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L'astronautique

Buran et l'ATV (V)

Côté soviétique, la navette spatiale Buran (Bourane) connut un triste sort. Les Soviétiques y pensaient depuis les années 1950 à des fins militaires. "Tempête de neige", telle est son nom, est à l'image de la navette spatiale américaine dont les secrets de fabrication seront subtilement détournés par Internet alors qu'il n'était encore qu'un petit réseau de communications accessible aux chercheurs... et aux espions.

Buran fut construite par la société MiG qui sous-traita le projet à la firme Molniya créée pour l'occasion. Sa construction débuta en 1976, les autorités se donnant pour objectif de l'inaugurer en 1984. Le mot d'ordre était clair : faire mieux que les Américains.

Buran fut construire en trois exemplaires opérationnels et cinq autres destinés aux tests. Mais si elle pouvait voler en dehors de l'atmosphère encore fallait-il trouver un moyen de l'y envoyer. Les ingénieurs soviétiques proposèrent de construire une nouvelle fusée "Energia" qui porterait l'Orbiter et qui est pratiquement équivalente au tank externe américain, mais en mieux.

Deux projets soviétiques, deux échecs. A gauche, Buran, un vol plané parfait mais dure sera la réception. Aujourd'hui Buran est exposée dans le parc d'attraction Gorki à Moscou et se visite pour quelques roubles. A droite, le prototype (concept) Kliper soviétique abandonné en 2006. Documents NASA/MSFC/RSA et RSA.

Capable de soulever une charge plus lourde que le modèle américain, Energia utilisa également du fuel liquide qui est de loin plus sécurisant tout en permettant d'économiser de la place pour le frêt, mais il est beaucoup plus cher. Précisons que si la NASA n'avait pas eu de contraintes budgétaires, les deux équipages des navettes spatiales Challenger et Columbia n'auraient jamais été perdus.

En 1986, Buran avait déjà trois ans de retard sur le planning lorsque ses ailes arrivèrent au site de lancement et d'assemblage de Baikonour. Après la résolution des problèmes d'assemblages, de perte d'hélium et autres malfonctions il fallait encore tester la fusée Energia en charge. Les ingénieurs espéraient clore le projet pour 1987. Trois équipes d'ingénieurs se succèderont et finalement le premier vol d'essai fut réalisé en 1988.

Toute auréolée de sa gloire, Buran fut présentée au Salon du Bourget en 1989 sur le dos d'un Antonov An-225 (cf. cette vidéo).

La navette Buran OK-TVA exposée au centre d'exposition VDNH de Moscou.

Malheureusement, son nom était prémonitoire. Prise dans la tempête politique qui allait secouer et démembrer l'Union Soviétique, Buran ne put échapper à la crise et fut abandonnée faute d'argent.

Sur les huit navettes de test et de production ayant été construites, deux voire trois navettes furent détruites mais cinq autres ont été conservées. Deux sont entreposées à l'usine Energiya (OK-ML destinée aux tests statiques et OK-KS destinée aux tests d'intégrations) et une à Baïkonour (OK-MT, une maquette d'ingénierie) tandis qu'une quatrième (OK-TVA destinée aux tests statiques) présentée à gauche fut exposée au parc Gorki de Moscou avant d'être restaurée et présentée au centre d'exposition VDNH de Moscou où elle reçoit un peu plus d'attention.

La cinquième navette (OK-GLI), la seule qui vola, après avoir été abandonnée par un acheteur australien dont l'entreprise tomba en faillite, fut rachetée en 2004 par le Technik Museum Speyer d'Allemagne où elle fut restaurée et est exposée depuis 2008.

Moralité de l'histoire, si l'espionnage industriel peut épargner des années de recherches et beaucoup d'argent à son commenditaire, bien mal acquis ne profite jamais.

