Après des années de retard, le lanceur lourd de la NASA destiné aux missions lunaires, le SLS, est devenu une réalité.

La phase finale de tests est en cours pour un lancement inaugural annoncé actuellement pour juin 2022.

SLS, c’est quoi ?

Le SLS, c’est l’acronyme de Space Launch System, système de lancement spatial. Un nom pas très exotique mais qui indique la complexité du lanceur.

Le SLS, c’est le lanceur qui doit emmener sur la Lune les prochains astronautes de la NASA (et sans doute par la suite d’autres agences) dans le cadre du projet Artemis.

Contrairement à la Saturn V, le SLS est prévu d’être modulable en fonction de la mission (charge utile à emporter, équipage ou cargo) et même une version pour l’exploration plus lointaine vers Mars.

Le premier SLS, appelé Block 1, peut envoyer plus de 27 tonnes sur des orbites au-delà de la Lune. Au fur et à mesure de l’évolution de la fusée SLS, elle enverra des charges utiles encore plus lourdes et plus grandes.

Sous l’égide de la NASA, Boeing est le maître d’œuvre de la conception, du développement, des tests et de la production de l’étage central et des étages supérieurs du lanceur, ainsi que du développement de la suite avionique de vol. Aerojet Rocketdyne fournit les 4 moteurs RS-25 de l’étage central, tandis que Northrop Grumman fournit les propulseurs à poudre (SRB). D’autres fournisseurs participent à la construction du lanceur comme Teledyne Brown Engineering pour l’adaptateur de charge utile, LVSA [voir plus bas].

L’étage central : la pièce maîtresse du SLS

L’étage central sert d’épine dorsale au lanceur, supportant le poids de la charge utile, de l’étage supérieur et du vaisseau spatial, ainsi que supportant et portant structurellement la poussée de ses quatre moteurs RS-25 et de ses deux propulseurs à carburant solide.

L’étage central a le même diamètre que le réservoir externe de la Navette Spatiale. Son revêtement en mousse thermique le protège des températures extrêmes, le froid des carburants et la chaleur de frottement de l’atmosphère lors du décollage.

• PARTIE MOTEUR (ENGINE SECTION)

En plus de ses kilomètres de câblage et de centaines de capteurs, la section moteur est le point de fixation pour les quatre moteurs RS-25 qui fonctionnent avec les deux propulseurs à poudre pour produire une poussée combinée de 39,1 méganewtons au décollage. Cette partie intègre aussi l’avionique qui dirige les moteurs.

Les moteurs RS-25 sont des moteurs issus des Navettes Spatiales. A fin des Shuttles, il restait 16 moteurs à la NASA qui a décidé de les réutiliser pour les 4 premiers vols du SLS. Aerojet Rocketdyne est actuellement en train de redémarrer la production de RS-25 pour les missions suivantes de SLS, avec quelques améliorations.

Pour la première mission Artemis, les moteurs ont déjà servi sur plusieurs vols dont un sur 12 vols de Navettes !

Lors d’un décollage, l’allumage des moteurs RS-25 de l’étage principal commence environ six secondes avant T-0, en commençant par le moteur 1, suivi des moteurs 3, 4 et 2.

• RÉSERVOIRS LOX et LH2

Le réservoir d’hydrogène liquide (LH2) a une capacité de 143,8 tonnes de carburant ou 2 millions de litres. Le réservoir d’oxygène liquide (LOX) contient 742 000 litres d’oxygène liquide refroidi à -183°C.

Des tests de pression allant jusqu’à la rupture ont été réalisés au Marshall Space Flight Center de la NASA soumettant un réservoir de test à 160% de la pression prévue au décollage.

• RÉSERVOIR INTERMÉDIAIRE (INTERTANK) et la JUPE AVANT (FORWARD SKIRT)

Liant les réservoirs LH2 et LOX, l’intertank abrite l’avionique et l’électronique qui contrôleront la fusée en vol. Les unités avioniques de l’étage central SLS travaillent avec le logiciel de vol pour exécuter diverses fonctions pendant les huit premières minutes de vol : navigation, communication avec le vaisseau spatial Orion et contrôle du fonctionnement des moteurs.

