Projet Constellation 2006

2006

Le rapport de l'étude du CEV américain, le Exploration Systems Architecture Study (ESAS) publié en octobre dernier montre que la NASA veut passer à la vitesse supérieure, si les finances suivent. En janvier 2004, le Pt Bush annonçait sa nouvelle "vision de l'exploration spatiale" pour la NASA: le retour sur la lune en 2020 et le vol vers Mars en 2030. Cette vision doit se faire sur des bases nouvelles. Elle implique un retrait des vols Shuttle en 2010 et la construction d'un nouveau vaisseau d'exploration, le CEV Crew Exploration Vehicle pour 2014.
Avec le retrait du Shuttle et les obligations de terminer la station ISS en lançant les éléments des partenaires étrangers, il est rapidement décidé d'utiliser le CEV pour desservir ISS et sa version cargo pour la ravitailler. La vision du Pt Bush est légèrement modifiée et réorganisée pour cette nouvelle tache. Des fonds sont débloqués et deux contractants pour le CEV choisit en 2005, pour les première études Preliminary Design Review (PDR) visant à faire voler un "démonstrateur" à échelle réduite duCEV en 2008 après que les contractants définitif aient été choisit. Pour les lanceurs, la NASA mise sur les lanceurs ELLV de l'USAF en compétition, l'Atlas 5 et le Delta 4. En avril, la NASA a un nouveau patron, Michael Griffin. Ce dernier restructure complètement le programme d'exploration en accélérant le programme pour réduire le trou entre l'arrêt du Shuttle et les premiers vols habités du CEV. Le but est de desservir ISS dès 2011. Le démonstrateur est annulé et les lanceurs ELLV mis de coté. Griffin a dans l'idée de réutiliser certains éléments du Shuttle ce qui minimiserait les coûts et les certifications. Un Heavy Lift Launch Vehicle est proposé utilisant deux boosters SRB entourant un étage cryogénique équipé de 5 moteurs SSME et surmonté d'un étage supérieur et d'une coiffe protégeant les charges utiles vers la lune ou Mars. Pour lancer le CEV qui ressemble à un CSM Apollo élargit, la NASA utilisera le CLV basé sur un booster SRB et un étage supérieur cryogénique.

Les missions de référence du programme du rapport de l'ESAS prévoit le ravitaillement de la station ISS en hommes et matériels, l'exploration de la lune avec des séjours d'astronautes de 7 jours et enfin le vol vers Mars pour 6 mois.

La première mission de référence utilisera le CLV surmonté du CEV pour desservir la station ISS. Un équipage de 6 hommes y prendra place et séjournera 6 mois dans la station. Une version cargo non pressurisé le Cargo Delivery Vehicle (CDV) permettra le ravitaillement en fret (6000 kg) à l'instar des Progress russes, ATV européen et HTV japonais. Une version pressurisé du CEV permettra d'amener 3500 kg d'expériences et assurer leur retour sur terre au bout de 90 jours.

Les missions de référence lunaire permettront le débarquement de 4 astronautes sur la lune pour un séjour de 4 à 7 jours. Le lanceur lourds HLLV, le CaLV sera chargé de lancer le module lunaire LSAM tandis que l'équipage sera lancé lui par le CLV séparément. Sur orbite terrestre, le CEV s'amarrera au LSAM (avec son étage porteur EDS) pour se diriger vers la lune. Arrivée près de la lune, le LSAM satellisera le train lunaire. Comme pour Apollo, il se séparera du CEV qui restera en orbite lunaire mais inhabité. Dans le scénario de la NASA, l'équipage au complet descend sur la lune. Après un séjour d'une à deux semaines, l'étage supérieur du LSAM remontera chercher le CEV. C'est ce dernier qui reviendra sur terre en parachute avec l'équipage.
Un scénario alternatif est proposé avec le lancement du CEV et du LSAM par deux CaLV. Chaque vaisseau se dirigera vers la lune grâce à son étage porteur. L'amarrage se fera en orbite lunaire. Un 3eme scénario prévoit lui le lancement de deux CaLV, un avec un étage propulseur, l'autre avec le CEV et le LSAM. L'amarrage du CEV-LSAM avec l'étage EDS permettra de voler vers la lune.
Pour des missions plus longue sur la lune, il est prévu de déposer 20 tonnes de matériels sur le sol. Un premier LSAM sera lancé pour se poser sur la lune. Un autre LSAM et un CEV arrivera juste après. Après un séjour de 6 mois, l'équipage reviendra sur terre avec le premier LSAM, laissant le second pour un futur séjour.
Un dernier scénario montre son nez, l'envoi de deux CEV vers la lune en 2015. Les deux vaisseaux voleront ensemble sans s'amarrer. Le premier but sera de préparer l'atterrissage avec un équipage sur la lune en 2018. Le vol permettrait aussi de tester les technologies de vol, notamment un système de communication par laser haute énergie.

