Space Launch System

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Space Launch System
Lanceur spatial
Vue d'artiste du SLS bloc 1 sur son pas de tir.
Vue d'artiste du SLS bloc 1 sur son pas de tir.
Données générales
Pays d’origine Drapeau des États-Unis États-Unis
Constructeur Boeing, United Launch Alliance, Northrop Grumman, Aerojet Rocketdyne
Premier vol 2021
Hauteur 98−111 m
Diamètre 8,4 m
Masse au décollage Bloc 1 : ~2 628 tonnes
Bloc 1B : ~2 948 tonnes
Étage(s) 2
Poussée au décollage 32 MN
Base(s) de lancement LC-39, Centre spatial Kennedy
Charge utile
Orbite basse Bloc 1 : 70 tonnes
Bloc 1B : 97,5 t.
Bloc 2 : 130 tonnes
Orbite lunaire Bloc 1 : 26 tonnes
Bloc 1B : 37 tonnes
Orbite héliocentrique Bloc 2 : 45 tonnes
Motorisation
Ergols LOX/LH2
Propulseurs d'appoint 2 SSRB (5 segments)
1er étage 4 RS-25 D/E
2e étage Bloc 1 : 1 RL-10B2
Bloc 1B : 4 x RL-10
Bloc 2 : 1 x J-2X
Missions
Missions lunaires avec équipage.
Missions robotiques interplanétaires lourdes.

Le Space Launch System ou SLS est un lanceur spatial super-lourd américain développé par la NASA depuis 2011 et dont le premier vol est planifié pour 2021. Le SLS joue un rôle central dans le programme Artemis dont l'objectif est d'envoyer des équipages à la surface de la Lune et préparer les futures missions habitées vers Mars. Cette fusée sera chargée d'injecter le vaisseau Orion transportant l'équipage sur une trajectoire à destination de la Lune.

L'architecture du lanceur, similaire à celle de l'Ares V abandonné après l'arrêt du programme Constellation, reprend en les adaptant des composants utilisés par la navette spatiale américaine (propulseurs d'appoint, réservoir de la navette, moteurs-fusées SSME/RS-25) et dans sa version Bloc 1 l'étage supérieur du lanceur Delta IV. Plusieurs versions sont envisagées (bloc 1, 1B et 2) avec une capacité de mise en orbite terrestre basse s'échelonnant entre 70 tonnes et 130 tonnes. La version bloc 1, pouvant lancer 28 tonnes vers la Lune, est caractérisée par son deuxième étage IPCS propulsé par un unique moteur RL-10 B2. Courant 2020 seule cette version est développée. Aucun budget n'est disponible pour finaliser les versions 1B et 2 principalement caractérisées par un deuxième étage et des propulseurs d'appoint plus puissants.

Le développement de la fusée SLS est lancé en 2011 à la demande du Congrès américain alors que la NASA n'a exprimé aucun besoin précis. Le coût initial du projet est évalué à 10 milliards US$ avec un premier vol prévu en 2017. Les glissements de ce calendrier, les importants dépassements budgétaires qui touchent également l'adaptation des installations de lancement du complexe de lancement 39 en Floride ainsi que le développement de lanceurs commerciaux de forte puissance remettent en question la nécessité d'un lanceur dont le cout unitaire de production approche le milliard de US$.

Contexte[modifier | modifier le code]

Le retour des projets lunaires et du lanceur lourd[modifier | modifier le code]

En 2004, le président George W. Bush, rend publics les objectifs à long terme qu'il souhaite assigner au programme spatial américain alors que l'accident de la navette spatiale Columbia vient de clouer au sol la flotte de ces engins vieillissants et que le sort de la station spatiale internationale, dont l'achèvement approche, est en suspens. Le projet présidentiel Vision for Space Exploration veut replacer l'Homme au cœur de l'exploration spatiale : le retour d'astronautes sur la Lune est programmé avant 2020 pour une série de missions destinées à préparer une éventuelle présence permanente de l'homme sur le sol lunaire et mettre au point le matériel nécessaire à de futures missions habitées sur Mars fixées à une échéance beaucoup plus lointaine[1],[2]. Cette fois ci, l'opinion comme le Congrès sont favorables au projet : le programme Constellation est alors mis sur pied par la NASA pour répondre aux attentes présidentielles. Il prévoit la construction de manière similaire au programme Apollo de deux vaisseaux habités - le vaisseau principal Orion et le vaisseau lunaire Altair - ainsi que de deux types de lanceur : le lanceur lourd Ares I chargé de placer en orbite le vaisseau Orion et le lanceur super-lourd Ares V de la classe du lanceur géant Saturn V chargé de placer en orbite le module lunaire[3]. La NASA utilise, en les adaptant, des moteurs-fusées développés pour la fusée Saturn V, les propulseurs à poudre de la navette spatiale ainsi que de nombreuses installations au sol remontant à l'époque du programme Apollo. Mais le programme prend du retard et se heurte à un problème de financement qui selon les plans initiaux, doit s'effectuer sans augmentation substantielle du budget global de la NASA[4]. Début , le président Obama annonce l'annulation du programme Constellation qui est confirmée par la suite[5],[6].

