La navette spatiale

(Décollage de Discovery vers l'ISS, photo de la NASA, 28/10/2007, wikipedia, www.spaceflight.nasa.gov)

Peu avant de réussir à poser l'Homme sur la Lune, la NASA a lancé le 30 octobre 1968 une consultation pour préparer le développement d'un futur système de lancement capable de revenir sur Terre, avec une capacité d'emport de plusieurs tonnes de charges.

Persuadés que la réussite prochaine du projet d'aller sur la Lune va convaincre les décideurs politiques (et budgétaires) de pérenniser l'effort financier accordé à la NASA, les ingénieurs de l'agence estiment qu'il est envisageable de voir bientôt l'Homme coloniser la lune et partir à la conquête de Mars. La conception de la future navette spatiale est un pré-requis pour toute exploration de notre univers, aux yeux des décideurs de la NASA.

En février 1969, 4 sociétés présentent des travaux qui intéressent la NASA : North-American Rockwell, Lockheed, General Dynamics et McDonnell Douglas.  La conception des moteurs est confiée aux motoristes Rocketdyne et Pratt & Whitney, tandis que plusieurs centres de recherches de la NASA émettent des avis divergents sur la conception finale de la future navette spatiale (charge utile, profil aérodynamique, etc).

En juin 1970, la NASA publie un nouveau cahier des charges, en vue de lancer la phase de conception, plus approfondie : les demandes précisent que la navette devra comporter 2 étages qui décolleront verticalement et atterriront horizontalement, et que l'engin puisse placer en orbite une charge de 6.80 tonnes à 500 kilomètres d'altitude. Quelques mois plus tard, la demande de l'agence passe à 11.50 tonnes de charge utile, pour se rapprocher des besoins de l'armée et en espérer le soutien.

Les différents compétiteurs se voient demander de concevoir 2 orbiteurs différents, dont l'un devra être capable d'effectuer un éventuelle 2ème tentative d'atterrissage, ce qui nécessite la présence de turboréacteurs. L'ambition de la NASA est aussi que la navette soit opérationnelle 2 semaines après son retour sur Terre, pour réaliser un total de 25 à 70 vols par an. En juillet 1970, la phase de conception est lancée et McDonnell Douglas (associé à Martin Marietta) et North American Rockwell (associé à General Dynamics) sont retenus et les industriels fournissent une version préliminaire de l'étude en décembre 1970. La NASA émet des remarques et les industriels remettent leur copie finale en mars 1971.

En avril 1971, James C Fletcher prend la tête de la NASA et défend le programme de la navette, freiné par le Sénat qui en limite le budget, et il souhaite intégrer dans le cahier des charges les besoins des militaires, en vue d'en obtenir le soutient. Pour essayer de réduire un peu les coûts du programme, la NASA coopère avec quelques pays pour intégrer des équipements à bord de la future navette : c'est notamment le cas de l'Allemagne qui créé un laboratoire embarqué et du Canada qui conçoit le bars articulé pour manipuler les charges en orbite. En juin 1971, la NASA choisit d'opter pour un réservoir externe non réutilisable, moins coûteux et plus sûr, et en septembre 1971 elle demande aux compétiteurs d'étudier une navette avec réservoir externe.

En novembre 1971, l'agence spatiale lance un étude concernant le 1er étage et les industriels Grumman/Boeing, Lockheed, McDonnel Douglas/Martin Marietta et North American Rockwell étudient 3 concepts : l'un avec un étage du lanceur Saturn 1-C, l'autre avec un moteur à ergol liquide et le dernier avec des propulseurs d'appoint à propergol solide. Cette dernière solution est retenue par la NASA, ce qui lui fait économiser $ 500 000 000 de coût de développement mais double le coût d'exploitation. 

La NASA met en avant la réduction du prix du kilogramme de charge utile placé en orbite par la navette et transmet à la présidence une évaluation des coûts de développement et d'exploitation de la navette, pour des capacités de 14 à 30 tonnes, marquant sa préférence pour la version lourde (qui correspond aux besoins de l'armée) et permet l'assemblage d'une station spatiale.

Le 5 janvier 1972, le président Richard Nixon donne son feu vert au programme, dans un cadre budgétaire restreint, avec pour objectif de soutenir l'industrie aéronautique impactée par la baisse des commandes militaires, avec le désengagement progressif de la guerre du Vietnam; par ailleurs, le jeu politique et électoral joue un rôle important, en particulier en Californie où 370 000 emplois sont liés à l'aéronautique.

Les contraintes budgétaires imposées à la NASA la contraignent à renoncer à une 2ème station Skylab et interrompt les missions habitées pour faire des économies et financer le programme de la navette. En mars 1972, l'agence lance un appel d'offres pour la conception et la construction de l'orbiteur et les propositions de North American Rockwell (basé en Californie) et de Grumman (basé dans l'État de New York) arrivent en tête. 

North American Rockwell (devenu Rockwell en 1973) emporte l'appel d'offres le 26 juillet 1972 et signe un contrat de $ 2 600 000 000 de l'époque pour construire 2 orbiteurs opérationnels (2 autres commandés par la suite) et 1 de test. L'orbiteur proposé par Rockwell peut placer 29.50 tonnes de charge en orbite basse, dispose d'une soute de 18.30 mètres de long par 4.57 mètres de large et peut se poser à 2350 kilomètres de part et d'autre de sa trajectoire orbitale.

