Le vaisseau lunaire Orion
Le vaisseau pour les nouvelles missions habitées vers et sur la Lune de la NASA s’appelle Orion. Il va emmener les prochains astronautes autour de la Lune.
Orion est construit sous la maîtrise d’œuvre de Lockeed Martin pour la NASA avec une participation de l’Agence Spatiale Européenne avec la fourniture du module de service.
L’Europe spatiale est donc à bord des prochaines missions lunaires habitées et fournit l’un des éléments essentiels : la partie qui fournit la plupart des fonctions vitales à la capsule ! Et je vous en parle en détail dans l’article.
Un projet en retard
Comme souvent, les projets spatiaux d’envergure et encore plus quand il s’agit de faire voyager des humains, sont en retard. Et Orion, comme le lanceur SLS, ne dérogent pas à la règle.
Le vaisseau spatial Orion remonte à 2005, quand la NASA publie une « demande de propositions » à l’industrie dans le but de « développer un nouveau véhicule d’exploration de l’équipage d’ici 2014 qui est capable de transporter des astronautes au-delà de l’orbite terrestre basse ». Au départ, il s’agissait du programme Constellation, annulé en 2010 puis remplacé par le programme Artemis. Constellation a été jugé trop cher dans le contexte de crise économique de l’époque, la NASA ne pouvant continuer à financer à la fois le développement du vaisseau Orion, du lanceur Ares V (jugé obsolète aussi) et l’ISS.
Finalement le projet Space Launch System voit le jour en 2011 pour des missions lunaires et au-delà. Et le vaisseau Orion renaît aussitôt.
Le programme de retour sur la Lune est officiellement nommé Artemis en 2017. Contrairement au programme Apollo, le financement du programme lunaire Artemis a fait l’objet d’un financement partagé entre de nombreux centres de la NASA et de sous-traitants de la NASA avec des enveloppes budgétaires réparties sur plusieurs années permettant une main-d’œuvre stable sur ces mêmes années, et non un effort plus qu’important sur une durée courte pour « atteindre la Lune avant la fin de la décennie » pour Apollo. Mais la NASA a fait également appel à l’ESA comme partenaire suite aux accords de contributions de l’Europe à l’ISS et à l’excellence des constructions européennes (modules pressurisés en partie construits par Thales Alenia Space, module Columbus et cargos ATV construits par Airbus Space).
Orion : l’essentiel
Orion est constitué de 2 parties : le module d’équipage « Crew Module » qui emmènera jusqu’à quatre astronautes et les ramènera sur Terre, et le module de service « European Service Module » qui fournit l’air, l’électricité et la propulsion.
La durée maximale prévue d’une mission lunaire est de 21 jours mais Orion pourrait orbiter autour de la Lune de manière autonome sans équipage à bord pendant plus de six mois.
Par rapport à Apollo, Orion est un vaisseau plus petit : un peu moins de 26 tonnes dont 7,9 tonnes d’ergols, contre 30,3 tonnes à Apollo. Mais Orion offre un volume pressurisé plus important : 19,56 m3 dont près de 9 m3 habitable (6,17 m3 pour Apollo).
Le module d’équipage
Le Module d’équipage se trouve au sommet du module de service et peut contenir quatre astronautes et des marchandises. C’est la seule partie d’Orion conçue pour rentrer dans l’atmosphère terrestre.
Une cabine d’équipage moderne
À l’intérieur du module d’équipage, les systèmes de contrôle environnemental et de support vie maintiennent la température, la pression de la cabine, les niveaux d’humidité, d’oxygène et de dioxyde de carbone, pour garder l’équipage en bonne santé et dans un certain confort. Le système de survie en boucle fermée d’Orion est capable de maintenir une pression positive, une atmosphère respirable et un refroidissement thermique jusqu’à 144 heures aux membres d’équipage en combinaison de vol en cas de fuite ou d’atmosphère contaminée.