Abandon du programme Constellation et du lanceur lourd Ares V[modifier | modifier le code]

À la suite de son investiture, le président américain Barack Obama fait expertiser le programme Constellation par la commission Augustine, créée à cet effet le . Celle-ci conclut qu'il manque trois milliards de dollars par an pour atteindre les objectifs fixés[7] mais confirme l'intérêt d'une seconde exploration humaine de la Lune comme étape intermédiaire avant une mission habitée vers Mars[8]. Début février 2010, s'appuyant sur ce rapport, le président Barack Obama annonce l'annulation du programme Constellation. Trois motifs sont mis en avant : un budget en dépassement, le retard pris sur les échéances et l'absence d'innovations intégrées dans le projet[9],[10]. Cette décision donne un coup d'arrêt au développement du lanceur lourd Ares V dont l'architecture devait reprendre plusieurs composants développés pour la navette spatiale et qui était conçu pour placer 160 tonnes en orbite basse (le lanceur Saturn V ne pouvait placer que 118 tonnes). Les éléments repris sont le propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine allongé par ajout d'un cinquième segment, le premier étage qui utilise la structure du réservoir externe de la navette spatiale américaine avec un diamètre passant de 8,4 à 10 mètres de diamètre et qui est propulsé par six moteurs RS-68B utilisés pour la fusée Delta IV. Le deuxième étage EDS utilise, comme le premier étage, de l'oxygène et de l'hydrogène liquide. Il est propulsé par un moteur unique J-2X, dérivé du moteur J-2 du deuxième étage des lanceurs Saturn IB et Saturn V[11].

Renaissance du projet de lanceur lourd sous la pression des élus politiques[modifier | modifier le code]

La décision du président Obama s'accompagne d'un moratoire de cinq ans sur les développements du lanceur lourd entrepris par la NASA. Un budget de 3 milliards de dollars est toutefois alloué à la NASA pour mettre au point des technologies permettant d'abaisser le coût des systèmes de propulsion. En conséquence le projet de budget 2011 soumis par la Maison-Blanche au vote du Congrès américain ne prévoit plus aucune ligne budgétaire pour le développement d'un lanceur lourd[12]. Mais l'annulation du programme Constellation conjuguée avec le retrait programmé de la navette spatiale annonce une forte baisse de la charge de travail pour les industriels et les établissements de la NASA particulièrement impliqués dans le programme spatial habité et concentrés dans les États du sud des États-Unis : le centre de vol spatial Marshall dans l'Alabama, le centre spatial Johnson au Texas, le Stennis Space Center dans le Mississippi et le Centre d'assemblage de Michoud en Louisiane. Mettant en avant ce motif la Chambre des représentants et le Sénat votent avec une large majorité début 2010 un budget de la NASA 2011 amendé imposant le développement d'un lanceur lourd HLV (Heavy Lift Launch Vehicle). Selon les souhaits de ces élus, une première version capable de placer 70 tonnes en orbite basse doit voler dès décembre 2016 et prendre le relais de la navette spatiale américaine. La fusée doit constituer une solution de secours pour le programme spatial habité américain au cas où la réalisation des lanceurs commerciaux financés par la NASA pour desservir la station spatiale internationale dans le cadre du même budget n'aboutissait pas. La réalisation du lanceur lourd est associée à la poursuite du développement du vaisseau Orion (ou Multi-Purpose Crew Vehicle soit MPCV). Les élus demandent également qu'une deuxième version capable de placer 130 tonnes en orbite basse soit développée[13],[14].

Sélection d'une architecture réutilisant les composants de la navette spatiale[modifier | modifier le code]

Pour répondre aux attentes des représentants et des sénateurs américains la NASA lance une étude destinée à définir les caractéristiques du lanceur lourd demandé. Plusieurs architectures sont évaluées[15],[16] :

  • Deux des versions étudiées comportent un premier étage propulsé par des moteurs brulant un mélange kérosène/oxygène
  • La version retenue est celle qui a recours de la manière la plus systématique à des composants de la navette spatiale (architecture Shuttle Derived ou SD) : réservoir central, propulseurs d'appoint (toutefois allongé avec l'ajout d'un segment), cinq moteurs de la navette SSME/RS-25 plus performant que le RS-68 utilisé par l'Ares 5. Cette architecture avait été préconisée bien avant l'annulation du programme Constellation et du lanceur lourd Ares V par un groupe d'ingénieurs de la NASA et de passionnés sous l'appellation Direct (Jupiter). Cette configuration sans deuxième étage, baptisée Bloc 1, doit permettre de placer 100 tonnes en orbite basse et doit effectuer son premier vol en 2019. La version bloc 2 se différencie de la précédente par l'ajout d'un deuxième étage doit être propulsé par un unique moteur RS-25 pouvant être rallumé. Elle doit pouvoir placer 130 tonnes en orbite basse et être disponible en 2022. Enfin la version bloc 3 utilise des propulseurs d'appoint dont l'enveloppe est en matériau composite (à la place de l'acier) ce qui permet de porter la capacité en orbite basse à 150 tonnes. Son premier vol est prévu en 2026.

Lancement du projet SLS[modifier | modifier le code]

Le développement du lanceur, baptisé Space Launch System, est rendu officiel par l'administrateur de la NASA Charles F. Bolden le . L'architecture de la version Bloc 1 a été modifiée par ajout d'un étage IPCS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) directement dérivé de l'étage supérieur de la fusée Delta IV. Le premier vol est programmé en décembre 2017. Le Sénat a, entre temps, imposé que la version Bloc 1 ne soit utilisée que pour les deux premiers vols et que des propulseurs d'appoint améliorés (propulsion liquide ou solide) soit mis en œuvre sur les vols suivants. L'étage supérieur pourrait être l'IPCS (105 tonnes en orbite basse) ou un étage plus puissant (CPS) qui permettrait de placer jusqu'à 130 tonnes en orbite basse. Cette version, baptisée Bloc 1A doit voler à compter de 2023. Le développement du lanceur, du vaisseau Orion et des équipements au sol se monte à 18 milliars US$ sont 10 milliards US$ pour le lanceur[16],[15],[12].

