Vue d'artiste du Gateway, la petite station spatiale internationale en orbite cis-lunaire. © Thales Alenia Space
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Thales Alenia Space va construire les deux modules européens de la station spatiale lunaire de la Nasa. Interview

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Aujourd'hui, l'Agence spatiale européenne donne le coup d'envoi de sa participation au programme Artemis de la Nasa. Elle sélectionne Thales Alenia Space pour la réalisation des modules d'Esprit et I-HAB de la future station spatiale lunaire LOP-G (Lunar Orbital Platform - Gateway). Nos explications et l'éclairage de Franco Fenoglio, chef des programmes des transports et des vols habités chez Thales Alenia Space.

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Dans le cadre de l'édition 2020 du Congrès international d'astronautique (IAC), l'Agence spatiale européenne et Thales Alenia Space ont officialisé les contrats portant sur la fourniture d'Esprit et I-HAB, deux modules de communication, de ravitaillement et d'habitation de la station spatiale lunaire de la Nasa (le Gateway, aussi appelé la Passerelle). Ils seront développés et construits par Thales Alenia Space en Italie et en France pour un coût total de 622 millions d'euros. Ces deux modules sont la contribution européenne pour cette station lunaire et ouvre une nouvelle décennie d'exploration européenne vers la Lune et Mars.

Mettons de côté les aspects économiques et sociaux de ces deux contrats -- en les signant, l'ESA garantit l'emploi en Europe chez ses partenaires industriels, ainsi que la continuation de son programme d'exploration de la Lune et de Mars -- pour s'intéresser aux aspects techniques de ces deux modules avec Franco Fenoglio, chef des programmes des vols habités et de transport spatial chez Thales Alenia Space (TAS), qui apporte en fin d'article quelques éclairages et précisions nécessaires.

Esprit est un petit module de communications et de ravitaillement composé de deux éléments. Il comprend des systèmes de stockage et de ravitaillement en propergol, des éléments de propulsion électrique, des systèmes de communication avec la Lune, des points d'interface pour les charges utiles externes et un sas pour déployer des charges utiles scientifiques. Le premier élément, nommé HLCS (Halo Lunar Communication System), assurera les communications entre le Gateway et la Lune. Il est prévu pour être lancé en 2024 avec Halo (Habitation and Logistics Outpost).

La deuxième partie, ERM (ESPRIT Refueling Module) combine le ravitaillement du Gateway et un petit module pressurisé (un tunnel) équipé de larges fenêtres offrant une vue à 360° sur l'espace, la Lune, la Terre et le reste du Gateway. ERM assurera le ravitaillement actif de la station spatiale en carburant chimique et en Xenon pour prolonger sa durée de vie mais aussi pour préparer « l'utilisation d'un atterrisseur lunaire réutilisable ou le transport vers l'espace lointain, notamment vers Mars ». Son lancement est prévu en 2027.

Le Gateway et ses différents modules dont ceux que réalisera Thales Alenia Space (l'Américain Halo et les Européens Esprit et I-Hab). © Esa

Quant à I-HAB (International - Habitat), il s'agit d'un module pressurisé de 7 mètres de long avec un diamètre de 4,5 m et une masse sèche au lancement comprise entre 8 et 10 tonnes selon le lanceur sélectionné. Il est doté de fonctions « d'habitabilité et de maintien de la vie, offrant des capacités d'amarrage pour fournir des interfaces et des ressources aux véhicules de passage ». S'appuyant sur l'héritage « des éléments pressurisés de l'ISS réalisés par TAS et sur de nouveaux procédés et technologies, I-HAB représentera l'évolution des éléments de l'ISS vers une nouvelle génération de modules d'exploration dans l'espace lointain ».

I-HAB répondra à l'évolution des exigences et des performances pour des structures plus légères et des systèmes optimisés de « protection contre les micrométéorites, des systèmes d'amarrage et des trappes évolués, des architectures fonctionnelles et avioniques améliorées, des systèmes de contrôle thermique plus efficaces avec des radiateurs déployables pour assurer une diffusion de chaleur totalement autonome et des systèmes de conditionnement innovants ». I-HAB expérimentera pour la première fois une longue exposition à l'environnement de l'espace lointain, offrant la possibilité de tester et de démontrer les solutions de conception potentielles pour assurer la protection contre les radiations cosmiques.

I-HAB étant sans équipage la plupart du temps où il évoluera en orbite, des « solutions dédiées aux opérations robotiques, tant à bord qu'à l'extérieur du module devront être implémentées ». L'une des étapes clés de l'évolution de sa conception par rapport aux modules de l'ISS sera d'utiliser la réalité virtuelle pour mettre au point des intérieurs habitables plus confortables, en particulier par le biais de solutions modulaires et reconfigurables pour optimiser l'espace et le confort de l'équipage. Le lancement d'I-HAB est prévu en 2026.

Le Gateway : qui fera quoi ? © ESA

Futura : Dans quels matériaux seront réalisés ces deux modules ?

Franco Fenoglio : La liste est longue, mais juste pour donner quelques points intéressants relatifs aux pièces thermo-mécaniques : le matériau typique pour les structures primaires est l'alliage d'aluminium, qui sera utilisé également pour les structures secondaires pouvant aussi combiner d'autres solutions comme, par exemple, de la mousse moulable.

La partie protection contre les micrométéorites est conçue avec des panneaux en aluminium, les radiateurs thermiques seront des panneaux de grande taille avec des mécanismes et des tubes à fluide. Le contrôle thermique passif sera généralement réalisé avec des MLI (isolation multicouche) avec utilisation de tissu bêta aluminisé. Le tissu bêta est un type de tissu ignifuge en fibres de silice, similaire à la fibre de verre. Les fenêtres seront conçues avec des panneaux acryliques.