Le cockpit permet un contrôle total d’Orion par l’équipage avec des affichages entièrement redondants avec plus de 60 interfaces utilisateur graphiques (GUI) et procédures électroniques interactives – une première dans l’histoire des engins spatiaux selon la NASA. A la place des commutateurs physiques répartis sur le cockpit, un astronaute pourra contrôler tous les systèmes du vaisseau à partir d’une seule station opérateur utilisant des commutateurs «virtuels» affichés sur les interfaces graphiques. Par rapport à l’ordinateur de vol unique d’Apollo, Orion dispose de deux ordinateurs de vol redondants fonctionnant simultanément. Chacun d’eux comprend deux modules informatiques redondants, ce qui lui donne un total de quatre systèmes redondants. A noter qu’un seul des 2 ordinateurs redondants d’Orion ne représente que les trois quarts du poids du seul ordinateur d’Apollo et a 128 000 fois plus de mémoire et est 20 000 fois plus rapide !
La capsule offre également une radioprotection nécessaire pour protéger les systèmes d’équipage et le vaisseau du rayonnement cosmique et solaire observé dans l’espace lointain et la protection contre des micrométéoroïdes.
La capsule comprend un distributeur d’eau potable pour s’hydrater et réhydrater la nourriture embarquée. Contrairement à Apollo, il y a des toilettes à bord. Appelées Universal Waste Management System (UWMS) [système universel de gestion des déchets] elles ont été conçues à la fois pour les hommes et les femmes et sont actuellement testées à bord de l’ISS avant le premier vol habité Artemis 2.
Les missions devant durer plusieurs semaines, pour contrer les effets de la microgravité sur le corps humain, le module dispose d’un dispositif d’exercice intégré. Le système de contrôle environnemental élimine même l’excès de chaleur, d’humidité et d’odeur pendant l’exercice.
Un habitat sous pression optimisé
Le module d’équipage d’Orion est en fait une cabine sous pression qui doit résister à l’environnement difficile de l’espace et de la rentrée atmosphérique. L’extérieur de l’habitacle est composé de seulement sept grands éléments en alliage d’aluminium soudés ensemble, ce qui permet de réduire la masse.
Les panneaux de cône sont joints avec trois soudures pour former la section médiane inclinée de la cabine sous pression où se trouvent les fenêtres et la trappe d’entrée. Une autre soudure relie le « tunnel » et la cloison avant, qui est au sommet du vaisseau spatial et qui abrite de nombreux systèmes critiques d’Orion, tels que les parachutes qui se déploient lors de l’entrée dans l’atmosphère terrestre. Le « tunnel » d’Orion, avec une trappe d’amarrage, permettra aux astronautes de se déplacer entre le module d’équipage et d’autres vaisseaux spatiaux. La section cylindrique de la capsule, qui est la plus grande pièce unique d’u vaisseau spatial d’Orion, est soudée à la cloison arrière, afin de former la structure arrière. La méthode de soudure est appelée soudage par friction-malaxage (Friction Stir Welding – FSW). Elle produit des liaisons incroyablement fortes en transformant les métaux d’un état solide à un état « plastique », puis en utilisant un outil à broches rotatives pour adoucir, remuer et forger une liaison entre les deux composants métalliques pour former un joint soudé uniforme.
La structure au sol où les sièges d’équipage sont attachés et où se trouvent les casiers d’arrimage de l’équipage est appelée « backbone assembly » qu’on pourrait traduire par la colonne vertébrale de la capsule. C’est une structure en aluminium boulonnée en neuf pièces de poutres entrecroisées. Elle fournit également un soutien structurel supplémentaire au module d’équipage. La plupart des équipements de survie de l’équipage, comme la nourriture, les kits médicaux, l’équipement d’urgence tels que masques et extincteur, les sacs de couchage, et les combinaisons de vol portées pour le lancement et le retour sur Terre sont stockés dans des casiers situés dans cette structure.
Le logiciel de contrôle et de gestion d’Orion se trouve dans les ordinateurs de vol du module d’équipage, qui abrite aussi les systèmes de navigation et de communications. Les communications seront possibles avec les réseaux Deep Space (DSN) et Near Space Network Direct-To-Earth Services (NSN) de la NASA, les satellites TDRS et de multiples vaisseaux spatiaux.