Développement[modifier | modifier le code]

Construction et tests[modifier | modifier le code]

Le , une première évaluation valide le concept du SLS, permettant au projet de passer de la phase de conception à la phase de réalisation[17]. Le , la NASA a effectué le premier test d'un moteur RS-25 sur banc d'essais durant 500 secondes. En janvier 2013, la NASA signe un accord avec l'Agence spatiale européenne pour la fourniture par cette dernière du module de service du vaisseau Orion. Le développement de ce module rencontre rapidement des problèmes techniques et de masse mais l'ESA confirme à chaque que celui-ci sera près pour fin 2017. Un premier glissement de calendrier intervient fin 2014 : dans l'établissement le Michoud, la construction du VAC (Vertical Assembly Center) un gigantesque équipement qui doit permettre d'assembler les différents composants du premier étage, doit être complètement repris car les fondations ont bougé sous le poids cet ensemble. La nouvelle date du premier vo es fixée en juillet 2018. Le premier vaisseau Orion, sans son module de service, est lancé par une fusée Delta IV Heavy et effectue le 5 décembre 2014 un vol sans équipage de quatre heures et demi couronné de succès. L'ESA annonce qu'elle ne pourra livré le module de service comme prévu fin 2017. En les spécifications du lanceur du lanceur sont figées et validées dans le cadre d'une revue des spécifications (Critical Design Review ou CDS). La revue a permis de valider la capacité respective des versions Bloc 1 (70 tonnes), Bloc 1B (105 tonnes) et Bloc 2 (130 tonnes. Le premier étage des trois versions doit être identique. La version Bloc 1B se différencie du Bloc 1 par son deuxième étage : l'EUS, propulsé par quatre RL10-C2 et aux caractéristiques proches du Large Upper Stage proposé par Boeing, remplace l'IPCS. La version Bloc 2 est une version améliorée du Bloc 1B qui utilise des propulseurs d'appoint plus performants (ergols liquides ou propergol solide avec enveloppe en composite carbone). La fabrication des premiers éléments du lanceur peut-être lancée. Le prochain jalon est la certification des spécifications du lanceur avant son vol inaugural qui est programmée en 2017 avant le premier vol programmé en 2018[18],[19].

Cet exemplaire du réservoir d'hydrogène du premier étage assemblé avec la section inférieure (contenant le système de fixation des moteurs-fusées) et l'inter-réservoirs doit servir à des tests de structure.

Le propulseur d'appoint est testé à plusieurs reprises avec un dernier test en le 28 juin 2016. Les installations de la plateforme de lancement mobile ML-1 et du pas de tir 39B, qui ont été modifiées pour permettre le lancement du SLS sont testés pour la première fois en décembre 2019[20].

Le développement de la version Bloc 1B et de l'étage EUS en difficulté[modifier | modifier le code]

Il était prévu en 2016 que la version Bloc 1 du lanceur ne soit utilisée que pour le premier vol et que la version Bloc 1B, beaucoup plus puissante et caractérisée par son nouvel étage EUS, soit utilisée pour les vols suivants[21]. Mais le développement de l'étage EUS équipant la version Bloc 1B accumule les retards car Boeing, qui le construit mais est également chargé du premier étage, donne la priorité au développement de ce dernier qui rencontre de nombreuses difficultés. Le président Trump lance début 2019 le programme Artemis qui doit ramener des astronautes américains sur la Lune. Le version Bloc 1B, qui répondait uniquement à des objectifs fixés par le Congrès américain, n'est pas nécessaire pour remplir cet objectif car le lancement du module lunaire HLS doit être confié à des lanceurs commerciaux. Aussi le budget alloué à l'étage EUS en 2019 est divisé par deux passant de 300 à 150 millions US$. Prenent en compte le retard pris dans le développement de l'EUS, la NASA décide début 2018 d'utiliser la version Bloc 1 également pour le deuxième et troisième vol avec équipage ainsi que pour la version cargo qui doit lancer la sonde spatiale Europa Clipper. Pour cette dernière les performances réduites du Bloc 1 par rapport au Bloc 1B ravivent le débat concernant l'utilisation alternative du lanceur Falcon Heavy dont le cout est annoncé de 100 millions €[22]. Malgré le souhait de la Maison Blanche de mettre un terme au développement de l'EUS, la NASA demande à Boeing de poursuivre ses travaux : la conception de l'étage EUS, qui avait été dimensionnée pour recevoir à terme un moteur J-2X, est optimisée en 2019 dans sa configuration à quatre moteurs RL-10 ce qui permet d'accroitre ses performances. Le président Trump propose un budget 2020 d'arrêter le développement de l'étage EUS ainsi que tous les travaux associés (plateforme de lancement mobile ML-2) en confiant à des lanceurs commerciaux les vols du programme Artemis qui étaient envisagés pour le Bloc 1B. Mais le Sénat s'oppose à cette décision et rétablit dans le budget 2020 les fonds consacrés à l'EUS. La Maison Blanche propose de nouveau un budget 2021 annulant l'EUS[23],[24].

Remise en question du lanceur SLS[modifier | modifier le code]

Lorsque le Congrès américain avait pris la décision en 2010 de lancer le développement de la fusée géante SLS, l'offre des lanceurs commerciaux était encore balbutiante. La société SpaceX venait tout juste de réussir le premier vol de sa fusée Falcon 9 après les débuts calamiteux de son lanceur léger Falcon 1. La confiance qu'on pouvait accorder aux sociétés privées pour la desserte de la Station spatiale internationale était l'objet d'intenses débats parmi le personnel politique concerné. En 2018 la donne a changé. Les sociétés privées ont largement fait leur preuve et SpaceX met à disposition un lanceur lourd, la Falcon Heavy (60 tonnes en orbite basse pour la version non réutilisable), pour un prix sans commune mesure avec celui du SLS (environ 100 millions US$ contre environ 1 milliard US$). La NASA défend désormais le projet du SLS en mettant en avant sa capacité nettement supérieure à celle des lanceurs existants qui selon l'agence spatiale est nécessaire pour les projets lunaires et martiens. Cet argument est sur le fond contestable. Le maintien du SLS est largement lié au maintien de plusieurs milliers d'emplois en particulier dans le sud des Etats-Unis dans les états d'Alabama, du Mississippi, de Louisiane et de Floride[25].