La Russie imagina ensuite construire une petite navette appelée Kliper, initialement prévue pour remplacer les modules Soyouz. Mais suite à la décision des Etats-Unis d'annuler le programme des navettes spatiales et d'investir dans le projet "Crew Exploration Vehicle" (CEV), l'agence Roskosmos (RSA) annonça en juillet 2006 l'annulation du programme Kliper.

En fait, il semble que la Russie souhaite de plus en plus coopérer avec l'ESA en participant notamment au programme "Advanced Crew Transportation System", ACTS, également appelé "Euro-Soyouz" destiné aux missions vers la station ISS. Le projet fut à l'étude jusqu'en 2008. A l'époque, on envisageait la participation du Japon mais il ne réalisa qu'une mission en 2009. Consultez cet article de la Planetary Society ainsi que ce fichier PDF (7 MB) de Belspo pour plus de détails.

Entre-temps, le Japon abandonna en 2003 son projet de navette spatiale "Hope-X" longue de 14 mètres pour se concentrer sur les satellites et l'exploration spatiale.

La fusée Ariane et ses concurrentes

De son côté le projet de navette spatiale européenne "Hermès" fut abandonné en 1992 au bénéfice d'un programme humanitaire. L'Agence Spatiale Européenne a malgré tout gagné son pari; Ariane est plus forte que jamais. Elle est capable de jouer la carte de la concurrence avec ses rivaux Américains, Russes ou Japonais et son carnet de vol est réservé à plusieurs années d'avance.

L'avenir se joue déjà aujourd'hui avec le programme Ariane 6 dans lequel l'Europe a investi 8 milliards d'euros sur 10 ans. C'est le concurrent direct du programme américain COTS (acronyme de Commercial Orbital Transportation Services) actuellement développé par la NASA en collaboration avec le secteur privé dont l'entreprise Space X d'Elon Musk et son lanceur Falcon 9 complété par le module cargo Dragon.

A voir : Ariane 6 - Les chiffres clés (Infographie du CNES)

A gauche, la fusée Ariane 5 (3e vol d'essai D503 en 1998) : fer de lance de l'Europe spatiale, elle a acquis du poids et de la maturité. C'est aujourd'hui le premier lanceur mondial avec une moyenne d'un lancement tous les 2 mois. Juste à sa droite, vue éclatée d'une configuration possible de la fusée Ariane 6 dont le premier vol de la fusée est planifié vers 2020. A droite du centre, ses concurrents, la fusée américaine Titan 4B (en 2004, emportant le satellite DSP-22) et la fusée russe Proton K (en 2000, emportant le module Zvezda vers la station ISS). Documents ESA, ESA/D.Ducros, Pat Corkery/Lockheed Martin et NASA.

Comparé à un lancement depuis le cosmodrome de Baïkonour, la Guyane a l'avantage de se situer à seulement 5° au nord de l'équateur où la vitesse de rotation de la Terre est la plus élevée. Ainsi, à Baïkonour la vitesse de rotation de la Terre est de 1160 km/h alors qu'elle atteint 1670 km/h à Kourou. Cette configuration permet à l'ESA de placer des charges en orbite en utilisant deux fois moins d'énergie que depuis le site de lancement russe. Autrement dit, un Soyouz qui serait lancé depuis Kourou pourrait emporter une charge de 3 tonnes en orbite géostationnaire contre seulement 1.7 tonne à Baïkonour, rendant le site de Kourou très intéressant pour de nombreux clients.

L'ATV "Jules Verne"

Pour conserver son indépendance vis-à-vis des Etats-Unis ou de la Russie et en prévision du déclassement des navettes spatiales, le 9 mars 2008, la fusée européenne Ariane 5 lança avec succès son Véhicule Automatique de Transfert ou ATV baptisé « Jules Verne », le premier vaisseau ravitailleur européen destiné à la station ISS.

Ce vaisseau-cargo est le premier vaisseau non habité capable de s'amarrer automatiquement à la station ISS sans aucune intervention humaine grâce à un téléguidage par GPS et laser.