Les protections thermiques pour le retour sur Terre
Les protections des côtés du module d’équipage, connu sous le nom de coque arrière (backshell), pour le protéger lors de la rentrée atmosphérique, ont été fabriquées à partir d’environ 1 300 tuiles de protection thermique en fibre de silice similaires à celles utilisées sur les Navettes Spatiales.
Sur le dessous du module d’équipage, le bouclier thermique protège la capsule contre la chaleur intense de rentrée à 32 000 km/h. Il est basé sur la même technologie que les boucliers thermiques des modules orbitaux Apollo. Ce bouclier thermique AVCOAT (matériau historiquement créé par l’entreprise Avco + coat = revêtement) est installé à la base du module d’équipage pour fournir une érosion contrôlée évacuant la chaleur du module d’équipage dans l’atmosphère. Ce processus d’érosion est appelé « « »ablation »» », les matériaux sont éliminés par vaporisation ou érosion par contact continu avec la vitesse supersonique du débit de gaz et la température élevée. Le bouclier est constitué en fait d’un peu moins de 200 blocs de structures en nid d’abeilles dans lesquelles a été injectée de la résine dans chaque cellule individuelle, et collés entre eux sur une peau en fibre de carbone.
Le système de retour sur Terre
Le module d’équipage a un système de propulsion composé de 12 petits moteurs appelés reaction control system (RCS) qui fournissent le plein contrôle de la translation et de la rotation du module en orbite et pendant la rentrée.
Comme pour Apollo, la NASA a choisi l’amerrissage pour le retour des astronautes sur Terre.
La capsule abrite également le système de parachutes d’Orion pour assurer un atterrissage en toute sécurité pour les astronautes. Le système comprend une série de 11 parachutes qui sont déployés dans une séquence pour ralentir le module de vitesses supérieures de 40 000km/h à environ 30 km/h ou moins et limiter la force de l’impact dans la mer.
Quand Orion s’écrase dans l’océan, il peut s’installer dans l’une des trois positions : haut, bas ou sur le côté. Le Crew Module Uprighting System (CMUS pour système de redressement du module d’équipage) déploie une série de cinq airbags oranges sur le dessus de la capsule pour retourner Orion droit au cas où il atterrirait et se retournerait à l’envers. Le système gardera Orion droit et stable après l’amerrissage pendant au moins 24 heures, si nécessaire. Cela prend moins de quatre minutes pour que le CMUS redresse la capsule. La capsule doit être verticale pour que les systèmes de communication de la capsule fonctionnent correctement et le confort des astronautes harnachés dans le vaisseau.
Les cinq sacs qui composent le CMUS sont emballés dans des conteneurs et stockés au sommet de la capsule à l’intérieur de la structure entre les parachutes et autres équipements. Les cinq sacs CMUS sont gonflés avec du gaz d’hélium stocké dans des récipients sous pression sur le vaisseau spatial tout au long de la mission. Chaque sac a un système de gonflage indépendant. Le CMUS doit se déployer quelle que soit la position d’amerrissage de la capsule. Plusieurs tests de redressement à grande échelle ont été effectués avec une maquette de la capsule de l’équipage d’Orion.
Orion est conçu pour exécuter un abandon de vol et retourner sur Terre à partir de n’importe quel point de la mission, quel que soit l’alignement orbital avec la Terre, et fournit un refuge sûr et un équipement de survie pour l’équipage à bord jusqu’à 24 heures après l’amerrissage.
Le module d’équipage comprend un certain nombre de mécanismes comme des trappes, un système d’amarrage à d’autres vaisseaux et le système de séparation et de largage du module de service, nécessaire avant la rentrée atmosphérique de la capsule.
Un adaptateur au module de service
Un adaptateur de module d’équipage (CMA) connecte le module d’équipage au module de service. Il abrite des équipements électroniques pour les communications, l’alimentation et le contrôle, et comprend un pont qui relie les systèmes électriques, de données et de fluides entre les modules principaux.
Plus de 30 soudures et 20 raccords mécaniques sont nécessaires pour connecter les tuyaux du système de propulsion et les systèmes vitaux fournis par le module de service.