En raison des retards et des dépassements de budget importants ainsi que du coût d'exploitation attendu non compétitif avec les alternatives disponibles ou attendues sur le marché des lanceurs, le , Jim Bridenstine annonce devant le Comité sénatorial américain du commerce, des sciences et des transports, que la NASA envisage désormais le recours à des lanceurs commerciaux pour le lancement de la capsule Orion ainsi que pour la construction de la Lunar Orbital Platform-Gateway[26]. En mars 2020 le président Donald Trump propose une réduction du budget global de la NASA 2020 de 2 %, soit 2,1 milliards de dollars. Le plan prévoit l'annulation du développement des versions les plus puissantes du SLS (Bloc 1B et 2) réduisant l'intérêt de poursuivre du développement du SLS[26]. Mais le Congrès américain s'oppose à ce projet et décide au contraire de porter le budget de la NASA à 22,616 milliards de dollar soit une hausse de 1,6 milliard par rapport 2019. La ligne budgétaire consacrée au projet SLS est quand à elle augmentée de 651 millions de dollars[27].

Adaptation des installations de lancement[modifier | modifier le code]

Les plateformes mobiles de lancement de la fusée SLS ML-1 (bloc 1) et ML-2 (bloc 1B) : 1 Pour ML-2 la passerelle utilisée par l'équipage pour accéder au module Orion et la liaison ombilicale du module de service sont situés plus haut - 2 : Sur ML-2 une nouvelle liaison ombilicale est nécessaire pour le deuxième étage EUS - 3 Les stabilisateurs de ML-2 sont situés plus haut - 4 Les connexions structurelles sont différentes pour prendre en compte la taille et le poids supérieur du SLS bloc 1B - 5 La base des deux versions est identique mais les connexions structurelles doivent être adaptées pour prendre en compte la masse plus importante.

Pour lancer la fusée SLS, la NASA adapte les installations du complexe de lancement 39 au centre spatial Kennedy (Floride) qui avaient été utilisées auparavant par la Navette spatiale américaine. Le lanceur géant doit être assemblé dans l'immense bâtiment du VAB sur une plateforme mobile de lancement qui doit ensuite être transportée par le crawler jusqu'au pas de tir 39B. Tous ces équipements doivent être modifiés pour tenir compte des caractéristiques propres au SLS.

Le premier étage en cours d'installation sur le banc d'essais du centre spatial Stennis pour un test de mis à feu.

A la suite du lancement du projet SLS la NASA décide d'adapter la plateforme de lancement mobile ML-1 qui avait déjà été modifiée pour le lanceur Ares 1[Note 1]. Cette décision est prise après avoir évalué deux autres options : la construction d'une plateforme de lancement entièrement nouvelle et l'adaptation d'une plateforme restée au standard de la navette spatiale américaine. Le chantier est lancé en 2011. Les caractéristiques très différentes de l'Ares I et du SLS Bloc 1 imposent de nombreuses modifications notamment des bras mobiles de la tour ombilicale et des ouvertures de la plateforme permettant aux gaz des moteurs de s'échapper. Le cout évalué en 2014 à environ 385 millions US$ dépasse finalement les 693 millions US$ et la livraison prend trois ans de retard à la suite d'erreurs de conception et d'une mauvaise gestion des sous-traitants. Ces modifications qui s'achèvent en 2020 ne permettent de lancer que la version Bloc 1 du SLS. La version Bloc 1B du lanceur plus haute nécessite de nouvelles adaptations. Il faut 33 mois pour faire passer la plateforme du standard Bloc 1 à Bloc 1B. Pour ne pas introduire de nouvelles contraintes dans le calendrier de lancement, la NASA décide en 2018 d'adapter une dexième plateforme de lancement mobile héritée de l'époque de la navette spatiale (ML-2) au lanceur SLS Bloc 1B. Le cout des travaux, qui débutent en juin 2020, est évalué à 540 millions US$[28],[29], [30],[22].

Fabrication et assemblage du premier exemplaire du lanceur[modifier | modifier le code]

Les propulseurs d'appoint du premier SLS arrivent par voie ferrée à la gare de Titusville et sont transférés au centre spatial Kennedy mi juin 2020[31]. Les segments arrière sont assemblé dans le batiment RPSF (Rotation, Processing and Surge Facility) avec leur jupe et leur tuyère. Ils doivent être transférés dans le VAB et assemblés avec le premier étage sur la plateforme de lancement mobile n°1 modifiée pour le nouveau lanceur[32]. Le premier étage après avoir subi différents tests pour s'assurer de la résistance de la structure est installé sur le banc d'essais B-2 du centre spatial Stennis pour un test de fonctionnement qui est prévu en novembre 2020[33].

Les différentes configurations[modifier | modifier le code]

Les différentes versions du SLS.