Ultra-sophistiqué, l'ATV (Automated Transport Vehicle) contient des réserves d'eau, des vivres, du carburant et du matériel scientifique pour la station ISS, à laquelle il reste attaché pendant six mois. Selon l'ESA, l'ATV est le "véhicule le plus lourd et le plus complexe jamais réalisé par l'Europe [...] L'arrimage d'une charge de 20 tonnes avec un complexe orbital de la taille de l'ISS, cela ne s'est encore jamais fait ! ", a déclaré Jean-Jacques Dordain, le directeur général de l'ESA.

Développé depuis 1995 par le groupe européen EADS-Astrium Space Transportation, l'ATV est un cylindre métallique de 10 m de long et de 4.50 m de diamètre, suffisamment vaste pour contenir un bus londonien à deux étages ! Près de la moitié de son poids soit 9.5 tonnes sont consacrées au fret, ce qui représente trois fois plus que les actuels cargos russes Progress. L'ATV a coûté 1.3 milliard d'euros.

Illustrations artistiques de l'ATV "Jules Verne" de l'ESA sous différents angles. Il est entré en service le 9 mars 2008. Documents CNES et ESA.

Pour assurer ce vol, la fusée Ariane 5 a été spécialement équipée d'un moteur qui s'alluma deux fois pour placer le vaisseau sur l'orbite adéquate à environ 300 km d'altitude.

L'ATV est propulsé par quatre moteurs lui permettant de rejoindre la station ISS en moins de 6 heures (depuis 2012). Une fois amarré au module russe Zvezda situé à l'arrière de la station ISS, l'ATV fait partie intégrante de la station orbitale. Outre la fonction de ravitaillement, grâce à ses moteurs, il peut rehausser l'altitude de la station ISS qui a tendance à décroître avec le temps. Comme l'ancien module russe Progress, au bout de six mois, rempli de tonnes de déchets, l'ATV est largué et se désintègre au-dessus du Pacifique. L'ESA lança quatre autres ATV jusqu'en 2015.

En 2013, un accord fut signé entre l'ESA et la NASA concernant la collaboration de l'agence spatiale européenne au dévelopement du vaisseau Orion qui devrait également assurer les missions de l'AVT et transporter des astronautes vers la station ISS à partir de 2017.

On reviendra dans un autre article sur les fusées et vaisseaux spatiaux américains où nous décrirons les fusées Falcon de Space X, le lanceur SLS, la capsule Dragon et le vaisseau Orion.

Les projets "X" et les petites navettes de ravitaillement

Si nous voulons que l'exploration de l'espace devienne un jour de la routine et soit aussi simple et fiable que prendre un avion, les ingénieurs ont encore de gros progrès à accomplir.

Nous verrons plus loin que les astronautes ont payé très cher leur soif de conquérir le ciel. La cause de ces accidents tragiques s'explique par la manière dont l'homme explore l'espace : elle est encore très inefficace et très risquée. Non seulement, la méthode de lancement est encore basée sur la force brute avec l'utilisation de pergols très dangereux car explosifs, mais le retour sur Terre en capsule spatiale exploite une technologie primitive. Se greffe sur ces défauts de jeunesse, le coût exhorbitant des missions spatiales du fait que pratiquement aucun lanceur n'est récupérable.

Pour éliminer ou contourner ces risques et ces problèmes, nos experts doivent inventer des systèmes plus fiables, plus rentables et donc plus faciles à construire. A terme, le gros avantage sera de pouvoir fabriquer des lanceurs fiables en grande série, la seule façon de démocratiser l'accès à l'espace.

L'industrie aérospatiale développe autant des avions furtifs que des chasseurs de nouvelle génération, des satellites ou des transporteurs hypersoniques parmi d'autres projets, souvent tenus secret parfois durant plus de dix ans pour des raisons stratégiques ou commerciales.

