Véhicule spatial - Définition

Introduction

On entend par véhicule spatial ou astronef ou spationef, un véhicule permettant de se déplacer dans l'espace ou d'y accéder depuis la surface d'un corps céleste.

Un véhicule spatial peut être habité ou inhabité. Les véhicules spatiaux sont conçus pour une variété de missions qui peuvent inclure des communications, l'observation de la terre, la météorologie, la navigation, l'exploration planétaire, le tourisme spatial, ou des missions à caractère militaire (espionnage, défense ou attaque). Dans la science-fiction, les véhicules spatiaux sont souvent appelés vaisseaux spatiaux.

Les véhicules spatiaux existants sont les :

• satellites ;
• fusées spatiales :
• sondes spatiales ;
• capsules spatiales ;
• navettes spatiales ;
• stations spatiales.

Vue d'artiste du véhicule spatial X-37

Vue d'ensemble

Un système de véhicule spatial comporte divers sous-ensembles, dépendants du profil de la mission. Les sous-ensembles des véhicules spatiaux peuvent inclure : la commande et la détermination d'attitude (différemment appelées ADAC, CDA ou l'ACS), guidage, navigation, et commande (GNC ou GN&C), communications (COMS), traitement de commande et de données (CDH ou C&DH), puissance (EPS), commande thermique (CTCs), propulsion, structures, et charge utile. Les véhicules spatiaux peuvent être équipés pour subvenir aux besoins d'un équipage.

Commande d'attitude

Un véhicule spatial requiert un sous-ensemble de commande d'attitude pour qu'il puisse être correctement orienté dans l'espace et répondre aux torsions et aux forces externes correctement. Le sous-ensemble de commande d'attitude se compose de sondes et de déclencheurs, ainsi que d'algorithmes de contrôle. Le sous-ensemble de commande d'attitude permet le pointage approprié dans l'intérêt de la science, vers les rayons du Soleil : pour l'énergie, et vers la Terre : pour les communications.

G.N.C.

(ou Guidage - Navigation - Commande)

Le Guidage se rapporte aux calculs des commandes (habituellement faites par le sous-ensemble CDH) nécessaires à l'orientation du véhicule spatial pour être à l'emplacement désiré. La Navigation réside en la détermination des éléments orbitaux du véhicule spatial ou sa position. Le Contrôle signifie ajuster le chemin du vaisseau spatial pour que s'allient les conditions de la mission. Sur quelques missions, les commandes de GNC et d'attitude sont combinées dans un sous-ensemble du vaisseau spatial.

C.D.H.

(ou Command and Data Handling : traitement de commande et de données)

Le sous-ensemble de CDH reçoit des commandes du sous-ensemble de communications, exécute la validation et le décodage des commandes, et distribue les commandes aux sous-ensembles et aux composants appropriés du véhicule spatial. Le CDH reçoit également des données de ménage et des données scientifiques d'autres sous-ensembles et composants du véhicule spatial, et assemble les données pour le stockage sur un enregistreur à semi-conducteurs ou pour la transmission vers la terre par l'intermédiaire du sous-ensemble de communications. L'autre fonction du CDH inclut de maintenir une surveillance sur l'horloge et le bon état du véhicule spatial.

Énergie

Le véhicule spatial requiert un sous-ensemble de production et de distribution du courant électrique permettant d'alimenter les divers sous-ensembles du véhicule spatial. Pour le véhicule spatial proche du Soleil, des panneaux solaires sont fréquemment employés pour une alimentation électrique. Le vaisseau spatial conçu pour fonctionner dans des endroits plus éloignés, comme Jupiter, pourrait utiliser un générateur thermoélectrique de radio-isotope RTG afin de produire de l'électricité. L'énergie électrique est envoyée dans une unité de contrôle avant d'être redistribuée, grâce à unité de redistribution, par un bus électrique vers les autres composants du véhicule spatial. Des batteries sont normalement reliées au bus par l'intermédiaire d'un régulateur de charge de batterie, et sont utilisées pour fournir le courant électrique pendant des périodes où la puissance primaire n'est pas disponible, par exemple pour un véhicule spatial à basse orbite (LEO - Low Earth Orbit) est éclipsé par la Terre.

Régulation thermique

Le véhicule spatial doit être construit pour pouvoir résister au passage dans l'atmosphère et à l'environnement spatial. Il doit fonctionner sous vide avec des températures s'étendant sur une large gamme (des centaines de degrés Celsius, positifs et négatifs). Selon le profil de mission, le vaisseau spatial peut également opérer à la surface d'un autre corps planétaire. Le sous-ensemble thermique de commande peut être passif, dépendant du choix des matériaux avec des propriétés rayonnantes spécifiques. La commande thermique active se sert de réchauffeurs électriques et de certains déclencheurs tels que des auvents pour commander des températures ambiantes spécifiques aux limites des équipements.

Propulsion

Exemple de véhicule spatial Swift

Le véhicule spatial peut ou non avoir un sous-ensemble de propulsion, selon que le profil de la mission nécessite, ou non, un besoin de propulsion. Le véhicule spatial Swift est un exemple de vaisseau spatial qui n'a pas de sous-ensemble de propulsion. En général, les véhicules spatiaux LEO (par exemple Terra : EOS AM-1, incluent un sous-ensemble de propulsion pour des ajustements d'altitude (appelée : drag make-up maneuvers, soit « Manœuvre de constitution de résistance ») et des manœuvres d'ajustement d'inclinaison. Un système de propulsion est nécessaire également pour le véhicule spatial qui exécute des manœuvres de gestion à l'élan. Les composants d'un sous-ensemble conventionnel de propulsion incluent le carburant, le tankage, les valves, les conduits, et les éjecteurs. Le TCS (Contrôle thermique : voir ci-dessus) se connecte par interface au sous-ensemble de propulsion en surveillant la température de ces composants, et par préchauffage des réservoirs et des éjecteurs en vue d'une manœuvre du véhicule spatial.

Structure

Exemple de fusée russe Proton

Le vaisseau spatial doit être construit pour résister à des charges de lancement données par le véhicule de lancement, et doit avoir un point d'attachement pour tous autres sous-ensembles. En fonction du profil de mission, le sous-ensemble structurel pourrait devoir résister à des charges données par l'entrée dans l'atmosphère d'un autre corps planétaire, et du débarquement sur la surface d'un autre corps planétaire.

Charge utile

La charge utile dépend de la mission du véhicule spatial, et est typiquement considérée comme pièce du véhicule spatial « qui paye les factures ». Les charges utiles typiques pourraient inclure les instruments scientifiques (appareils photo, télescopes, ou détecteurs de particules, par exemple), cargaison, ou un humain servant d'équipage.

Système au sol

Le système au sol, qui ne fait pas vraiment partie du véhicule, est essentiel au fonctionnement du véhicule spatial. Les composants habituels d'un système au sol pendant des opérations comprennent : une équipe opérationnelle qui permet la direction des opérations du véhicule spatial, un stockage et un traitement des données, des stations terrestres qui permettent l'envoi et la réception de signaux du véhicule spatial, et enfin, un réseau de communication voix et données pour rendre compte des éléments de la mission.

Lancement

Le lanceur est utilisé pour propulser le vaisseau spatial de la surface de la terre, à travers l'atmosphère, jusqu'à une orbite. Orbite dépendant de la configuration de la mission. Le véhicule de lancement peut être réutilisable ou non.