars. Cependant, l’administrateur de la NASA (Michael Griffin) possède des connexions importantes avec The Planetary Society, une organisation astronomique à but non lucratif, qui, contrairement à la NASA, a un programme. Cette organisation a promu un programme en trois étages ou « phases. » Il était raisonnable d'imaginer que Griffith suivrait cette proposition en trois phases.

• La 1^re phase – Terminer la conception d'Orion et d'Ares I pour permettre la desserte de la station spatiale internationale. L'achèvement de la station spatiale internationale et le retrait des navettes spatiales en 2010 doivent libérer des moyens financiers importants qui peuvent être consacrés au projet Constellation.

• La 2^e phase – Terminer la conception des modules nécessaires aux missions prolongées sur la Lune et Mars. Au moins quatre sortes de modules doivent être développés : un module d’habitation, un module servant de laboratoire, un module de réserves et un module pour propulser les missions de la Terre vers Mars. En parallèle des missions vers des objectifs proches de la Terre comme les points de Lagrange seraient montés pour acquérir l'expérience nécessaire à la phase 3.

• La 3^e phase – Finaliser la conception des engins spatiaux pour un atterrissage en gravité élevée. Mettre au point le nouveau module lunaire (Altair). Après avoir rempli ces objectifs, monter une expédition vers la Lune puis Mars.

Le programme Constellation

Pour répondre à ces objectifs, la NASA reprend en grande partie le scénario du programme Apollo : un véhicule spatial (Orion) est chargé de transporter l'équipage jusqu'en orbite lunaire (et de l'en ramener) tandis qu'un deuxième véhicule, Altair, est dédié à l'atterrissage sur la Lune et au retour vers Orion. Toutefois, là où le programme Apollo utilisait la seule fusée Saturn V pour envoyer les 2 véhicules vers la Lune, le programme Constellation prévoit 2 lanceurs dont l'un (Ares I) est dédié au lancement de la capsule habitée tandis que l'autre (Ares V) place en orbite terrestre le module lunaire et l'étage de fusée chargé d'accélérer l'ensemble vers la Lune. En effet :

• La masse des véhicules spatiaux à envoyer vers la Lune s'est considérablement accrue pour répondre aux objectifs plus ambitieux du programme Constellation. L'envoi par une fusée unique nécessiterait de développer un lanceur nettement plus puissant que Saturn V.
• La technique des rendez-vous en orbite est parfaitement maitrisée par la NASA ce qui permet d'envisager un assemblage en orbite des véhicules à destination de la Lune, scénario qui avait été écarté parce que considéré comme trop risqué à l'époque du programme Apollo.
• Orion doit être utilisé pour des missions non lunaires en particulier la desserte de la station spatiale internationale, ce qui nécessite de disposer d'un lanceur de classe intermédiaire.

Une deuxième caractéristique du programme est le recours généralisé à des composants existants afin de limiter le coût du programme. La NASA utilise, en les adaptant, des moteurs-fusée développés pour la fusée Saturn V, les propulseurs à poudre de la navette ainsi que de nombreuses installations au sol existantes.

Enfin il est prévu que plusieurs des composants du programme puissent être réutilisés après remise en condition.

Les véhicules développés sont les suivants  :

Orion

Orion, vaisseau spatial habité qui doit être utilisé à la fois pour desservir la station spatiale internationale et pour les missions vers la Lune. Orion est composé d'un module de commande pressurisé qui peut transporter de 4 (Lune) à 7 (station spatiale) astronautes et d'un module de service non pressurisé qui assure la propulsion principale et les fonctions de support. Le module de commande reprend la forme conique du module de commande Apollo mais offre un volume de 15 m³ soit 2,5 fois celui du module Apollo. Au décollage Orion est surmonté d'une tour de sauvetage chargée de mettre en sécurité le véhicule en cas d'échec du lancement. L'ensemble Orion a une masse de 20,5 tonnes dont 8,5 tonnes pour le module de commande 3,7 tonnes pour le module de service et 8,3 tonnes pour le carburant.