Parmi les projets d'avions spatiaux, il faut bien entendu citer la défunte navette spatiale américaine. Plus récemment, d'autres projets ont vu le jour autour des avions-fusées mais très peu ont dépassé le stade de la maquette ou des tests pour des raisons à la fois liées au coût et aux difficultées rencontrées. Citons le projet britannique HOTOL (HOrizontal TakeOff and Landing) inventé dans les années 1980 et abandonné dans les années 1990, l'avion spatial Skylon à moteur à réaction SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) inspiré de l'HOTOL, le projet européen LAPCAT, le projet DC-X Clippergram de McDonnel Douglas abandonné en 1997 ainsi que les fameux projets "X" sur lesquels l'aéronautique comme l'astronautique fondent beaucoup d'espoirs. Décrivons quelques uns d'entre eux.

A lire : Un avion peut-il voler dans toute l'atmosphère ?

Ci-dessus à gauche, le projet X-30 de Rockwell qui fut abandonné en 1993. A droite, le X-43A Scramjet hypersonique de la NASA qui réussit son premier vol d'essai en mars 2004, atteignant Mach 9.6 (11250 km/h). Ci-dessous à gauche, illustration de la petite navette X-33 de Lockheed Martin et la nouvelle navette Dream Chaser que l'entreprise Sierra Nevada Corp. a proposé à la NASA pour assurer le transport des astronautes et du frêt vers la station ISS. Cette navette se place au sommet d'une fusée. Ses concurrents sont SpaceX et Orbital ATK. Documents National Aerospace, NASA-DFRC, NASA/KSC et Space.com.

Idéalement, l'avion spatial est un transporteur hypersonique pouvant atteindre 80 km d'altitude (contre 22 km pour le X-15) et capable d’effectuer le tour de la Terre en 45 minutes. Projet très ambitieux, très coûteux mais aussi très difficile à mettre en oeuvre compte tenu des problèmes liés à un vol en atmosphère raréfiée, les problèmes aérodynamiques d’un vol hypersonique à plus de mach 6 et des problèmes liés aux bombardements corpusculaires.

A ce jour, les projets "X" comme le X-34 et autres véhicules réutilisables légers (LRV) se succèdent chez Lockheed Martin Skunk Works, McDonnell Douglas, Boeing, Northrop Grummann et autre Rockwell mais aucune décision n'a encore été arrêtée. Seuls succès, le X-43A alias "Hyper X" a réussi son premier vol d'essai en mars 2004 et en 2006 Lockheed Martin remporta le contrat préliminaire pour la construction du vaisseau Orion.

En fait, la NASA a tiré les leçons des tragédies de la navette spatiale et est temporairement revenue à son lanceur classique : une fusée chapeautée soit par une petite une navette (par ex. le Dream Chaser de Sierra Nevada) ou par une capsule autonome, le CEV Orion, un module de commande hybride tirant avantage de la polyvalence de la navette spatiale et de la sécurité de la capsule Apollo, rendant le système beaucoup plus fiable et robuste qu'une navette spatiale tout en étant plus économique. L'ère des avions-fusées est donc reportée à une date indéterminée et probablement postposée de plusieurs générations. Nous aurons de la chance si nos petits-enfants pourront en profiter vers 2100.

L'ascenseur spatial

A l'image du propulseur Mass driver, le projet d'ascenseur spatial revient à l'avant-scène depuis qu'il est question de coloniser la Lune et de trouver une solution économique au remplacement des navettes spatiales.

L'ascenseur spatial est une idée inventée par Arthur C.Clarke en 1978 dans son roman "Les Fontaines du Paradis" dans lequel il décrit un transporteur spatial érigé au niveau de l'équateur. Il consiste en un immense ruban plat de 35000 km de longueur pour 20 cm à 1 mètre de largeur et une fraction de millimètre d'épaisseur. Décrit ainsi cela paraît délirant, mais en vertu des lois de la mécanique et de l'attraction gravitationnelle, ça fonctionne.