Le module de service européen : la centrale électrique du vaisseau et bien plus
Le module de service européen ou ESM (European Service Module) est conçu, construit et assemblé par une équipe de sociétés de 11 pays dirigées par Airbus Space and Defence.
L’ESM est basé sur les performances éprouvées des véhicules de transfert automatisés de l’ESA, les ATV, qui ont volé 5 fois vers la Station spatiale internationale pour du ravitaillement et de la correction de trajectoire de 2008 à 2015 [lire Il y a 10 ans, le premier ATV pour l’ISS et Fin des ATV : les chiffres, et ensuite ? ORION].
Le 11 décembre 2020, le premier module de service européen a été officiellement remis à la NASA, après 9 ans de conception, de construction et de montage.
L’ESM, c’est un peu plus de 5 mètres de diamètre et 4 m de haut. Il pèse 13,5 tonnes. Les 8,6 tonnes de propergol alimenteront un moteur principal et 32 petits propulseurs.
Le module cylindrique est non pressurisé et mesure 4 m de long, y compris le moteur principal et les réservoirs de gaz et de propulseur. Pendant le lancement, il est maintenu en place par l’adaptateur de vaisseau spatial et est connecté à la capsule où se trouvent les astronautes par l’adaptateur de module d’équipage [voir plus haut].
Le corps principal du module de service mesure environ 2 m de haut, mais son moteur principal, le moteur du système de manœuvre orbital, s’étend dans l’adaptateur de vaisseau spatial. De même, certains équipements du module de service de l’ESA font saillie dans l’adaptateur de module d’équipage.
Lors du lancement, le module de service s’intègre dans un adaptateur de 5,2 m de diamètre [voir ci-après]/
La structure
La structure primaire, construite par Thales Alenia Space en Italie, fournit une rigidité structurelle au vaisseau spatial Orion, un peu comme le châssis d’une voiture. Elle absorbe les vibrations et l’énergie du lancement et protège le vaisseau des micrométéoroïdes et des débris spatiaux.
La structure secondaire du module de service prend en charge des éléments tels que les propulseurs et les réservoirs d’eau du vaisseau spatial.
Le module possède un bouclier Whipple renforcé de Kevlar avec deux couches de protection au-dessus de la coque du vaisseau spatial. Tous les objets qui frappent le bouclier se brisent en fragments à l’impact avec la couche externe, puis la couche intérieure empêche n’importe quel objet de pénétrer le vaisseau et son matériel critique.
L’ESM est recouvert de matériaux multicouches qui absorbent les impacts de minuscules objets à grande vitesse dans l’espace. En effet, les micrométéoroïdes et les débris spatiaux sont de graves menaces : l’impact d’un éclat de peinture se déplaçant jusqu’à 72 km/s peut avoir de graves conséquences.
La structure supporte les 12 km de câbles, les réservoirs de carburant, d’eau et d’air, les équipements électroniques et les moteurs de l’ESM.
Le système de propulsion
Les quatre réservoirs contiendront chacun environ 2000 litres de propulseur. Dans le vide de l’espace, il n’y a pas d’air à brûler, de sorte que les réservoirs de carburant des engins spatiaux comprennent l’oxydant et le carburant qui sont mélangés pour s’enflammer et fournir une poussée.
Les deux ensembles de réservoirs sont reliés par des pipelines complexes à 33 moteurs. Les capteurs et les ordinateurs contrôlent le système.
Le moteur principal de la première mission est un moteur de système de manœuvre orbitale de la navette spatiale réutilisé qui a déjà volé 19 fois dans l’espace sur Space Shuttle Challenger, Discovery et Atlantis, de 1984 à son dernier vol dans l’espace en 2002 lors de la mission STS-112. Il fournit une poussée de 25,7 kN, et peut pivoter en hauteur et en lacet.
Huit propulseurs, modèle R-4D-11 construit par Aerojet, sont fixés sur la base du module de service pour fournir des corrections d’orbite et comme solution de secours. Ils fournissent 490 N chacun.