Quatre versions du lanceur ont été étudiées, dont trois ont été retenues : le Bloc 0 (annulé) puis les Blocs I, IB et II. Les trois versions retenues comportent deux étages cryotechniques (oxygène/hydrogène) et deux propulseurs d'appoint à propergol solide. Courant 2020 seule la version bloc I est en développement[34] :

  • Le bloc 1 est la version qui sera utilisée pour lancer les missions Artemis I, II et III. Elle utilise un deuxième étage IPCS relativement peu puissant directement dérivé de l'étage supérieur du lanceur Delta IV et propulsé par un unique moteur RL-10 B2. Cette version permet d'injecter une masse de 27 tonnes sur une trajectoire de transfert vers la Lune
  • Le bloc 1B utilise un étage supérieur EUS plus puissant propulsé par quatre moteurs RL-10 C3 qui permet d'injecter une masse de 38 tonnes sur une trajectoire de transfert vers la Lune. Son développement dépend du financement de l'étage EUS toujours en suspens en septembre 2020. Avec une masse de 3 000 tonnes et une hauteur de 121 mètres cette version est comparable au lanceur Saturn V (respectivement 3 038 tonnes et 110 mètres). Sa capacité de mise en orbite basse est de 130 tonnes, proche du record de 140 tonnes de Saturn V. Le diamètre du corps central est de 8,4 mètres.
  • Le bloc 2 se distingue par des propulseurs d'appoint - enveloppe métallique remplacée par une enveloppe en matériau composite ou passage à une propulsion ergols liquides plus performante - qui permettent de faire passer la charge utile de 38 à 45 tonnes sur une trajectoire de transfert vers la Lune.

Pour chacune de ces trois versions d'abord conçues pour lancer le vaisseau Orion, il est prévu une version cargo ayant une capacité légèrement supérieure.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Mission avec équipage[modifier | modifier le code]

Le SLS est d'abord conçu pour placer le nouveau vaisseau spatial Orion, avec son bord un équipage d'astronautes, sur une trajectoire lui permettant d'atteindre la Lune. Ce devrait être l'objectif de son premier vol Artemis 1 en 2021. Ce vaisseau devrait permettre des missions vers la Lune, des astéroïdes et à terme doit lancer les différents modules permettant une mission habitée sur le sol martien[35].

Version cargo[modifier | modifier le code]

Le lanceur SLS pourrait également servir au lancement de missions lourdes d'exploration du système solaire en particulier les missions vers les planètes externes qui nécessitent avec les lanceurs existants de nombreuses manoeuvre d'assistance gravitationnelle qui rallongent d'autant la durée du transit. Son utilisation est fortement envisagée pour la mission Europa Clipper, une sonde spatiale de 6 tonnes à destination de Europe satellite de Jupiter. Le recours au SLS permet d'adopter une trajectoire directe et de raccourcir ainsi de 3 ans la durée du transit vers Europe. Toutefois ce choix s'accompagne d'un surcout important. Alors que le lancement par une fusée commerciale (Delta IV Heavy ou Falcon Heavy couterait au plus 500 millions US$, le recours à la fusée SLS est évalué à 876 millions US$ par les officiels de la NASA ou à deux milliards US$ par les représentants de la Maison Blanche qui incluent les couts fixes induits par la nécessité pour Boeing de redimensionner ses installations pour produire la fusée pour un vol qui est prévu en 2023/2024. Toutefois ce choix est poussé par le Congrès américain sans que les scientifiques et les ingénieurs de la NASA soient consultés[36].

Capacité du lanceur (tonnes) en fonction de la destination de la charge utile[37]
Destination C3 Bloc 1 Bloc 1B Bloc 2
Orbite terrestre basse 70 tonnes 97,5 tonnes 130 tonnes
Injection sur trajectoire lunaire -2 25,3 tonnes 37,8 tonnes 50 t.
Injection sur trajectoire martienne 11 19,5 tonnes 33 tonnes 45 t.
Europe, lune de Jupiter (avec assistance gravitationnelle) 28,9 12,9 tonnes 25,1 tonnes
Europe, lune de Jupiter (trajectoire directe) 85,4 4,38 tonnes 8,92 tonnes
Saturne/Encélade/Titan 106 2,72 tonnes 5,12 tonnes
Uranus 135,5 1,01 tonnes 1,48 tonnes
Performances de la version cargo des bloc 1 et 1B par rapport aux lanceurs existants.

Caractéristiques techniques de la version Bloc 1 du SLS[modifier | modifier le code]

La version Bloc I du lanceur SLS, qui est la seule développée courant 2020, comporte un premier étage cryotechnique propulsé par quatre moteurs RS-25D/E dérivés des moteurs SSME de la navette (RS-24) et brûlant un mélange hydrogène/oxygène, deux propulseurs d'appoint à propergol solide qui fournissent 75% de la poussée au décollage et un deuxième étage ICPS, également cryotechnique, qui est propulsé par un moteur RL-10 B2. Cette version du SLS a une masse au décollage de 2 628 tonnes et est haut de 97,84 mètres. La poussée au décollage est de 39 098 kN (environ 3 979 tonnes. Le lanceur peut placer sur une orbite basse de 110x 241 km une charge utile de 81 tonnes et sur une orbite de 200 km x 1806 km 61,7 tonnes[38].

Schéma du lanceur SLS dans sa version Bloc 1. 1 Moteurs-fusées RS-25 (x4) - 2 Propulseurs d'appoint (x2) - 3 Premier étage - 4 Adaptateur d'étage - 5 Deuxième étage ICPS - 6 Adaptateur d'étage Orion - 7 Adaptateur du vaisseau - 8 Panneaux de protection du module de service - 9 Orion : module de service - 10 Orion : module de l'équipage - 11 Tour de sauvetage - 12 Charge utile.

Premier étage[modifier | modifier le code]

Le premier étage du lanceur SLS destiné au lancement de la mission Artemis I sort de l'usine de Michoud.
Les quatre moteurs RS-25 qui doivent propulser le premier exemplaire du SLS avant leur assemblage avec le premier étage.