La construction des propulseurs d'appoint est confiée à la société Thiokol (dans l'Utah) et celle du réservoir externer à Martin Marietta, dans on usine de Louisiane; la société californienne Rocketdyne est choisie pour les moteurs principaux de l'orbiteur. Entre 1972 et 1974, plusieurs changements sont apportés dans le design du futur orbiteur, pour en réduire les coûts de développement, avec en particulier l'abandon des turboréacteurs qui devaient équiper l'orbiteur pour l'atterrissage. Dans la mesure où la navette n'était alors plus sensée être motorisée, la NASA a fait l'achat d'un Boeing B-747 d'occasion en 1974 pour la transporter sur son dos et a fait procéder aux modifications nécessaires.

Les premiers essais des moteurs fusées débutent en octobre 1975, et le réservoir externe est graduellement allégé et permet finalement de gagner 4.50 tonnes; la navette expérimentale Enterprise est achevée en mars 1976 et elle effectue plusieurs vols (sans et avec équipage) sur le dos du B-747 en 1977. En août de la même année elle est larguée pour la 1ère fois par l'avion pour réaliser un vol libre non propulsé, d'une durée de 5 mn puis se pose à Edwards, en Californie. Les tests en vol se poursuivent et durent de plus en plus longtemps pour vérifier le bon comportement de la navette, mais des problèmes de développement des moteurs-fusées retardent le programme de 2 ans.

(Entreprise sur le dos du B-747, photo NASA/KSC, 27/03/1997, wikipedia, www.nasa.gov)

Finalement le 12 avril 1981, la navette Columbia effectue son premier vol et réalise 37 orbites en 2 jours, puis se pose; le 11 novembre 1982, cette même navette procède au 1er vol opérationnel et place 2 satellites de télécommunications privés en orbite. Cherchant à attirer des clients étrangers, la NASA sous-évalue le coût du lancement et fait des rabais pour les militaires américains; malgré les réussites des missions, dès 1985, le programme de la navette coûte beaucoup plus cher en exploitation que prévu et n'atteint pas la cadence espérée (5 fois moins élevée au final).

La NASA subit une tragédie le 18 janvier 1986 lorsque la navette Challenger explose peu après le décollage (73 secondes), en raison d'une fuite dans un propulseur d'appoint, tuant ses 7 membres d'équipage presque en direct, puisque la NASA filmait la trajectoire de l'orbiteur. Une vaste enquête est alors lancée et révèle que des défaillances étaient connues mais minimisées ou occultées, provocant l'indignation et nécessitant de nombreuses modifications, qui arrêtent le programme pendant 32 mois.

L'exploitation des navettes reprend à partir du 29 septembre 1988, alors qu'une base avait été spécialement conçue pour les missions militaires à Vandenberg, en Californie, et qui ne sera finalement jamais utilisée à cause de l'accident de Challenger; entre 1995 et 1998, la navette s'est amarrée 9 fois à la station russe Mir et elle a participé à la construction de la station spatiale internationale (ISS).

Le 1er février 2003, la navette Columbia explose en vol au moment de la rentrée atmosphérique, car son bouclier thermique avait été endommagé au décollage, et la NASA perd alors encore 7 astronautes pour une cause qu'elle connaissait mais n'avait pas traitée. La gestion de l'agence est publiquement remise en cause et son budget serré, associé aux enjeux de l'assemblage de l'ISS, ont entraîné une pression très forte sur l'agence et son personnel.

L'exploitation de la navette est interrompue durant 18 mois et ne reprend qu'en juillet 2005, mais la décision est prise d'arrêter d'utiliser ces orbiteurs, anciens et trop coûteux, dont le dernier vol a eu lieu le 21 juillet 2011.

Un total de 6 navettes est construit : Enterprise pour les essais, puis Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis et Endeavour (qui remplaça Challenger). La première n'a jamais été dans l'espace, et les autres ont respectivement effectué 28 missions, 10 missions, 39 missions, 33 missions et 25 missions, entre 1981 et 2011.

Au total, le programme de la navette spatiale a coûté $ 198 600 000 000.

Caractéristiques

La navette spatiale mesure 37.23 mètres de long, 17.25 mètres de haut et 23.79 mètres d'envergure, pour une masse à vide de 78 tonnes et une masse maximale au décollage de 110 tonnes. L'équipage de la navette varie de 2 à 5 membres.

La charge utile pour les orbites basses à 204 kilomètres d'altitude est de 27.50 tonnes et de 16.05 tonnes à une altitude de 407 kilomètres, notamment pour l'ISS; la soute de la navette mesure 4.60 mètres de diamètre et 18 mètres de long, et possède un toit qui s'ouvre en 2 parties.

L'altitude opérationnelle de la navette varie de 190 à 960 kilomètres et elle peut atteindre une vitesse orbitale de 27 870 Km/h; ses 2 boosters d'appoint au décollage mesurent 45.46 mètres de long, 3.71 mètres de diamètre, et ils pèsent 571 tonnes au lancement chacun. Le grand réservoir externe central mesure 46.90 mètres de long, 8.40 mètres de diamètre, embarque 2025 m³ de carburant et pèse 756 tonnes au lancement.

Elle possède 3 moteurs fusées Rocketdyne à oxygène et hydrogène liquides, qui sont actifs durant 480 secondes, ainsi que 2 fusées pour manœuvres orbitales.

(Cockpit modernisé d'Endeavour, photo de Steve Jurvetson, 05/04/2012, www.flickr.com)

(Discovery en approche de l'ISS, photo de la NASA, 26/02/2011, wikipedia, www.nasa.gov)