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Exclusif : le module de service du vaisseau spatial Orion se dévoile

L’Agence spatiale européenne et la Nasa se sont mises d’accord pour la fourniture par l’Europe du module de service d'Orion, le futur véhicule d’exploration de la Nasa. Philippe Deloo, chef d'étude du module de service du MPCV, nous explique les grandes lignes de ce programme.

L’Esa financera à hauteur de 450 millions d’euros le développement du module de service du futur véhicule d’exploration spatiale de la Nasa. Cette somme correspond à la contrepartie du loyer dont l’Esa doit s'acquitter auprès de la Nasa pour la période 2017-2020. Cela se fait dans le cadre du barter element, un système mis en place par les partenaires de l’ISS où chacun finance sa part de l’utilisation de l’ISS par la fourniture d’un service du même montant que sa contribution. Jusqu’en 2017, l’Esa s'acquittait de ses charges avec les missions de l’ATV. © D. Ducros, Esa L’Esa financera à hauteur de 450 millions d’euros le développement du module de service du futur véhicule d’exploration spatiale de la Nasa. Cette somme correspond à la contrepartie du loyer dont l’Esa doit s'acquitter auprès de la Nasa pour la période 2017-2020. Cela se fait dans le cadre du barter element, un système mis en place par les partenaires de l’ISS où chacun finance sa part de l’utilisation de l’ISS par la fourniture d’un service du même montant que sa contribution. Jusqu’en 2017, l’Esa s'acquittait de ses charges avec les missions de l’ATV. © D. Ducros, Esa

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Réunis en session extraordinaire à Naples, les ministres en charge des questions spatiales des États membres de l’Agence spatiale européenne (Esa) ont décidé de participer au développement du véhicule spatial d’exploration de la Nasa connu sous le nom d'Orion-ESM (auparavant nommé Multi-Purpose Crew Vehicle, soit Véhicule habité multirôle). L'Esa fournira le module de service de l’engin (ESM, European service module). Cette décision donne à l’Europe l’opportunité d’utiliser au mieux les capacités développées pour l’ATV et Columbus et de rentabiliser ses technologies. Quant à la Nasa, elle pourra raccourcir de façon significative le calendrier de développement de cet engin, dont le premier vol d’essai inhabité est prévu en 2017, et abaisser son coût.

Pour y voir plus clair sur ce programme, nous avons interrogé Philippe Deloo, chef d'étude du module de service d'Orion, à l’Esa. 

Dans le cadre de l’accord signé entre la Nasa et l’Esa, l’Europe « s’engage à fournir un premier modèle de vol du module de service de l’Orion-ESM » avec une option pour un second module à échanger contre « un service qui pourrait être un vol d’astronautes, ou tout autre service que la Nasa et l’Esa identifieraient dans le futur comme intéressant pour les deux organisations », détaille Philippe Deloo.

Le module de service SSA (Spacecraft Sub-Assembly) de l'ATV, dont s'inspira l'Esa pour développer celui de l'Orion-MPCV. Ce module abrite notamment le système de propulsion composé de 4 moteurs principaux et de 28 moteurs de manœuvre (dont 8 sont installés sur le module de charge utile ICC qui, lui, est pressurisé). © Esa, S. Corvaja
Le module de service SSA (Spacecraft Sub-Assembly) de l'ATV, dont s'inspira l'Esa pour développer celui de l'Orion-MPCV. Ce module abrite notamment le système de propulsion composé de 4 moteurs principaux et de 28 moteurs de manœuvre (dont 8 sont installés sur le module de charge utile ICC qui, lui, est pressurisé). © Esa, S. Corvaja

L’héritage de l’ATV pour Orion-MPCV

S'inspirant de l’ATV (Automated Transfer Vehicle), construit par un consortium européen sous la maîtrise d’œuvre d’Airbus DS, le module de service d’Orion se présente sous la forme d’un cylindre de 4,5 m de diamètre et long de 2,7 m ou de 4 m avec le moteur. Si l’on tient compte de ses quatre panneaux solaires, son envergure atteint 18,7 m. À vide (sans carburant, sans eau et sans réserve de gaz), sa masse est d’environ 3,5 t.

Ce module a pour fonction « de propulser la capsule Orion, d’assurer son contrôle thermique et de lui fournir la puissance électrique nécessaire à son bon fonctionnement, en plus de stocker les réserves d’eau, d’oxygène et d’azote ». Pour cela, il sera doté d’un très gros moteur, fourni par la Nasa, qui n’est ni plus ni moins qu’un de ceux de la navette spatiale, « qui a déjà volé » ! Précisément, il s’agit « d’un des deux moteurs du système OMS ». Situé à l’arrière, au-dessus des moteurs SSME (Space Shuttle Main Engines, moteurs principaux), ils étaient utilisés pour les corrections de trajectoire et la désorbitation de la navette.

Ce moteur « développe une poussée d’environ 26 kilonewtons (kN) ». En plus de ce moteur, le module de service d’Orion pourra compter sur « 8 moteurs redondants [NDLR : de secours] de 490 N de poussée, ce qui équivaut à 4 kN ». C’est évidemment inférieur à la puissance fournie par le moteur principal, mais suffisant pour ramener sur Terre en sécurité la capsule Orion. « Ils seront utilisés en cas de panne du moteur principal comme système de secours en plus de leur utilisation pour des corrections de trajectoire. »

Le moteur principal du module de service d'Orion sera l’un des deux moteurs de l'Orbiting Maneuvering System (signalés par des traits rouges, en bas et sur l’image de détail) que les navettes utilisaient pour leurs manœuvres orbitales. © Nasa
Le moteur principal du module de service d'Orion sera l’un des deux moteurs de l'Orbiting Maneuvering System (signalés par des traits rouges, en bas et sur l’image de détail) que les navettes utilisaient pour leurs manœuvres orbitales. © Nasa

Une vingtaine de moteurs de contrôle d’attitude

Pour le contrôle d’attitude, le module ESM utilisera « 24 moteurs de 220 N de poussée avec une résistance à un certain nombre de pannes, dont la perte simultanée de plusieurs d’entre eux ».