Le premier étage (Core stage) dérive du réservoir externe de la navette spatiale américaine. Il a une longueur de 61 mètres pour un diamètre de 8,4 mètres. Sa masse à vide est de 85,4 tonnes et avec le plein d'ergols de 979,5 tonnes. Les deux réservoirs de l'étage peuvent contenir 2 763 m3 d'hydrogène et d'oxygène liquide. Cet étage comprend cinq sous-ensembles : de bas en haut la section sur laquelle sont fixés les moteurs-fusées qui contient également une partie de l'avionique de l'étage et sert de point d'attache inférieur aux propulseurs d'appoint, le réservoir d'hydrogène de 40 mètres de long et d'un volume de 2 032 m3, un anneau inter-réservoirs avec également de l'avionique et le point d'attache supérieur des propulseurs d'appoint, le réservoir d'oxygène de 742 m3 et enfin la jupe avant dans laquelle se trouve également une partie de l'avionique et les ordinateurs de vol. Le corps central est construit par Boeing[39],[40].

L'étage est propulsé par quatre moteurs RS-25E (« E » pour « Expendable », signifiant « jetable »). Ces moteurs sont fournis par la société Aerojet Rocketdyne Le RS-25 D/E est une version modernisée des moteurs SSME de la navette spatiale américaine. Le moteur est particulièrement performant car il brule un mélange d'oxygène et d'hydrogène liquide et il utilise un cycle d'alimentation à combustion étagée. Par rapport à la version utilisée par la navette spatiale, il dispose d'un nouveau contrôleur, une meilleure isolation de la tuyère et une augmentation de la poussée qui atteint 109% de la poussée nominale contre 104,5% auparavant. La poussée est de 1 859 kN au niveau de la mer 2 227 kN dans le vide, soit respectivement de 190 tonnes et 232 tonnes. Contrairement à ceux de la navette spatiale ils ne sont pas réutilisables ce qui a permis de réduire leur poids et de diminuer leur cout. Son impulsion spécifique, moins performante que dans la version d'origine, est de 366 secondes au niveau de la mer et de 452 secondes dans le vide. Chaque moteur a une masse de 3527 kg, est haut de 4,27 mètres pour un diamètre de 2,44 mètres. La tuyère a un rapport de section de 69 qui est typique des moteurs-fusées devant fonctionner à basse altitude[41],[42]. Les lanceurs SLS doivent utiliser 16 moteurs modernisés issus du programme de la navette spatiale. La chaine de fabrication a été relancée, dans le cadre d'un contrat de 1,79 milliards US$ passé en mai 2020, pour produire 18 moteurs dont le cout de fabrication devrait être 30% plus faible et qui devraient être légèrement plus puissants[43].

Le premier étage est construit par Boeing dans le centre d'assemblage de Michoud et reprend la couleur orange du réservoir externe de la navette spatiale américaine (il s'agit de la couleur de la mousse isolante, l'absence de peinture permet à la NASA de réduire le poids de l'étage et de réaliser des économies). Cet étage est commun aux différentes versions du SLS.

Propulseurs d'appoint[modifier | modifier le code]

Le lanceur utilise deux propulseurs d'appoint à propergol solide RSRMV qui fournissent 80% de la poussée totale au décollage. Ces propulseurs dérivent des Propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine (SRB) . Ils sont toutefois plus longs (la poussée est supérieure de 20%) grâce à l'ajout d'un segment. Les autres modifications portent sur la suppression du système de récupération (suppression du parachute situé dans la pointe avant), l'agrandissement de la tuyère, l'amélioration du système hydraulique d'inclinaison de la tuyère et la modification du point d'attache inférieur au corps du lanceur. La plupart de ces modifications ont été implémentées pour la mise au point du lanceur Ares V. Chaque propulseur d'appoint a une longueur de 53 mètres pour un diamètre de 3,71 mètres. Sa masse au lancement est de 733,1 tonnes pour une masse à vide de 85,4 tonnes. La poussée au décollage est de 16 013 kN au sol ce qui pour les deux propulseurs représente une poussée totale de 2 622 tonnes. La durée de combustion de 126 secondes[38]. Chaque propulseur d'appoint est composé de cinq segments dont trois segments centraux, le segment supérieur de forme aérodynamique dans lequel est logé le système de mise à feu. et les systèmes électroniques et un segment inférieur qui comprend la tuyère qui peut être inclinée de 5 degrés grâce à des vérins hydrauliques. Ces derniers s'appuient sur une jupe prolongeant le propulseur d'appoint. Le propulseur d'appoint est constitué d'une enveloppe en acier dans lequel a été coulé un bloc de poudre (un mélange constitué principal d'aluminium et d'oxydant) dont l'axe central est évidé. La mise à feu est déclenché par un petit bloc de propergol solide, lui-même allumé par une charge pyrotechnique, qui produit une longue flamme. Celle-ci déclenche la combustion du bloc de poudre tout au long de l'orifice central. Contrairement à un moteur à ergols liquides, la poussée d'un moteur à propergol solide ne peut pas être modulé en réduisant directement la quantité d'ergols brulés. On y parvient toutefois en donnant une géométrie particulière à l'orifice central. La poussée maximale est nécessaire au décollage mais elle doit être réduite par la suite pour que l'accélération ne devienne pas trop forte au fur et à mesure de l'allègement de la fusée. Pour y parvenir l'orifice central du bloc de poudre des deux segments d'extrémité a une section en étoile : la surface brulant au début est bien supérieure que dans les segments centraux à l'orifice cylindrique mais diminue rapidement. Les propulseurs d'appoint du lanceur SLS sont produits par Northrop Grumman dans son usine située au nord de Salt Lake City dans l'Utah puis convoyés par voie ferrée jusqu'au centre spatial Kennedy en Floride pour y être assemblés entre eux puis avec le lanceur[44],[45]. Il était envisagé de les remplacer par des propulseurs d'appoint à ergols liquides, afin d'améliorer la poussée produite[46],.