Les dernières missions de référence visent Mars. Le scénario n'est pas encore finalisé, mais dans les grandes lignes il ressemblera à çà:
Lancement du DAV, Descend Ascent Vehicle vers Mars deux ans avant l'équipage sur une orbite martienne. Lancement du SHAB, Surface habitation vers Mars deux ans avant l'équipage. Il sera mis en orbite martienne puis atterrira sur la surface.
Assemblage et vérifications du vaisseau habité autour de la terre. Lancement de l'équipage avec le CEV et départ vers Mars . Mis en orbite après 180 jours de voyage.
Rendez vous avec le DAV en orbite martienne. Suivant le "go" ou le "no go" atterrissage sur Mars. La mission durera 18 mois au sol.
Remonté vers l'orbite martienne et rendez vous avec le Mars Transit Vehicle. Le SHAB reste sur Mars pour une éventuelle réutilisation.
Retour sur terre à bord du CEV après 180 jours de voyage.

Le LSAM est le module d'atterrissage lunaire. L'étage de remonté et descente supportera un équipage de 4 astronautes pour des séjours de 7 jours sur la lune. L'étage a la forme d'un cylindre posé horizontalement de 3 m de diamètre et 5 m de long offrant 32 m3 pressurisés. L'atmosphère à l'intérieur utilisera un mélange avec 30% d'oxygène sous 9,5 psa. Les sorties au sol se fera de jour par les 4 astronautes ensemble. Pour les missions supérieure à 4 jours sur la lune, elle seront entrecoupé de période de repos. Contrairement au LM Apollo, le LSAM sera équipé d'un petit sas interne permettant la sortie d'un astronaute sans dépressurisé le véhicule au complet. L'étage sera équipé de batterie électrique pour 3 heures nécessaire lors de la remonté. Le reste du temps, l'énergie sera fournie par l'étage de descente. L'étage de remonté utilisera un moteur LOX-méthane similaire au moteur du SM du CSV pour la remonté du module vers le CEV. 16 moteurs assureront le contrôle d'attitude.

L'étage de descente sera utilisé pour l'insertion en orbite lunaire et l'atterrissage sur la lune. Il fournira l'énergie électrique et le support vie pour l'étage de remonté. il sera équipé de 4 moteurs cryogénique dérivés du RL 10 du Centaur alimenté par 6 réservoirs de LH2 et 2 de LOX. Leur arrangement en anneau permettra de laisser deux quadrants disponibles pour du matériel. Quatre jambes permettront l'atterrissage au sol. L'alimentation électrique sera assurée par des piles à combustible. l'étage abritera aussi l'eau potable, le système de collecte des déchets et des réservoirs d'azote.

Le CEV est dérivé des cabines conique Apollo avec un diamètre de 5,2 m et une hauteur de 3,7 m.
La première version le Block 1 (9500 kg) sera utilisé pour la déserte d'ISS avec un équipage de trois astronautes à 6 astronautes et 400 kg de charges utiles (Block 1A). Une version cargo permettra d'envoyer 3500 kg vers ISS, block 1B. A l'image des Soyouz-Progress, le CDV (Cargo Delevery Vehicle) de 12 tonnes sera capable d'emporter 6 tonnes de fret vers ISS.

Le Block 2 enverra 4 hommes en orbite lunaire et les ramènera sur terre. Il s'amarrera au LSAM pendant le trajet terre-lune et sera capable d'un retour dans l'atmosphère à la seconde vitesses cosmique et un atterrissage au sol. Trois parachutes assurera le ralentissement de la cabine et des airbags en kevlar un atterrissage en douceur sur la cote Est des Etats Unis. La cabine offrira 15 m3 habitable pour l'équipage. L'atmosphère sera avec 30% d'oxygène lors du trajet vers la lune sous une pression de 65 kPa.
Le module de service SM assurera les opérations de mise en orbite, manoeuvre, contrôle d'attitude grâce à un moteur OMS de 6 tonnes de poussée et 24 moteur RCS de 400 kg de poussée et l'alimentation en électricité grâce à deux panneaux solaires. Le surplus de chaleur sera rejeté par 4 panneaux radiateur.

Le Block 3 enfin sera utilisé pour aller vers Mars avec un équipage de 6 astronautes. Le système de manoeuvre en orbite utilisera des moteurs alimentés en oxygène et éthanol, moins toxique que les ergols stockables d'Apollo. Un système d'amarrage permettra de s'accoupler à ISS ainsi qu'aux autres éléments du vaisseau.