En tant que « cerveau » du SLS, la jupe avant (forward skirt) abrite les ordinateurs de vol, les caméras et divers équipements (routeurs, processeurs, alimentation, …) et logiciels qui contrôlent les fonctions et les communications de l’étage central.

Les SRB

Pendant le programme de la Navette Spatiale, les propulseurs à poudre, ou Solid Rocket Boosters (SRB) ont été récupérés par parachute. SLS les réutilisent.

La principale différence physique entre les SRB de la Navette et les propulseurs du SLS est l’ajout d’un cinquième segment permettant au nouveau lanceur de la NASA de soulever plus de poids que la Navette. De plus, le booster SLS sera optimisé pour un usage unique, tandis que le booster navette a été conçu pour être réutilisé. Bien que basé sur le booster de navette, le booster SLS bénéficie de plusieurs améliorations de conception, de processus et de test pour une performance, une sécurité et un prix plus élevés.

La jupe avant du booster abrite l’avionique du booster qui communique avec l’avionique de l’étage central du SLS pour surveiller le SRB et diriger la tuyère d’échappement des gaz du booster. La jupe arrière contient le système de contrôle du vecteur de poussée qui oriente la tuyère en fonction des commandes de l’avionique du propulseur. Le « nez » sert au profil aérodynamique du booster.

Sur le vol Artemis 1, la jupe arrière du booster gauche a volé sur la Navette Columbia STS-107, celle qui a été perdue lors de la rentrée atmosphérique le 1er février 2003. Au total, les pièces pour les boosters sur Artemis I ont un total de 97 vols de Navette Spatiale, 10 tests statiques et 9 pièces sont neuves.

Les SRB mesurent 54 mètres de haut, soit 17 étages et brûlent environ six tonnes de propergol par seconde. Chaque booster génère plus de poussée que 14 avions de ligne commerciaux Jumbo quadrimoteurs. Ensemble, les 2 boosters du SLS fournissent plus de 75 % de la poussée totale au lancement, pendant les 126 secondes de fonctionnement !

L’étage supérieur

L’étage supérieur du SLS est composé de l’ICPS pour Interim Cryogenic Propulsion Stage (étage de propulsion cryogénique intérimaire). Construit par United Launch Alliance et Boeing, l’ICPS pour la version SLS Block 1 peut envoyer 27 tonnes de charge utile pour les missions lunaires.

Basé sur le deuxième étage cryogénique Delta utilisé avec succès sur la famille de fusées Delta IV de United Launch Alliance et propulsé par un moteur Aerojet Rocketdyne RL10 à ergols LOX/LH2 (oxygène/hydrogène liquides). Les modifications pour SLS comprennent l’allongement du réservoir d’hydrogène liquide, l’ajout de bouteilles d’hydrazine pour le contrôle d’attitude, des modifications mineures de l’avionique et un évent et une soupape de décharge d’hydrogène liquide modifiés qui prennent en charge le redémarrage du moteur en vol RL10.

L’ICPS mesure 13,7 m de haut et 5,1 m de diamètre, c’est son moteur qui fera l’injection trans-lunaire du vaisseau spatial Orion.

L’ICPS est partiellement enfermé par le Launch Vehicle Stage Adapter (LVSA, ou adaptateur d’étage de lancement de véhicule), qui dispose d’un système de séparation qui se déclenche pour se séparer avec l’étage central de l’ICPS, de l’adaptateur d’étage Orion et du vaisseau spatial Orion.

Le LVSA sert d’interface entre l’étage central plus grand en dessous et l’adaptateur d’étage Orion plus petit au-dessus, en acheminant des circuits électriques et de communication.

Au-dessus de l’ICPS, l’Orion Stage Adapter (adaptateur d’étage Orion) connecte le vaisseau spatial Orion au SLS.

L’adaptateur d’étage Orion mesure 5,5 m de diamètre sur 1,5 m de haut et est fabriqué en aluminium léger. L’adaptateur contient un diaphragme qui fournit une barrière pour empêcher les gaz, tels que l’hydrogène, générés lors du lancement d’entrer dans Orion.