Futura : De quel module existant l’héritage d’I-Hab sera-t-il ?

Franco Fenoglio : La structure principale de l'I-HAB devrait être dérivée de la structure primaire de Halo (Habitation and Logistics Outpost), le premier module pressurisé qui formera le gateway. À son tour, Halo peut être considéré comme une « évolution » et une « amélioration » pour l'orbite lunaire du cargo Cygnus PCM (Pressurized Cargo Module). Mais, comparé à un module pour l'ISS, nous pouvons dire que l'I-HAB mettra en œuvre des différences significatives, malgré le fait qu'il s'appuie sur l'héritage et les capacités développées par Thales Alenia Space pour les modules ISS.

Futura : Que faut-il comprendre par « des solutions dédiées aux opérations robotiques, tant à bord qu’à l’extérieur du module I-Hab devront être implémentées » ?

Franco Fenoglio : Pour l'extérieur, et pour éviter les sorties extra-véhiculaires (EVA Extra Vehicular Activity), les modules peuvent être équipés d'interfaces robotiques que les bras robotiques ou même des robots réels pourraient atteindre pour effectuer des opérations externes, comme le remplacement de pièces, les inspections, etc. De même, des interfaces robotiques peuvent être implémentées à l'intérieur du module pour permettre aux robots d'exécuter des activités, soit dans une sorte d'approche « collaborative » avec l'équipage (le cas échéant), soit de manière plus autonome lorsque le module sera sans surveillance ; ceci, à la fois pour la maintenance, les opérations d'expérimentation, etc...

Il faut préciser que le scénario robotique est toujours en cours de définition. Jusqu'à présent, la conception du module prévoit principalement l'implémentation des interfaces pour permettre les futures opérations robotiques.

Petite parenthèse pour souligner que, comme le Gateway ne sera pas habité en permanence contrairement à l'ISS, il devra donc fonctionner de manière autonome. Nous équiperons les deux modules I-HAB et Esprit d'une interface robotique permettant de réaliser la maintenance et des opérations à distance.

Futura : Concernant la protection contre les radiations cosmiques d’I-Hab, quels sont les solutions et concepts prévus ?

Franco Fenoglio : La  nécessaire protection contre les radiations dans l'ISS est limitée car l'orbite LEO est toujours sous la protection de la ceinture de Van Allen. Quand on s'éloigne de l'orbite LEO, cette protection diminue et les modules devront être équipés d'une protection spécifique contre les radiations. Désormais, la permanence de l'équipage dans le gateway sera initialement assez limitée (entre 30 et 40 jours) donc, dans ce cas, la protection offerte par la structure du module et ses parties et équipements internes pourraient suffire ; ou, au moins, on pourrait commencer éventuellement à mettre en œuvre uniquement des boucliers « locaux », par exemple dans les quartiers où l'équipage se reposera et passera le plus de temps. À noter qu'une épaisseur accrue de matériaux métalliques (comme la coque en aluminium du module) n'est pas très efficace en termes de radioprotection, il faut plutôt mettre en place des couches d'autres matériaux, notamment avec une bonne teneur en hydrogène -- dans cette perspective, des couches ou couvertures avec de l'eau pourraient être implémentée ainsi qu'une solution acoustique.

Futura : Lors des premiers vols d’Artemis, une protection complète contre les radiations dans le module Gateway n'est probablement pas nécessaire ?

Franco Fenoglio : Pour la première mission certainement oui. Mais si l'on considère le Gateway comme une première occasion pour l'Europe d'expérimenter des orbites déjà représentatives de l'environnement « lointain », cela vaudra certainement la peine de l'exploiter pour tester des technologies en orbite et concevoir des solutions de protection contre les radiations qui deviendront alors « obligatoires » pour des futures missions d'exploration plus longues, comme un voyage vers Mars.

Futura : Le tunnel d’Esprit est-il l’héritage de la Coupole ?

Franco Fenoglio : Le WIT (Window Tunnel) sera bien sûr « inspiré » par ce qui a été fait pour la Cupola de l'ISS, mais avec une nouvelle approche de conception sur certains aspects, en particulier les matériaux et la compatibilité-protection contre l'environnement : les vitres sont prévues pour être conçues en acrylique au lieu du verre, notamment pour limiter la masse de lancement, le verre étant nettement plus lourd. Le matériau doit également être testé (et approuvé) contre l'environnement spatial qui est différent en orbite lunaire par rapport à l'orbite terrestre basse. À titre d'exemple, la protection contre les micrométéorites pourrait être un peu moins exigeante qu'avec l'ISS en raison de l'absence des débris spatiaux en orbite lunaire.

Futura : S’agit-il d’un module complexe à réaliser ? Des points durs ?      

Franco FenoglioLa structure principale de WIT en elle-même n'est pas un problème majeur car il s'agira d'un module pressurisé en aluminium standard, même s'il est de diamètre inférieur à celle du module conçu pour ISS, ce qui nous obligera à adopter de nouveaux gabarits et outils de production. De toute façon, les fenêtres représentent toujours des singularités dans la structure. Par conséquent, une conception minutieuse doit être effectuée pour garantir des performances mécaniques appropriées.

Typiquement, la partie la plus compliquée est l'assemblage de la fenêtre du fait des vitrages mais aussi l'étanchéité pour éviter et limiter les risques de fuite d'atmosphère, le traitement de surface éventuel pour assurer les propriétés optiques adéquates, la qualification face à un nouvel environnement spatial (lunaire) qui pourrait être exigeant (par exemple en termes de cyclage thermique) ; une protection possible contre la poussière lunaire (apportée par les véhicules lunaires amarrés au gateway lors du retour de la surface de la lune) pourrait être une autre exigence à affronter.

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