NAVETTES SPATIALES

La navette spatiale américaine (en anglais Space shuttle ou Space Transportation System, STS) est un véhicule spatial conçu et utilisé par l’agence spatiale américaine (NASA), dont le vol inaugural remonte au 12 avril 1981 et qui a été retiré du service en juillet 2011, après avoir effectué un total de 135 vols.

Elle est composée de trois sous-ensembles : l’orbiteur — qui est le seul composant à se placer en orbite et transporte le fret et les astronautes —, le réservoir externe et deux propulseurs d’appoint. Le terme « navette spatiale » s’applique uniquement à l’orbiteur, qui revient se poser comme un avion sur une piste d’atterrissage et peut être réutilisé pour un nouveau vol. Les propulseurs d’appoint sont également conçus pour être réutilisables. L’orbiteur, qui constitue l’élément le plus complexe, a été construit à cinq exemplaires, dont deux, Challenger et Columbia, ont été détruits aux cours d’accidents entraînant la perte de leurs équipages.

La navette spatiale, qui pèse plus de 2 000 tonnes, décolle verticalement comme une fusée. Au cours de son ascension, elle se sépare successivement de ses propulseurs d’appoint, puis de son réservoir externe. À l’issue de la mission, l’orbiteur revient seul sur Terre. Il effectue une rentrée atmosphérique au cours de laquelle il ralentit fortement en dissipant une grande quantité de chaleur, puis entame une phase de vol non propulsé à la manière d’un planeur, avant d’atterrir sur une piste de grande longueur. L’orbiteur ainsi que les propulseurs d’appoint sont remis en état puis réutilisés. La navette spatiale peut placer en orbite basse sept astronautes et 24,5 tonnes de charge utile. L’orbiteur est un engin spatial d’une polyvalence inégalée : il dispose d’une grande soute, d’un bras permettant le maniement de lourdes charges dans l’espace et d’un sas utilisé pour les sortie extravéhiculaires ou l’amarrage à une station spatiale. Son autonomie en mission est d’environ deux semaines.

En concevant au début des années 1970 un engin spatial réutilisable, la NASA espère pouvoir abaisser fortement les coûts du lancement spatial, qui a jusque-là recours à des fusées perdues après usage. Mais les compromis techniques retenus à la conception pour des raisons financières, et surtout la complexité inhérente au concept, induisent des coûts de développement et d’exploitation (500 millions de dollars par lancement) très élevés. Lorsque sa carrière opérationnelle débute en 1982, tous les lancements de satellites américains sont pris en charge par la flotte des quatre navettes spatiales. Grâce à un dumping important sur les prix la navette occupe même une place dominante sur le marché des lancements commerciaux. Mais il apparaît rapidement que la navette ne sera jamais un moyen de lancement concurrentiel par rapport aux fusées, car la cadence des lancements espérée ne peut être tenue. Après la destruction de la navette spatiale Challenger début 1986, qui entraîne la perte de son équipage, l’utilisation de la navette est limitée au lancement des satellites non commerciaux et aux expériences scientifiques en orbite. À compter de la fin des années 1990, sa mission principale est la desserte de la station spatiale Mir, puis de la Station spatiale internationale. Un deuxième accident en 2003, accompagné une fois de plus de la perte de l’équipage, accélère la décision de mettre à la retraite la flotte des navettes, dont le dernier vol a eu lieu en juillet 2011. La navette spatiale a effectué 135 vols au cours d’une carrière de près de trente ans.

Développement (1972-1981)