Quant à l’électricité, elle sera produite par quatre panneaux solaires positionnés à 60° degrés en éventail, comme c’est le cas sur l’ATV. Ils seront un peu moins longs et plus larges mais fourniront une puissance plus grande. « Les cellules solaires seront à base d'arséniure de gallium dont le rendement est d'environ 30 %. Au total, la puissance électrique disponible pourra atteindre 11 kW ». C’est pratiquement deux fois supérieur au rendement des panneaux solaires de l’ATV, dont les cellules en silicium offraient un taux de rendement de 17 % et fournissaient 4,5 à 5 kW de puissance électrique.

Orion-MPCV, un module de service pour voyager partout

Ce module de service sera « utilisable pour tout type de mission au-delà de l’orbite terrestre et permettra de faire toutes les missions d’exploration envisagées par la Nasa », assure Philippe Deloo. En jouant sur la puissance du lanceur et l’adjonction en orbite d’autres modules, l’Orion-ESM pourra « étendre son rayon d’action et son autonomie » vers un des cinq points de Lagrange, un astéroïde ou les mondes de Mars.

Actuellement, les plans de la Nasa prévoient un vol de test habité circumlunaire à l’horizon 2020, puis une visite d’un astéroïde que la Nasa prévoit de capturer, une étape considérée comme intermédiaire pour envisager le voyage martien. Parmi les autres projets, l’installation d’une base permanente ou non au point de Lagrange L2 pour y étudier les effets d'un séjour long loin de la Terre ainsi que les risques liés à la perte osseuse et à l’exposition aux rayonnements.

Quant à ses performances, « elles ne sont pas du ressort de l’Esa ». Avec une capacité de 8,6 t d’ergols stockés, l’autonomie d’Orion-ESM dépendra de la vitesse à laquelle ces réserves seront consommées et de la masse à transporter (fret et équipage). L’exigence au niveau système, « c’est de pouvoir fournir un delta v (∆v) de 1.600 m/s ». Ce n’est évidemment pas suffisant pour quitter l’orbite terrestre, mais « assez pour quitter celle de la Lune et revenir sur Terre, en ralentissant la capsule avant l’entrée atmosphérique ».

Dans l'usine turinoise de Thales Alenia Space, une première section du futur ATV-5 avec, au fond à droite, la presse utilisée pour le construire (novembre 2010). C'est ici et à partir du même procédé que sera construite la structure du module de service de l'Orion MPCV de la Nasa. © R. Decourt
Dans l'usine turinoise de Thales Alenia Space, une première section du futur ATV-5 avec, au fond à droite, la presse utilisée pour le construire (novembre 2010). C'est ici et à partir du même procédé que sera construite la structure du module de service de l'Orion MPCV de la Nasa. © R. Decourt

Des délais de développement très courts pour Orion-MPCV

Construit en Europe, il sera livré à la Nasa en l’état. Il reviendra « aux Américains de l’intégrer à la capsule Orion ». Le premier vol d’essai, inhabité, est prévu en décembre 2017, ce qui « nécessite une livraison début 2017 ». Autrement dit, les délais de développement sont très courts.

Au vu de cette contrainte de temps, l’Esa est « entrée en discussion exclusive avec Airbus DS pour la maîtrise d’œuvre et Thales Alenia Space pour la fourniture de la structure ». Si la première réunion avec la Nasa remonte à mai 2011, date officielle du début du programme, « ces trois prochaines années ne seront pas de trop » pour réaliser cet engin. Entre l’achat des matériaux et les tests à réaliser, « le challenge promet d’être passionnant ».

Cela dit, « nous ne partons pas de zéro », rappelle Philippe Deloo. Avec l’ATV, l'Esa a un acquis qui « ne nécessite pas d’étude préliminaire ». Ce module de service tiendra compte du « retour d’expérience de l’ATV et ses trois vols réussis ». L’idée est de capitaliser sur le programme ATV et d’utiliser le maximum de technologies existantes, « sur étagères » dans le jargon spatial, pour « essayer d’avoir un système plus performant ». S’il n’y aura pas de rupture technologique, le principal point dur identifié est celui de la propulsion, auquel « il faudra qu’on prête beaucoup d’attention ».

Des perspectives commerciales pour Orion-MPCV

La Nasa, qui prévoit d’utiliser l’Orion-ESM pendant les 20 à 30 prochaines années, aura besoin d’autant de modules de service. Bien qu’elle ait « négocié avec l’Agence spatiale européenne la possibilité de le reproduire », elle devra néanmoins aussi négocier avec les industriels européens du programme pour certains éléments qui relèvent de la propriété industrielle.

Autrement dit, la Nasa ne pourra pas reproduire entièrement le module de service. Les éléments les plus pointus « resteront sous la maîtrise d’œuvre européenne ». Si pour un certain nombre d’éléments, il n’y a « aucun problème à fournir les plans et les détails d’agencement », d’autres feront l’objet de négociations. Par exemple, ce sera le cas pour les moteurs de contrôle d’altitude, pour lesquels « l’Esa ne fournira ni plans ni licences ». La Nasa n’aura alors pas d’autre choix que de les acheter à l’industriel concerné.


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