24 petits moteurs de 220 N, construits par ArianeGroup, regroupés en six groupes assurent le contrôle d’attitude. Ils peuvent être allumés individuellement selon les besoins pour déplacer le vaisseau spatial dans différentes directions et le faire pivoter dans n’importe quelle position.
Le carburant est fourni par quatre réservoirs de 2 000 litres avec des parois de 1 cm d’épaisseur à l’intérieur du module de service : du nitrure de molybdène (MON) comme oxydant et monométhylhydrazine (MMH) comme combustible. Les réservoirs maintiendront l’ergol à une pression de 25 bars avec une capacité totale de près de 9 tonnes de carburant. Deux réservoirs d’hélium haute pression, des systèmes de contrôle de la pression, des capteurs et des tuyaux complètent le système de propulsion.
Le système de propulsion de l’ESM peut entrer en action en cas d’abandon de lancement. Le vaisseau Orion se trouve sous le système d’abandon de lancement qui propulse la capsule d’équipage vers le haut et loin du danger si nécessaire pendant les phases initiales du lancement, la renvoyant au sol par parachute. En altitude, le système d’évacuation d’urgence est éjecté et si des problèmes surviennent, le module de service peut prendre le relais et emmener Orion loin du lanceur et le diriger pour un amerrissage en toute sécurité sur Terre.
Le système électrique
Les panneaux solaires de 7 mètres de long du module de service européen fourniront une puissance totale de 11,2 kW. Chacune des quatre ailes est composée de trois panneaux qui fournissent suffisamment d’électricité pour alimenter deux ménages européens typiques, fournissant 120 V pour les ordinateurs, les expériences et autres matériels. Ils présentent la configuration distinctive de l’aile X des ATV. Bien que de taille similaire à ceux de l’ATV, ils fourniront plus du double de la puissance électrique du cargo automatique.
Les panneaux solaires sont orientables sur 2 axes (entre – 35° et + 25° sur l’axe intérieur, 0° à + 360° sur l’axe extérieur) pour rester aligné avec le Soleil pour une puissance maximale. La puissance est transférée à travers les joints rotatifs à deux axes. Les panneaux solaires sont contrôlés par le Solar Array Drive Electronics (SADE) et l’unité de conditionnement et de distribution d’énergie (PCDU) régule l’électricité et achemine l’électricité vers les autres équipements électroniques.
Le contrôle thermique
Les équipements électroniques et d’autres systèmes produisent leur propre chaleur qui doit être expulsée pour éviter la surchauffe. Dans le même temps, les températures dans l’espace varient considérablement (alternances de chaud ou froid selon si on est exposé au Soleil ou non).
Le système de contrôle thermique d’Orion comprend 6 radiateurs près de l’extérieur du vaisseau traversés par un liquide de refroidissement pompé en boucle fermée. Ils rejettent ainsi la chaleur de l’intérieur d’une « boîte » bien isolée vers l’extérieur, en utilisant de grandes surfaces qui rayonnent la chaleur du fluide qui les traverse. Un système de résistances chauffantes garde le vaisseau spatial au chaud en cas de besoin.
Le module de service européen est aussi conçu pour rejeter la chaleur du module d’équipage, qui est très bien isolé, pour garder les astronautes et l’équipement au frais dans les conditions orbitales les plus chaudes.
Fourniture en air et eau
Les astronautes ayant besoin de jusqu’à trois litres d’eau et de près d’un kilogramme d’oxygène par jour, les réservoirs sont dimensionnés pour permettre de longues missions, jusqu’à 21 jours.
Quatre réservoirs d’eau contiennent 240 litres pompés vers la capsule selon les besoins.
L’air pour respirer est stocké sous forme de gaz séparés, un réservoir contenant 30 kg d’azote et trois réservoirs d’oxygène totalisant 90 kg. L’oxygène et l’azote sont mélangés dans la capsule pour que les astronautes respirent.
Orion n’est pas équipé de réservoirs d’eau pour la première mission Artemis 1 car il n’y aura pas d’équipage à bord. Ces réservoirs seront ajoutés pour Artemis 2 et il y aura aussi d’autres ajouts dans le module d’équipage comme les panneaux d’affichages et un support de vie complet.