Durant les deux premières années qui suivent la signature du contrat, de nombreux changements sont apportés aux caractéristiques de la navette, essentiellement pour réduire les coûts de développement. L’aile en double delta est introduite à ce stade car elle améliore les capacités de vol à basse vitesse ; de plus elle permet, par des interventions limitées sur le dessin de sa partie avant, de compenser des problèmes de position de centre de gravité qui pourraient apparaître à un stade avancé du développement. L’une des modifications les plus importantes est l’abandon des turboréacteurs qui devaient propulser l’orbiteur avant l’atterrissage. Pour pouvoir déplacer la navette — désormais non motorisée — entre deux sites, la NASA fait l’acquisition en 1974 d’un Boeing 747 d’occasion, qui est aménagé pour pouvoir transporter sur son dos le véhicule spatial. Le premier test du moteur de l’orbiteur, le SSME, a lieu le 17 octobre 1975. Le réservoir externe est progressivement allégé au fur et à mesure de son développement, ce qui permet un gain de poids de 4,5 tonnes. La construction de la première navette, Enterprise, est achevée en mars 1976, mais celle-ci ne sera pas utilisée en phase d’exploitation car trop lourde. Le premier vol captif sur le dos d’un Boeing 747 aménagé a lieu le 18 février 1977. D’autres vols captifs, sans, puis avec équipage, ont lieu en 1977. Le premier vol non propulsé de la navette a lieu le 12 août 1977 : la navette est larguée du dos du 747 et effectue un vol plané de cinq minutes avant de se poser sur une piste de la base Edwards. Progressivement, la durée des vols s’allonge pour permettre de tester complètement la phase d’approche et d’atterrissage. La livraison des SSME opérationnels est repoussée de deux ans (1981 au lieu de 1979) à la suite de différents incidents qui nécessitent de modifier la conception des moteurs. En février 1980, le septième et dernier test de qualification des propulseurs d’appoint est effectué.

Deuxième vol libre d’Enterprise.

Enterprise quitte son Boeing porteur pour son quatrième vol libre.
Le premier vol de la navette spatiale a lieu le 12 avril 1981 : la navette Columbia, affectée à la mission STS-1, est pilotée par John W. Young, qui tient lieu de commandant de bord, et Robert L. Crippen qui officie comme pilote. La navette boucle 37 orbites en un peu plus de deux jours avant de se poser sans encombre. Le vol se déroule de manière nominale, malgré la perte de 16 tuiles du bouclier thermique. Trois autres vols, destinés à tester tous les composants de la navette et son comportement en vol, ont lieu en 1981 et 1982 avant le premier vol opérationnel. Le coût de développement de la navette, chiffré initialement en 1971 à 5,15 milliards de dollars, est finalement de 6,744 milliards de dollars (de 1971), soit un dépassement relativement faible pour ce type de projet. Cette somme représente un quart du coût du programme Apollo.

La navette en phase opérationnelle
La navette à la conquête du marché des lancements commerciaux (1982-1985)
Le 11 novembre 1982, la navette Columbia entame la phase opérationnelle du programme avec la mission STS-5. Celle-ci place en orbite deux satellites de télécommunications privés. À l’époque, la navette dispose par décret d’un monopole sur le marché américain des lancements des satellites publics, civils et militaires, ainsi que des satellites privés. La NASA espère pouvoir atteindre une cadence d’un lancement par semaine. Pour attirer des clients à l’international, les prix des lancements sont largement sous-évalués dans l’espoir de créer une clientèle captive. La NASA pratique également des rabais pour les lancements des satellites militaires américains. Neuf opérateurs de télécommunications internationaux acceptent d’emblée l’offre de la NASA. Au cours des trois premières années d’exploitation, 24 satellites commerciaux sont ainsi lancés. Le nombre maximum de satellites de télécommunications placés en orbite au cours d’une seule mission est limité à trois, bien que l’orbiteur puisse théoriquement en emporter cinq ; mais la NASA, ne maîtrisant pas parfaitement les conséquences d’une telle charge en cas d’atterrissage d’urgence, préfère limiter le nombre de satellites embarqués. La navette place également en orbite le premier satellite de télécommunications de la série TDRS, qui doit remplacer les stations au sol de la NASA. Deux sondes spatiales sont également lancées durant ces premières années d’exploitation, le laboratoire spatial Spacelab est amené en orbite à quatre reprises et deux satellites militaires sont placés en orbite.