Le CLV est un lanceur dérivé des éléments du booster SRB du Shuttle. Avec une hauteur de 88 m, il pèse 696 tonnes au décollage. Il peut mettre 22 à 24 tonnes en orbite LEO. Le premier étage est constitué de 4 segments SRB. La jupe arrière abrite le système hydraulique de contrôle de la poussée, les APU et les moteurs de séparation. La jupe avant abrite le système de récupération en vol et sert d'interface avec l'étage supérieur. L'étage mesure 40 m de hauteur pour 3 m de diamètre. Après 128 secondes de fonctionnement, il retombe dans l'Atlantique suspendu à un parachute. L'étage supérieur mesure 32 m de haut et 5 m de diamètre. Il est équipé d'un moteur cryogénique RS 25, dérivé du SSME du Shuttle alimenté par du LOX et du LH2 dans deux réservoirs séparés. L'étage brûle durant 332 secondes avant la satellisation du CEV.

Le CaLV est un lanceur lourd de 108 m de hauteur composé d'un étage central cryogénique flanqué de deux boosters SRB capable de placer 124 tonnes en orbite LEO.

Les boosters sont les mêmes que ceux du CLV mais constitués de 5 segments au lieu de 4. Allumé au sol, ils brûlent 132 secondes avant de se séparer et de retomber en parachutes dans l'Atlantique. L'étage central est cryogénique. il contient 38% de propergols de plus que le Et du Shuttle. Son diamètre est celui du ET soit 8,3 m. La partie arrière reçoit le bati moteur avec les 5 moteurs RS 25 montés. L'étage allumé au sol brûle durant 408 secondes. la partie supérieur sert d'interface avec l'étage supérieur EDS.

L'étage EDS Earth Departure Stage est un étage cryogénique équipé de deux moteurs J2S, dérivé du J2 du Saturn. Il mesure 22,5 m de long. il permet la mise en orbite du LSAM en brûlant 218 secondes. Après amarrage avec le CEV, il est remis à feu durant 154 secondes pour envoyer le train lunaire vers la lune.

Le développement du CEV Constellation se fera sur la base de ce qui s'est fait pour Apollo, la NASA limitera les vols d'essai. 3 vols seront réalisés pour tester et valider le système d'éjection en vol LAS en 2009-2011 (LES 1 à 3). Suivront 3 vols de développement et de certification du CLV avec des maquettes (RRF 1 à 3) et un vol avec le Block 1 du CEV (RRF 3) avant un vol habité vers ISS en 2011 (ISS 1). Il l'a desservira jusqu'en 2016.
Concernant le HLLV dénommé Cargo Launch Vehicle CaLV, deux vols (Constellation 1 et 2) permettront de tester le système en orbite terrestre en 2017 avant de réaliser un vol habité vers la lune avec le CEV et le LSAM (Constellation 3) puis un atterrissage sur la lune avec le débarquement sur la lune en 2020 au plus tard (Constellation 4).

Pour les installations sol, il n'y aura pas trop de changement, Le complexe 39 sera réutilisé pour lancer le CLV et le CaLV . L'O&C building reprendra le rôle qu'il avait pour Apollo, l'intégration du CEV, celle du LSAM se fera dans le SSPF avec les éléments d'ISS. Le VAB sera modifié pour les nouveaux lanceurs avec l'ajout d'une nouvelle plateforme de travail au dessus des 4 existantes. Les 4 segments SRB, l'étage EDS cryogénique, les adaptateurs, le CEV proprement dit seront assemblé dans l'une des deux grandes baies du VAB. Les segments SRB arrivent par train au RPSF, l'étage EDS par avion et le CEV de l'O&C dans les petites baies pour être préparer. Pour l'assemblage du CaLV, même scénario, les 5 segments SRB, l'étage central et EDS arrivent par bateau dans le VAB.

La complexité d'un ensemble de lancement dépend de plusieurs facteurs comme le nombre éléments de vol, la nature de l'étage supérieur, les interfaces sol pour les boosters et leur armement avant le vol, le type de propulsion liquide qui déterminera l'aménagement des réservoirs avec le sol. Le fait que le CEV utilise certains éléments du Shuttle allégera les modifications des pads de tir. L'utilisation de gros lanceurs dérivés des ELLV de l'USAF aurait nécessiter d'importantes modification du LC 39, l'élargissement de la tranchée d'évacuation des gaz et une rehausse importante du bâtiment d'assemblage.