Cet adaptateur Orion transportera également les charges utiles secondaires du vol Artemis I [à lire dans un article dédié sur Artemis 1].

Après le déploiement du vaisseau spatial Orion, puis des charges utiles secondaires, l’adaptateur d’étage Orion restera attaché à l’ICPS et entrera dans une trajectoire héliocentrique en tant que débris sidéral.

Le vaisseau spatial Orion est la charge utile principale du SLS. Construit sous la maîtrise d’œuvre de Lockheed Martin, il est composé d’un module d’équipage pour 4 personnes, d’un module de service fourni par l’ESA et d’un système d’abandon de lancement [Le vaisseau Orion fera l’objet d’un article dédié – Abonnez-vous !]

Des tests cruciaux menés avec difficultés

A toutes les étapes de fabrication du SLS, de nombreux tests ont été effectués par les différents constructeurs à la fois sur des modèles d’essai ou les modèles de vol : tests de résistances des soudures, tests de pression, tests électriques, aérodynamiques et thermiques, tests de simulation des logiciels de bord, etc…

Lorsque certaines de ces étapes ne donnaient pas les résultats escomptés, des modifications ont été apportées au sous-système concerné, entraînant des surcoûts et des retards au programme.

Ce fut le cas notamment des tests « green run » qui constituaient la dernière étape d’essais avant l’autorisation d’assemblage final du lanceur au Kennedy Space Center.

Le dernier des 8 tests consistait en l’allumage des 4 moteurs RS-25 de l’étage central d’Artemis 1 sur un banc de test en janvier 2021, pendant un peu plus de huit minutes, le même temps qu’il faudra pour envoyer la fusée dans l’espace après son décollage. Mais celui-ci ne se passa pas très bien [lire les actualités de janvier 2021] et un nouveau test a dû être refait.

Au 18 mars 2021, l’essai était concluant et le Go était donné quelques jours après pour le départ pour l’intégration de l’étage central au Kennedy Space Center en Floride.

La phase finale d’assemblage

À l’intérieur de l’emblématique bâtiment d’assemblage ou VAB (Vehicle Assembly Building) qui a vu passer les Saturn V des missions Apollo et les Navettes Spatiales, les équipes de la NASA et les industriels impliqués ont empilé les différents éléments de la fusée sur sa plateforme de lancement mobile. Le bâtiment et la plateforme mobile, ou crawler, ont été spécialement aménagés pour accueillir le SLS et le vaisseau spatial Orion.

L’assemblage a commencé par les boosters à propergol solide. Le premier segment a été installé le 21 novembre 2020 et l’assemblage final du nez a été effectué le 2 mars 2021. Avant l’arrivée de l’étage principal, il y a eu l’installation et le test des systèmes électriques et pyrotechniques.

Après la fin des essais moteurs de l’étage central, celui-ci a été amené au VAB et installé entre les 2 SRB.

Puis c’est le tour du Launch Vehicle Stage Adapter (LVSA) :

Suivi de l’ICPS :

Avant l’installation du vaisseau Orion et des charges utiles secondaires, divers tests ont été effectués pour s’assurer que la fusée pouvait communiquer correctement avec les équipements des systèmes au sol qui seront utilisés pour le lancement. Des tests de retrait de tous les ombilicaux (câbles électriques, alimentation en carburants ou système de refroidissement) ont également été réalisés :

Pendant ce temps, le vaisseau Orion est assemblé avec le système d’évacuation d’urgence ou LAS (Launch Abort System). Bien qu’il n’y ait pas d’équipage sur l’Artemis I, le LAS collectera les données de vol pendant l’ascension vers l’espace, puis se séparera du vaisseau.

Orion est finalement installé sur le SLS le 20 octobre 2021.

De novembre 2021 à février 2022, des tests sont effectués sur l’ensemble du lanceur SLS et du vaisseau, et sur les systèmes sols : vérification des interfaces, des systèmes de communications.

A l’étape 3, ce sera le roulage vers le pas de tir pour une répétition générale !

Et maintenant, répétition générale !