Plusieurs versions ont été proposées. Dans l'une, en raison des effets de la force centrifuge, du déplacement des charges utiles et du vent, il serait complété par un contre-poids qui pourrait s'étendre jusqu'à 144000 km, soit plus d'un tiers de la distance Terre-Lune.

Illustrations artistiques de l'ascenseur spatial (space elevator). Documents Pat Rawlings et Glenn Clovis.

Dans sa version la plus récente, l'ascenseur spatial utiliserait des nanotubes de carbone ou CNT à paroi simple ou multiples, sa force de tension étant comprise entre 65 et 120 GPa, ce qui est 20 fois plus résistant qu'un câble en acier et 6 fois plus résistant qu'un câble en fibre de quartz. Son centre de gravité se situerait au niveau de l'orbite géostationnaire vers 35786 km et il se maintiendrait sous l'effet de la force centrifuge comme une corde que l'on ferait tourner au bout du bras.

Une plate-forme mobile y serait fixée afin de transporter sur orbite ou vers la Lune n'importe quelle charge utile. La plate-forme se déplacerait non pas au moyen de câbles pour des raisons techniques mais en s'accrochant sur le ruban avec des mâchoires mobiles.

Financièrement, l'ascenseur spatial coûte aussi cher que le programme des navettes spatiales mais c'est en revanche un outil très rentable. A l'heure actuelle la mise en orbite d'un kilo de charge utile coûte entre 15000 et 20000 dollars. Avec l'ascenseur nous parlons d'un budget de quelques centaines de dollars seulement.

Ce projet ainsi que le propulseur "Mass driver" verront probablement le jour d'ici un siècle, tout dépendant des progrès technologiques, des sources de financement et de la stratégie à long terme des sponsors (nations ou mécènes) impliqués dans ces projets futuristes mais loin d'être chimériques.

Une promesse en l'air

Si l'invention a probablement de l'avenir, avant de lancer le projet il y a quelques problèmes à résoudre. D'abord quel matériau faut-il utiliser pour fabriquer le câble de l'ascenseur ? Il est impossible d'utiliser de l'acier car il s'effondrerait sous son propre poids (la masse volumique des CNT est de 1.3 à 1.6 g/cm3 contre 7.5 à 8.0 g/cm3 pour l'acier soit 5 à 6 fois plus lourd). Comme évoqué plus haut, les nanotubes de carbone semblent prometteurs, mais nous ne possédons pas d'usine capable d'en produite en grande quantité (nous avons besoin d'environ 36000 km de câble...).

Le géant allemand Bayer ferma son usine de production de CNT de Leverkusen en 2013. Trois ans plus tôt, il avait investi plus de 20 millions d'euros et était capable de produire 200 tonnes de nanotubes chaque année. Le problème est que les propriétés observées à l'échelle nanoscopique ne sont pas toujours au rendez-vous à l'échelle macroscopique. De plus, le transfert technologique du laboratoire aux applications industrielles n'a pas été réalisé. Pour un industriel, un investissement doit être rentable et une promesse ou un rêve américain n'est pas synonyme de bénéfice. Bayer a donc abandonné face au manque de volonté politique.

L'ascenseur spatial selon Obayashi Corp. et Frans Blok.

Il existe bien entendu d'autres entreprises dans le monde fabricant des nanotubes de carbone. Actuellement, le prix le plus bas de la poudre de CNT est d'environ 1000$/g chez Raymor au Canada mais il faudra encore quelques années de recherches pour améliorer le produit, encore faut-il que le monde politique se décide à investir dans un tel projet.