Le public suit avec intérêt les premiers vols de cet engin spatial aux caractéristiques nouvelles. Sur le plan commercial, la navette remporte également un grand succès apparent, puisque durant cette période la moitié des satellites sont lancés pour le compte d’autres pays. Mais les rabais consentis masquent une réalité financière particulièrement noire. Dès 1985, il devient clair que la NASA aura du mal à effectuer plus d’un lancement par mois : c’est cinq fois moins que la cadence espérée qui conditionnait le prix de chaque lancement. De plus, le coût opérationnel va en s’accroissant, car les opérations de maintenance s’avèrent beaucoup plus lourdes que prévu (en particulier l’inspection et la remise en état du bouclier thermique à chaque retour sur Terre). La NASA n’a pas la possibilité de répercuter ces surcoûts sur les tarifs pratiqués, car ceux-ci sont figés contractuellement jusqu’en 1988.

L’accident de la navette Challenger et ses conséquences (1986)

Désintégration de l’orbiteur Challenger et de son réservoir externe
Article détaillé : Accident de la navette spatiale Challenger.
Le 28 janvier 1986, la navette Challenger est détruite en tuant son équipage 73 secondes après son décollage, à la suite de la rupture du joint torique entre deux segments d’un des deux propulseurs d’appoint à poudre (boosters)17. C’est la vingt cinquième mission du programme et la dixième de l’orbiteur Challenger. L’enquête de la Commission Rogers met en cause la mauvaise gestion du programme par la NASA : le problème à l’origine de l’accident était récurrent et identifié mais avait été sous-estimé, faute de dialogue et par aveuglement du management. Le rapport révèle également que le risque couru par les équipages est beaucoup plus important que prévu au décollage et dans la phase de retour à Terre. D’importants travaux sont entrepris, en particulier sur les boosters, mais également sur les moteurs de l’orbiteur pour réduire celui-ci.

Le calendrier de lancement, très optimiste, est également critiqué par la Commission Rogers comme un facteur ayant pu contribuer à l’accident. La NASA a tenté par la suite d’adopter un rythme plus réaliste pour la fréquence de ses vols. Une nouvelle navette, Endeavour, est commandée pour remplacer Challenger. La loi qui imposait le lancement par la navette de tous les satellites américains est radicalement modifiée : désormais, seuls seront confiés à la navette les engins nécessitant la présence d’un équipage ou utilisant les capacités spécifiques de la navette. La commission préconise que les États-Unis disposent d’une alternative à la navette, mais les lanceurs classiques américains, dont la production a été arrêtée du fait du monopole de la navette, ne sont pas prêts à prendre en charge les satellites commerciaux et la situation va contribuer au succès du lanceur européen Ariane. L’accident de la navette met fin à la carrière de lanceur commercial de la navette spatiale.

La carrière de la navette après Challenger (1988-2003)
Après trente-deux mois d’interruption, la première mission depuis l’accident, la mission STS-26 est lancée le 29 septembre 1988. À la suite de l’accident de Challenger, le Département de la Défense a renoncé à l’utilisation de la navette spatiale, mais six satellites dont le lancement était déjà programmé vont être lancés par celle-ci. Une base de lancement de la navette dédiée aux besoins militaires construite à grand frais (2 milliards de dollars) à Vandenberg était sur le point d’être inaugurée au moment de l’accident de Challenger : elle ne sera jamais utilisée. Malgré la nouvelle doctrine d’emploi de la navette, plusieurs satellites (TDRS, satellite de télécommunications) et sondes (Galileo et Ulysses) sont lancés par celle-ci, car leur conception ne leur permet pas une mise en orbite par des lanceurs classiques. Dans le cas des sondes spatiales, le lancement est particulièrement complexe : en effet, celles-ci, après avoir été larguées par la navette, devaient être propulsées par un étage cryogénique Centaur modifié pour pouvoir être transporté par la navette. Mais dans le nouveau contexte qui suit l’accident de Challenger, il n’est plus question de transporter un étage de fusée contenant des ergols cryogéniques dans la soute de la navette. Des expédients complexes doivent être trouvés pour permettre malgré tout de lancer les sondes.

L’accident de la navette Columbia et la décision de retrait des navettes spatiales (2003-2010)
Article détaillé : Accident de la navette spatiale Columbia.