Second étage[modifier | modifier le code]

Le deuxième étage ICPS pour la mission Artemis I.

La version Bloc 1 utilise l'étage ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage en français « Étage de Propulsion Cryogénique Provisoire »), dérivé du second étage du lanceur Delta IV. Long de 13,70 mètres pour un diamètre de 5,10 mètres, l'IPCS a une masse à vide de 4 tonnes et de 32 tonnes une fois les ergols chargés. Il est propulsé par un moteur-fusée à ergols liquides RL-10B2 unique de 110 kN de poussée développé par la société Aerojet et brûlant un mélange d'hydrogène liquide et d'oxygène liquide.

Une structure conique le LVSA (Launch Vehicle Stage Adapter ) relie le premier étage à l'IPCS. Cette structure vide entoure pratiquement tout le second étage dont la longue tuyère du moteur-fusée RL-10. Une partie de l'avionique du premier étage y est fixée sur sa paroi interne. Haute de 9 mètres pour un diamètre maximal de 9 mètres le LVSA est constitué de panneaux d'aluminium soudés entre eux encadré par deux anneaux dans le même matériau. Comme le premier étage la structure est recouverte à l'extérieur d'une couche d'isolant thermique orange qui la préserve de l'échauffement découlant du frottement de l'atmosphère que la fusée traverse à grande vitesse. Lors de la séparation du second et du premier étage cette structure reste solidaire de ce dernier et est donc larguée[47],[48].

Charge utile[modifier | modifier le code]

Le lanceur SLS est d'abord conçu pour lancer le vaisseau spatial lourd Orion qui doit transporter des équipages sur une trajectoire lunaire voire interplanétaire. Le vaisseau proprement dit est lancé avec un adaptateur et des panneaux qui font la jonction avec le deuxième étage de la fusée et une tour de sauvetage qui le coiffe et qui est chargé d'arracher la capsule au lanceur pour préserver l'équipage en cas de défaillance de la fusée durant les premières minutes de vol. L'ensemble a une masse de 33,5 tonnes dont 24 tonnes pour le vaisseau, 7,4 tonnes pour la tour de sauvetage et 1,8 tonnes pour l'adaptateur et les panneaux[49].

La tour de sauvetage est un équipement aux caractéristiques bien maitrisées puisqu'il a été utilisé par les vaisseaux Mercury, Apollo et qu'il est toujours employé sur les vaisseaux russes Soyouz. La tour de sauvetage du vaisseau Orion a été développée et mise au point comme le vaisseau Orion dans le cadre du programme Constellation. Il prend la forme d'un long cylindre fixé par une jupe au sommet de la capsule Orion. Ce cylindre abrite un système de propulsion à propergol à propulsion solide chargé d'arracher la capsule au lanceur et de l'en éloigner en cas de défaillance de celui-ci. Une poussée de 180 tonnes est exercée durant trois secondes qui éloigne le vaisseau Orion de la fusée à une vitesse de 800 km/h en imposant une accélération maximale de environ 11 g. L'ensemble formé par la capsule et la tour de sauvetage est instable et durant le fonctionnement du système propulsif huit petits générateurs de gaz sont utilisés en permanence pour maintenir son orientation. Le dispositif est conçu pour pouvoir être utilisé alors que la fusée est encore au sol : la tour de sauvetage élève la capsule de plus de 2 kilomètres avant que celle-ci ne retombe ce qui laisse le temps aux parachutes de se déployer et de permettre un atterrissage en douceur[50].

Installations de lancement[modifier | modifier le code]

Le lanceur SLS doit décoller du pas de tir 39B utilisé autrefois par la navette spatiale américaine. Il s'agit d'un des deux pas de tir du complexe de lancement 39 situé au centre spatial Kennedy en Floride. La fusée est assemblée dans le bâtiment VAB sur sa plateforme mobile de lancement puis transportée jusqu'au pas de tir par le crawler[51].

Le lanceur SLS doit décoller du pas de tir 39B photographié ici avec la plateforme mobile de lancement en place.

Déroulement d'un lancement[modifier | modifier le code]

Décollage du lanceur dans sa version Bloc 1B (vue d'artiste).

Les réservoirs d'hydrogène et d'oxygène du premier étage et de l'étage IPCS sont remplis plusieurs heures avant le décollage. Les deux ergols sont transférés depuis des réservoirs sphériques situés en bordure du pas de tir (au nord-ouest pour l'oxygène, au nord-est pour l'hydrogène). Les canalisations qui alimentent le lanceur, se connectent à la base de la fusée pour le remplissage du premier étage via les TSMU (Tail Service Mast Umbilicals) et passent par un des bras de la tour ombilicale pour l'étage IPCS. Des capteurs à l'intérieur des réservoirs de la fusée permettent de déterminer le niveau de remplissage et d'adapter la vitesse d'alimentation[20].

Environ six secondes avant le lancement, un système de déluge inonde d'eau le pas de tir pour limiter les vibrations et protéger de la chaleur certains équipements. Plusieurs HBOI (Hydrogen Burn-Off Igniters) placés à proximité de la sortie des tuyères du premier étage génèrent des étincelles destinées à brûler l'hydrogène en excès qui sort des moteurs-fusées du premier étage. Ceux-ci sont allumés en premier. Une fois que les ordinateurs ont vérifié qu'il ont atteint leur puissance nominale, les propulseurs d'appoint sont à leur tour mis à feu (une fois ceux-ci allumés ils ne peuvent plus être arrêtés). Au décollage, ils fournissent 75% de la poussée.