Le 16 mars 2022, on a enfin le lanceur visible dans sa totalité dans le VAB :

Le 19 mars, le lanceur est amené sur le pas de tir LC-39B :

En ce début avril, il s’agit d’effectuer plusieurs tests en conditions réelles d’un lancement : le Wet Dress Rehearsal.

Il s’agit d’une répétition qui permettra aux équipes en charge du lancement Artemis I d’effectuer diverses opérations :

• Connexions entre le lanceur et les systèmes sols : systèmes de remplissage en carburants, systèmes de communication, système d’alimentation électrique, …
• Connexions des différentes équipes de lancement :
  • Launch Control Center de Kennedy en charge du lanceur
  • Mission Control Center du Johnson Space Center de la NASA à Houston en charge des charges utiles du lanceur (Orion et les cubesats),
  • Space Force Eastern Range en charge de la sécurité du vol (zone dégagée par exemple)
  • SLS Engineering Support Center du Marshall Space Flight Center de l’agence à Huntsville en Alabama en charge du support aux opérations du lanceur
• Compte à rebours de lancement complet avec remplissage des réservoirs de carburants du lanceur (séquence complète)
• Démontrer la capacité de faire des arrêts dans le compte à rebours et de le reprendre
• Vider les réservoirs du réservoir
• Répéter des procédures et vérifier le timing des opérations

Cette répétition générale s’arrête une fois que les contrôleurs de vol ont atteint le point juste avant que les moteurs RS-25 de la fusée ne s’allument le jour du lancement. Ils reviendront jusqu’au point T-10 minutes, puis reprendront le compte à rebours une fois de plus après une attente. L’équipe arrêtera ensuite délibérément le compte à rebours environ 10 secondes avant le décollage simulé pour démontrer l’arrêt d’un lancement et la vidange des propulseurs de la fusée. Parfois appelé « scrub« , les contrôleurs de vol peuvent décider de ne pas procéder au lancement si un problème technique ou météorologique survient pendant ou avant le compte à rebours, ainsi démontrer la capacité de ne pas allumer les moteurs garantira que les équipes sont préparées pour divers scénarios de jour de lancement. A noter qu’une fois les SRB allumés, comme ils sont à poudre, on ne peut plus les arrêter.

Plusieurs jours après cette répétition générale, le SLS et Orion seront ramenés au bâtiment d’assemblage. Dans le VAB, les techniciens supprimeront les capteurs spécifiquement utilisés pour la surveillance pendant la répétition, chargeront les batteries d’Orion et d’autres systèmes, et effectueront les vérifications finales sur plusieurs éléments.

La NASA examinera les données de la répétition avant de fixer une date de lancement pour Artemis I. 

Orion et SLS d’Artemis 1 rouleront vers la rampe de lancement pour une dernière fois environ une semaine avant le lancement.

Artemis I : le premier lancement du SLS avec Orion

Artemis I est une première mission sans équipage visant à démontrer l’efficacité du lanceur SLS.

Ce premier vol embarquera le vaisseau spatial Orion sans équipage. La mission d’environ trois semaines se rendra à des milliers de kilomètres au-delà de la Lune. À la fin de la mission, les systèmes d’Orion seront surveillés pour que se déroulent sans anicroche la rentrée atmosphérique, l’amerrissage et la récupération du module d’équipage. [On en reparlera sur le blog évidemment !]

Ce vol inaugural est annoncé à ce jour pour un décollage entre le 6 et le 16 juin, avec une autre fenêtre de lancement du 29 juin au 12 juillet. A suivre !

Envoyez votre nom en orbite !

Lors de ses grandes missions, la NASA invite le public à y participer virtuellement en envoyant son nom à bord de la sonde ou, ici à bord du lanceur SLS.

Vous pouvez dès à présent vous enregistrer pour le vol. C’est très simple : allez sur le site https://www.nasa.gov/send-your-name-with-artemis, cliquez sur « get boarding pass« , puis enregistrez votre prénom (first name) et votre nom (name), ainsi qu’un code de 4 à 7 chiffres pour retrouver votre carte d’embarquement plus tard.

On se retrouve dans des articles à venir pour vivre cette première mission Artemis !

Sources : site Boeing et NASA