Résultat d’un test simulant l’impact d’un morceau de mousse isolante sur une tuile du bouclier thermique.
Le 1er février 2003, l’orbiteur Columbia, dont le bouclier thermique a été endommagé par le choc à grande vitesse durant le décollage d’un morceau de mousse de protection thermique du réservoir externe, est détruit durant la rentrée atmosphérique, entraînant la perte de son équipage. Une enquête est menée par un comité d’experts créé pour découvrir les causes de l’accident, le Columbia Accident Investigation Board (CAIB). Une fois de plus, la gestion des missions par la NASA est remise en cause : l’anomalie qui a conduit à la catastrophe est connue et n’a jamais été traitée sur le fond. De plus, le calendrier très serré de l’assemblage de la station spatiale internationale, qui résulte de la réduction de budget imposé à la NASA depuis 2001, a conduit à une pression très forte sur l’ensemble du personnel de la NASA, poussant à sous-estimer les risques encourus. Lorsque les vols reprennent en juillet 2005, après dix-huit mois d’interruption, plusieurs mesures ont été décidées pour limiter le risque. À chaque mission, une inspection détaillée du bouclier thermique est effectuée par l’équipage de l’orbiteur et de la station spatiale lorsqu’il est en orbite. Pour chaque mission, une deuxième navette est prête à être lancée, pour effectuer une mission de secours consistant à ramener l’équipage en orbite au cas où serait découvert une brèche dans le bouclier thermique.

Le 15 janvier 2004, le président des États-Unis George W. Bush rend public les objectifs à long terme assignés au programme spatial américain dans le domaine de l’exploration du système solaire et des missions habitées : ceux-ci sont formalisés dans le programme Vision for Space Exploration. La définition de cette stratégie est dictée par deux motivations :

La NASA doit remplacer la flotte des navettes spatiales, vieilles de près de trois décennies, qui ont, à deux reprises, explosé en vol en tuant leur équipage et dont le coût d’exploitation ponctionne le budget de l’agence. Mais la station spatiale internationale doit être desservie en hommes et en matériel dans la phase actuelle de construction et lorsqu’elle sera pleinement opérationnelle ;
Le président veut renouer avec le succès du programme Apollo, en fixant des objectifs ambitieux à long terme et en engageant immédiatement les moyens de les atteindre. Il souhaite remettre l’exploration spatiale par l’homme au premier plan.
Les dernières missions
Reprenant la démarche du président Kennedy, le président Bush demande à la NASA d’élaborer un programme qui permette de réaliser des séjours de longue durée sur la Lune d’ici 2020. Ce sera le programme Constellation. Par ailleurs, les vols des navettes spatiales doivent s’arrêter en 2011, date à laquelle l’assemblage de la station spatiale internationale doit être achevé. Le budget économisé par l’arrêt de la navette doit permettre de financer le nouveau projet. Le transport du fret et des astronautes est confié à des lanceurs classiques. Malgré le retard pris par la mise au point des moyens de remplacement et l’annulation du programme Constellation, cette décision est confirmée en 2010 par le président Barack Obama, nouvellement élu. La navette Atlantis a accompli le dernier vol de la flotte en juillet 2011 pour ravitailler la station spatiale internationale (mission STS-135).

Les trois navettes spatiales encore en opération, désormais sans emploi, ont été cédées gratuitement par la NASA à différents musées situés aux États-Unis. Discovery, qui effectue sa dernière mission STS-133 en atterrissant au Centre spatial Kennedy le 9 mars 2011, doit ensuite être exposée au National Air and Space Museum à Washington. En avril 2011, le responsable de la NASA Charles Bolden annonce que la navette Atlantis sera exposée au Kennedy Space Center Visitor Complex, qui jouxte le centre spatial d’où se sont envolées toutes les navettes et où sont déjà présentés les principaux lanceurs américains. La navette Endeavour (dernier vol dans le cadre de la mission STS-134, en mai 2011) est cédée au California Science Center de Los Angeles. Le prototype Enterprise est exposé à l’Intrepid Sea-Air-Space Museum de New York.

28
Avr
2019