Altair

Altair est le module qui doit permettre aux astronautes de se poser sur la Lune puis d'en décoller, jouant un rôle analogue au module lunaire Apollo. Il est composé d'un étage de descente qui assure l'atterrissage sur la Lune d'une masse de 35 tonnes et d'un étage de remontée de 11 tonnes. La propulsion serait assurée par des moteurs utilisant un mélange hydrogène liquide/oxygène liquide. Par rapport à son ancêtre, le module lunaire Apollo, Altair dispose d'un espace habitable de 32 m³ (contre 6,5 m³ pour Apollo) et comprend un sas ne nécessitant pas de dépressuriser l'habitacle pour les sorties extravéhiculaires. Altair doit assurer l'hébergement de 4 astronautes.

Ares I

Ares I est le lanceur destiné à placer en orbite terrestre le véhicule spatial habité Orion. Il permet de mettre 25 tonnes en orbite basse. Son premier étage est un propulseur à poudre de la navette spatiale américaine allongé (5 segments au lieu de 4) ce qui lui donne une forme plus élancée (94 mètres de haut). Le deuxième étage est un nouveau développement utilisant un moteur-fusée J-2 du programme Apollo à la conception simplifiée et consommant un mélange oxygène liquide/hydrogène liquide.

Ares V

Ares V est un lanceur lourd, de la classe de l'ancienne fusée Saturn V. Culminant à 116 mètres, sa capacité de lancement a été calculée pour permettre le lancement des missions lunaires. Il peut placer 71 tonnes sur une trajectoire de transfert vers la Lune ou déposer 14 tonnes de fret sur le sol lunaire. Il est constitué de:

• un premier étage propulsé par 6 moteurs-fusée RS-68 d'environ 300 tonnes de poussée consommant un mélange hydrogène liquide/oxygène liquide hérités du lanceur Delta IV.
• deux propulseurs à carburant solide de la navette spatiale portés de 4 à 5 segments et demi. Ces boosters flanquent le premier étage et sont allumés au décollage.
• Un deuxième étage utilisant le même moteur J-2 que la fusée Ares I. Baptisé EDS (Earth Departure Stage) cet étage est réallumable et chargé des manœuvres en orbite ainsi que de l'injection sur la trajectoire lunaire de l'ensemble Orion et Altair . Ares V sera également chargé de lancer les modules d'habitation, véhicules et autres équipements nécessaires aux missions de longue durée sur la Lune. La capacité d'emport exceptionnelle d'Ares V (188 tonnes en orbite basse) devrait également être mise à contribution pour de nombreuses missions que les limitations des lanceurs actuels (25 tonnes et diamètre de la coiffe) ne permettent pas de réaliser : envoi de sondes spatiales lourdes dans le système solaire, mise en orbite des télescopes dotés d'une optique de 8 mètres ou plus à des fins civiles ou militaires,....

Les missions types

Les premières missions du programme Constellation doivent assurer la desserte de la Station spatiale internationale. Vers 2020 les missions seront vers la Lune, d'abord pour des séjours courts, puis pour des séjours de longue durée. Enfin, à une date aujourd'hui non fixée (on évoque 2037), les véhicules et lanceurs du programme doivent participer aux premières expéditions vers Mars.

Desserte de la station spatiale internationale

Vue d'artiste d'un amarrage d'un vaisseau Orion avec l'ISS

Avec l'arrêt des navettes spatiales, l'une des missions du programme Constellation est d'assurer la rotation des équipages de l'ISS. Le premier ammarage avec la station spatiale aura lieu lors de la mission Orion 2.

Missions lunaires

La mission lunaire type prévoit un séjour sur la Lune de 7 jours soit 4 de plus que pour le programme Apollo. Les astronautes, au nombre de 4 doivent tous descendre sur la Lune. A une échéance non fixée, les plans de la NASA prévoient le développement d'un ensemble de modules (habitation, rover, autres équipements) déposés sur la Lune grâce à plusieurs lancements d'Ares V (celui-ci peut "livrer" jusqu'à 15 tonnes de fret sur le sol lunaire). Ces équipements doivent permettre de prolonger le séjour des astronautes pour des missions qui pourraient ainsi durer 210 jours. Ces avant-postes pourraient être installés près du pôle sud pour bénéficier à la fois d'un ensoleillement plus important, donc de nuits plus courtes et de températures moins extrêmes, et, si les sondes LCROSS et LRO le confirment, de la présence d'eau qui pourrait exister dans des zones plongées en permanence dans l'obscurité situées au même endroit.

Missions vers Mars