D’autres équipements pour le lancement
Un certain nombre d’éléments ne sont nécessaires que pendant le lancement et sont largués peu de temps avant d’entrer réellement dans l’espace.
Le Spacecraft Adapter est un cône qui relie la partie inférieure du module de service d’Orion à la partie supérieure du lanceur SLS connue sous le nom d’étape de propulsion cryogénique provisoire ou ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage).
Les Spacecraft Adapter Jettisonable Fairings sont plusieurs panneaux qui offriront une protection aérodynamique lors du lancement. Lorsque le véhicule est suffisamment haut au-dessus de la Terre, ces protections seront éjectées pour tomber dans l’océan.
Les panneaux de protection encapsuleront l’ESM pour le protéger des environnements difficiles tels que la chaleur, le vent et l’acoustique.
Quatre panneaux protégeront également le module d’équipage des vibrations sévères et des sons qu’il ressentira au lancement.
Les grands tests avant le premier lancement
Avant le lancement d’Artemis 1, le vaisseau Orion, en entier ou par sous-systèmes, a été soumis à de très nombreux tests. Au-delà des tests habituels des satellites (vibrations, acoustiques, compatibilité électromagnétique, etc), un vaisseau qui doit transporter des astronautes subit des essais complémentaires très poussés.
Par exemple, les ingénieurs de la NASA et de Lockheed Martin ont travaillé sur la conception du module d’équipage d’Orion avec NASCAR et les experts de course de voitures Indy Car spécialisés dans les blessures par accident pour concevoir des sièges d’équipage ultramodernes, des dispositifs de retenue et des mécanismes d’atténuation des effets pour éviter les blessures des astronautes en cas d’amerrissage violent.
En 2010, au site de White Sands de l’armée américaine au Nouveau-Mexique, la NASA a effectué un test en vol réussi appelé Pad Abort-1, un test du système d’abandon de lancement Orion (Launch Abort System ou LAS). Il s’agissait d’un test du système de sécurité qui se trouve au sommet d’Orion lors du lancement et pendant l’ascension. Si une urgence se produit pendant le lancement, le LAS éloigne Orion et son équipage de la fusée pour un atterrissage dans l’Océan. Pad Abort-1 a démontré la capacité du LAS à propulser le module d’équipage à une distance de sécurité lors d’un abandon depuis le pas de tir. Le test en vol a duré environ 135 secondes.
En 2014, une première version d’Orion (sans module de service, uniquement la capsule) est sortie pour un premier vol test : Exploration Flight Test-1, afin surtout de démontrer que le projet avance malgré les retards et que module d’équipage peut effectuer une rentrée atmosphérique sans dommages.
Le 2 juillet 2019, la NASA a effectué un deuxième test réussi du système d’évacuation d’urgence du LAS : le Ascent Abort-2 (AA-2). Pendant AA-2, un booster de test fourni par Northrop Grumman a été lancé depuis Cape Canaveral en Floride emportant un LAS entièrement fonctionnel et un vaisseau d’essai Orion. L’ensemble a été propulsé à une altitude de 31 000 pieds à Mach 1,18 jusqu’à la simulation d’un abandon en vol [à 2’06 dans la vidéo ci-dessous]. Les moteurs du LAS ont pleinement réussi à propulser Orion loin du lanceur à distance sûre. AA-2 était destiné à tester la capacité d’Orion à avorter pendant l’ascension, il n’était pas équipé de parachutes et la capsule d’essai n’a pas été récupérée. La NASA avait déjà pleinement qualifié le système de parachutes pour les vols avec équipage à travers une vaste série de 17 tests de développement et 8 tests de qualification terminés fin 2018.
En attendant la Lunar Gateway
Orion est prévu pour rejoindre la Lunar Gateway, le projet de station orbitale lunaire américaine en partenariat avec d’autres nations spatiales dont l’Europe avec l’ESA. Mais ça, j’en reparlerai dans un autre article !
Un autre blog à consulter pour connaître tout le développement du programme Orion : http://developpement-orion.over-blog.com