Le concept "mobile launcher" sera réutilisé mais allégé. Comme pour Apollo-Saturn, le CLV et le CaLV seront préparés, intégrés en amont loin du pad de tir, seules les opérations de remplissage et de compte à rebours seront réalisés sur le pad, aucun accès ne sera fait sur les équipements annexes. Ce concept dit "clean pad" ne nécessitera que des interfaces minimales entre le lanceur et le sol. Apollo-Saturn a inauguré ce type de concept, mais le remplissage en ergols toxiques, l'arment des charges pyrotechniques du vaisseau Apollo obligeait l'utilisation d'une énorme tour de service mobile. La conversion du pad pour le Shuttle n'a pas permit de réaliser cette approche. Une tour de service rotative RSS a remplacé la tour mobile Apollo et les ombilicaux de la plateforme de lancement ont été déplacé sur une tour attenante fixée au sol, la FSS. Le remplissage en ergol toxique de l'Orbiter se faisant par des systèmes installés à demeure dans la tour RSS. Le premier concept réel de "clean pad" a été réalisé avec le SLC 41 pour l'Atlas 5. Ce concept sera maintenant utilisé pour le projet Constellation.

Sur le pad sera construit une tour très simple servant de paratonnerre et d'accès aux personnel ainsi qu'à l'évacuation des astronautes. Elle sera dépourvue de bras de service et d'ombilicaux. Ces derniers seront montés sur une tour ombilicale fixée sur la plateforme de lancement, la MLUT. Le lanceur assemblé est connecté directement aux interfaces sol dans le VAB à l'abri des intempéries.

Pour le CEV-CLV, les 3 MLP du Shuttle seront converties. La tour FSS sera allégée et rallongée pour s'accommoder au lanceur. Il restera à savoir si l'accès et l'évacuation du personnel se fera depuis la tour ombilicale MLUT ou depuis la tour FSS comme pour le Shuttle actuellement.

Pour le premier vol, RRF 1, peu de modification seront faites sur le MLP. Le vol permettra de tester une configuration SRB avec un étage supérieur inerte. L'intégration se fera dans le VAB, l'accès sur le pad au SRB se faisant par un système de grue. Il n'y aura pas de modifications importantes sur le pad 39 B qui sera utilisé pour ce vol (il sera en cours de maintenance pour le Shuttle à ce moment là). La plate-forme MLP sera modifiée pour le second vol RRF 2 avec le démontage des mats TSM et l'ajout d'une tour ombilicale sur la fosse du second SRB. L'assemblage des SRB et de l'étage supérieur actif se fera dans le VAB, l'accès sur le pad étant encore réalisé par un système de grues. La tour RSS sera enlevée de même que les bras de service de la tour FSS. Pour les autres vols du CLV avec le CEV habité, la tour FSS du pad sera allongée et les MLP finalisées. Cette étape intermédiaire permettra de continuer à lancer le Shuttle sur le pad 39A. Pour les missions lunaires, le pad A sera rasé et reconstruit pour accepter la nouvelle tour ombilicale semblable à celle d'Apollo-Saturn. Le pad B sera à son tour modifié à l'image du A. Au final, le LC 39 pourra accueillir aussi bien le CLV que le CaLV. Deux MLP pour le CaLV seront construites ainsi que deux crawler supplémentaires. Une autre possibilité est envisagée par la NASA, l'utilisation du SLC 40 des Titan 3 abandonné depuis 2004. Cela permettrait de na pas gêner les vols du Shuttle restant à faire avant 2010.

Pour les coûts, la NASA mise sur l'économie. L'option "Shuttle derived" va permettre de sérieuses économies en développement et en risque que le choix des lanceurs ELLV. Un CLV avec 4 segments SRB et un moteur SSME est la solution la plus rentable. Un CEV réutilisable permettra de gagner 2 millions de $ par vol. La desserte d'ISS par le CLV-CEV fera gagner 1 millions $ par an par rapport au Shuttle.

Le développement du CEV demandera de gros efforts budgétaires pour les années fiscales 2008-2010 et 2014-2016 pour le LSAM. Apollo, hormis les infrastructures sol et les Saturn 1B a coûté en dollars de 2005, 101 milliards $. L'option "Shuttle-dérived" permettra de gagner 10 milliards $. Alors qu'Apollo a amené 2 hommes sur la lune pour des séjours de 2 jours, Constellation amènera 4 astronautes pour des durées bien supérieures. Si les missions Constellation réalisent 6 missions lunaires, comme Apollo, le coût sera estimé à 97 milliards $.

Le CEV sera équipé de 4 nouveaux moteurs "articulés" appelé "Canfield joint" sur son module de service en place des 4 groupes de 8 moteurs tuyères utilisés sur Apollo. Ce système novateur sera aussi installé à la base du module pour orienter les deux panneaux solaire.

Le CEV version Lockheed Martin et Boeing.
Le CEV LM possède deux moteurs sur le SM, celui de Boeing un.
Le CEV Boeing est équipé de 2 panneaux solaire fixes, ceux de LM sont rétractable et déployable.
L'informatique de bord sera plus moderne sur le CEV de LM et ce dès le premier vol.
La stabilisation du CEV de LM sera sur trois axes, tandis que celui de Boeing selon la méthode dite du "barbecue".

2006 partie 2