Missions programmées[modifier | modifier le code]

Le lanceur SLS joue un rôle clé dans la réalisation du programme Artemis d'exploration habité de la Lune.

Vol n° Date Version Site de lancement Charge utile Orbite Statut
1 2021 Bloc 1 Crew Centre spatial Kennedy, LC-39B Artemis I Injection trans-lunaire Planifié
2 2022 ou 2023 Bloc 1 Crew Centre spatial Kennedy, LC-39B Artemis II Injection trans-lunaire Planifié
3 2024 Bloc 1 Crew Centre spatial Kennedy, LC-39B Artemis III Injection trans-lunaire Planifié
4 2025 Bloc 1 Cargo Centre spatial Kennedy, LC-39B Europa Clipper Transfert vers Jupiter A confirmer

Comparaison avec les autres lanceurs lourds/super lourds existants ou en cours de développement[modifier | modifier le code]

Caractéristiques et performances des lanceurs lourds développés durant la décennie 2020[52],[53],[54],[55] ,[56] ,[57] ,[58],[59],[60]
Charge utile
Lanceur Premier vol Masse Hauteur Poussée Orbite basse Orbite GTO Autre caractéristique
Drapeau des États-Unis SLS Bloc I 2021 2 660 t 98 m 39 840 kN 70 t
Drapeau des États-Unis SLS Bloc IB 2025 ? 2 948 t 119 m 39 840 kN 97,5 t
Drapeau des États-Unis Falcon Heavy (sans récupération) 2018 1 421 t 70 m 22 819 kN 64 t 27 t Premier étage réutilisable
Drapeau des États-Unis New Glenn 2021 1 410 t 82,3 m 16 800 kN 45 t 13 t Premier étage réutilisable
Drapeau des États-Unis Vulcan (441) 2021 566 t 57,2 m 10 500 kN 27,5 t 13,3 t
Drapeau de l’Union européenne Ariane 6 (64) 2022 860 t 63 m 10 775 kN 21,6 t 11,5 t
Drapeau du Japon H3 (24L) 2020 609 t 63 m 9 683 kN 6,5 t
Drapeau des États-Unis OmegA (Heavy) 2021 (annulé) 440 t 50 m 10,1 t Projet abandonné.
Drapeau des États-Unis Falcon 9 (bloc 5 sans récupération) 2018 549 t 70 m 7 607 kN 22,8 t 8,3 t Premier étage réutilisable
Drapeau de la République populaire de Chine Longue Marche 5 2016 867 t 57 m 10 460 kN 23 t 13 t
Drapeau des États-Unis Starship (SpaceX) 2021 4 500 t 120 m 72 000 kN 100+ t 21 t Entièrement réutilisable

Caractéristiques techniques des autres versions[modifier | modifier le code]

Schéma de l'étage EUS qui sera utilisé par la version Bloc 1B du SLS.

Bloc IB[modifier | modifier le code]

La version bloc IB, plus puissant devrait effectuer son premier vol vers 2025 s'il est financé ce qui n'était pas le cas courant 2020. Cette version se caractérise par un deuxième étage l'Exploration Upper Stage (EUS) entièrement nouveau. qui équipe également le bloc 2 du SLS. Cet étage est propulsé par 4 RL-10C3. Cette version du moteur se distingue de la précédente au niveau de la partie basse de la tuyère qui prolonge la partie haute solidaire de la chambre de combustion. Sur la version C3 cette partie basse comprend deux parties en composite carbone et est fixe alors que sur la version B2 elle est composée de trois parties et est déployée en orbite après séparation du premier étage du lanceur. La partie haute de la tuyère du C3 est refroidie par circulation d'ergols tandis que la partie basse utilise le refroidissement radiatif[24].

Bloc 2[modifier | modifier le code]

La version Bloc 2 capable de placer 130 tonnes en orbite basse se différencie du bloc IB par ses propulseurs d'appoint. Ceux-ci seraient soit des propulseurs à propergol solide utilisant une enveloppe en composite carbone beaucoup plus légère que l'acier employé jusque là soit des moteurs à ergols liquides beaucoup plus performants. Cette version demandée par les sénateurs et les représentants au lancement du projet n'est pas financé et le premier vol ne devrait pas intervenir avant 2030.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. L'adaptation de la plateforme ML-1, interrompus par l'arrêt du programme Constellation, avait couté 234 millions US$ faisant monter le cout total des travaux d'adaptation de cet équipement pour répondre successivement aux besoins d'Ares 1 et du SLS à près d'un milliard US$.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Conférence NASA Societal impact of spaceflight, Societal impact of spaceflight (SP-2007-4801) : Live from the Moon: The Societal Impact of Apollo d'Andrew Chaikin, (lire en ligne)
  2. George Bush, « President Bush Announces New Vision for Space Exploration Program », sur history.nasa.gov, (consulté le 11 octobre 2009).
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  4. Seth Borenstein, Associated Press, « Return-to-moon plan gets boost on Capitol Hill », sur usatoday.com, US Today, (consulté le 10 octobre 2009).
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  9. « Présentation du budget 2011 de la NASA par l'administrateur de la NASACharlie Bolden », NASA,
  10. « Synthèse du budget 2011 de la NASA proposé le  », NASA,
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Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) K. K. Klaus et Weaver Ben Donahue, « The Space Launch System for Exploration and Science », Boeing, Boeing,‎ (lire en ligne). 
    Les différents utilisations potentielles du lanceur SLS selon Boeing (2014).
    .

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]