Les risques

Il faut d'abord s'assurer que les fournisseurs de nanotubes de carbone livrent un produit de qualité identique tout au long du projet et ensuite pendant la maintenance de l'ascenseur spatial. Car certains types de nanotubes sont moins rigides ou moins résistants que d'autres. Ainsi certains nanotubes se brisent sous une traction supérieure à 45 GPa, d'autres au-delà  de 63 GPa. Même si c'est déjà 50 fois plus élevé que l'acier, si le cahier des charges fixe le seuil de rupture à 120 GPa, on ne peut pas faire d'économie sur la qualité des composants au risque de s'exposer à un accident équivalent à celui de l'impact d'une météorite !

De plus, comment s'assurer que l'installation résistera aux cyclones et aux tempêtes tropicales qui comme en septembre 2017 se sont mises à trois pour frapper les Antilles (cf. cette image). L'installer dans la partie sud-est des Etats-Unis comme en Floride par exemple ou dans le Golfe du Mexique est donc trop risquée. Il faut aussi éviter les zones sismiques comme l'Amérique centrale. Dans ces conditions, l'installation doit être érigée à l'écart du couloir emprunté par les cyclones et la mousson et loin des tremblements de terre. Les seules zones de calmes relatifs près de l'équateur sont la bande équatoriale de l'Afrique, l'Atlantique au large de l'Afrique de l'ouest et l'Océan Indien. L'alternative serait de l'installer au large de la Guyane française ou du Brésil ou dans le Pacifique sud au large de la Colombie.

Ensuite, à grandes distance de la Terre s'ajoute le risque de collision avec les météorites ou les débris de satellites. Enfin, à ces altitudes il faut s'assurer que les passagers pourront voyager en toute sécurité à l'abri du rayonnement des Ceintures internes de Van Allen et des CME éjectées par le Soleil. Si on peut prévoir l'arrivée d'une CME et des tempêtes géomagnétiques quelques jours à l'avance ainsi que les essaims de météores, il est pratiquement impossible de prévoir l'arrivée d'une petite météorite. Seuls les quelques dizaines de milliers de débris spatiaux sont surveillés ainsi que les trajectoires des grands astéroïdes (à partir de quelques mètres de diamètre).

Enfin, il faut tenir compte du risque lié aux conflits politiques et religieux. L'ascenseur spatial est une cible idéale pour les terroristes comme Kim Stanley Robinson le décrit dans son roman "Mars la Rouge" (Red Mars, 1992).

Le propulseur Mass driver par Rick Guidice.

Certains scientifiques, tel Bradley C. Edwards de l'Institute for Scientific Research envisageait la construction de l'ascenseur spatial dès 2015 pour un investissement de 10 milliards de dollars, soit 2.5 fois le prix d'investissement d'une nouvelle navette spatiale. Il oubliait toutefois de préciser que pour construire cet ascenseur nous devons organiser plus de mille missions spatiales et disposer d'une véritable flotte de vaisseaux spatiaux réutilisables... Aussi en attendant, son employeur ainsi que le Congrès lui ont accordé un budget de 3 millions de dollars pour réfléchir à la question.

Compte tenu des aléas de tels programmes, il s'agit plutôt d'un appel aux mécènes comme il y en eut pour construire le VLT, le radiotélescope Allen de l'Institut SETI ou assurer la survie du projet Biosphère 2. Car une fois le plan financier établi et le budget voté, il faut non seulement construire cette structure mais il faut s'en servir, veiller à sa sécurité et assurer sa maintenance. Or à l'heure actuelle, ni la NASA ni aucune autre agence spatiale ne peut garantir la survie de tels projets qui dépendent de la manne financière du pouvoir public. Déjà aujourd'hui la NASA réchigne à réparer des satellites performants (comme ce fut le cas pour Hubble) pour une question de sécurité ou de changement de politique. Ceci dit restons optimistes, un jour ou l'autre l'ascenseur spatial prendra son envol par nécessité, comme depuis peu, le tourisme spatial est une réalité.

Dernier chapitre

Demain, la Lune et au-delà

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