LES ETAGES SUPERIEURS DU STS

Le système de transport spatial a été conçu uniquement pour l' orbite basse, la déserte de station orbitale , le dépôt ou la réparation de satellites. Le marché des années 1980 se situe sur l' orbite géostationnaire GO. Cette orbite à 36000 km de la terre permet au satellite de tourner en exactement 24 heures et donc s' il est situé sur l' équateur de paraître immobile pour un observateur terrestre. L' avantage est considérable pour les communications et télécommunications car cet unique relais va remplacer des milliers de faisceaux d' antennes, d' émetteurs partout dans le monde.

Malheureusement le STS n' a pas été développé dans cet optique au début des années 1970. Tout au moins, la NASA avec l' USAF avait décidé de développer un étage remorqueur le "Tug" dérivé du téléopérateur destiné lui à sauver la station orbitale Skylab en 1979. Les retards s' accumulant, le Tug fut annulé et le téléopérateur aussi après la retombée prématurée de Skylab en juillet 1979.

Le STS possède trois types d' étages supérieurs lui permettant la mise en orbite GO de satellites commerciaux et autres, le PAM ou SSUS, l' IUS et le Centaur.

PAM, Payload Assit Module.

C' est le seul étage à propergols solide, le PAM existe en trois versions pour le STS. Il est capable de placer en GTO 1100 kg pour la version PAM D, 1660 kg pour la version PAM D2 et 1760 kg pour le PAM A.
A noter que le PAM peut être utilisé sur des orbites autres que GTO.
Le PAM se compose de trois parties, le berceau attaché à l' Orbiter, la table de rotation (spin) et le moteur proprement dit.
Le berceau est la structure support attachée en cinq points dans la soute de l' Orbiter. Large de 4,5 m et longue de 2,3 m, elle est réalisée en tubes d' aluminium, de longerons et d' attache en acier chromé.
La table de spin permet de stabiliser par rotation le satellite pour l' éjection avant l' allumage du moteur.
Deux moteurs électriques permettent de faire varier la vitesse de spin de 45 à 100 tours par minute.
Une fois le satellite mis en rotation et vérifié, l' étage est éjecté du berceau par des ressorts à la vitesse de 0,9 m/s.

John Hills: "Voici une image des moteurs satellites Star 30 et Star 48 que nous avons fabriqués à Morton Thiokol, Elkton, MD. C'était le premier satellite commercial déployé par la navette spatiale le 11 novembre 1982, STS5. Je travaillais dans l'installation depuis juin 1981 tout juste à la sortie de Virginia Tech. J'ai travaillé sur ce moteur. Je me souviens avoir travaillé avec Joe Lehman notre chimiste QC en faisant beaucoup de tests de moisissure sur l'isolation qui posée à l'intérieur de la carcasse en Titanium du moteur et qui devait être aussi totalement exempt d'humidité car cela pourrait éventuellement causer des "vides" dans l'interface entre l'isolation et le propergol. Nous avons également effectué des test aux rayons X sur le moteur fini pour vérifier les vides. Le jour où ce moteur a été coulé, j'ai aidé l'équipe de production avec le timing de la cure. Rappelez-vous, une fois que le propulseur est mélangé et que l'IPDI curatif est ajouté, il commence à devenir de plus en plus épais jusqu'à ce qu'il se solidifie. Toutes les 30 minutes, j'appelais la production et je leur donnais un temps de rhéologie actuel. Ils avaient un certain temps pour faire le moteur avant que le carburant ne coule plus et ne se pose correctement. Et rappelez-vous, c'était chargé sous vide à travers quelque chose que nous appelons des « plaques fendues » qui étaient vraiment minces dans un morceau de métal circulaire. Cette étape permettrait de garantir qu'aucun vide d'air de quelque type que ce soit ne reste dans le carburant alors qu'il tombait. Le test de rhéologie était incroyablement simple mais très efficace. Lorsque le lot était terminé, je recevais un échantillon de 1 gallon « G-Block » pour effectuer divers tests. J'en ai versé dans un bécher et j'ai fait le test de rhéologie. Il consistait en un minuteur comme une horloge à bras tournant qui plongeait lentement un poids de plomb dans le propergol et remontait à nouveau dans un mouvement rythmique. Alors que le propergol se recroquissait et s'épaississait, on pouvait voir le plomb avoir de plus en plus de mal à s'enfoncer dans le propergol épais. Au moment précis où le plomb ne pouvait plus entrer dans le propulseur, ou être retiré s'il coulait et restait coincé, c'était la limite du temps de coulage. Plus aucun propergol ne pouvait être ajouté après ce point. Croyez-moi, nous avons eu quelques lots qui ont vraiment poussé la limite à la vitesse à laquelle une Star 30 ou une Star 48 pouvait être remplie sans défauts. Je suis très fier d'avoir fait ma part avec ce moteur, et cet événement. Et j'ai continué à le faire tout au long des années 1980.

Dans la soute le berceau, l' étage et le satellite sont recouvert d' une couverture thermique en Mylar très léger qui protège les cotés du berceau du rayonnement solaire lorsque les portes de la soute sont ouvertes en orbite. En plus le haut de cette protection s' ouvre au moment du largage pour laisser passer le satellite. Elle permet de loger des satellites de 2,2 m de diamètre au maximum pour la version PAM D et 2,9 m pour la version PAM D2.

Les moteurs des PAM sont des Thiokol Star (version 63D pour le PAM D2), l' avionique des deux versions étant commune. Le PAM est développé par Mc Donnell Douglas Astronautics Co, à Huntington Beach en Californie.

Le PAM D a été utilisé pour la première fois sur le Shuttle à l' occasion de la mission STS 5 en novembre 1982. L' étage PAM A n' a jamais été utilisé avec le STS, car Intelsat en annonçant le lancement de ces satellites avec Ariane ou l' Atlas a condamné le programme, car le PAM A était prévu pour les Intelsat 5.

IUS, INERTIAL UPPER STAGE

L' étage IUS est utilisé principalement avec le STS pour la mise en orbite des gros satellites relais TRDRSS ainsi que quelques sondes spatiales, Magellan, Galileo et Ulysses (2340 kg en GTO).

L' IUS a été conçu au départ comme un remorqueur réutilisable et a donc été nommé Interim Upper Stage. Le nom a changé en Inertial Upper stage, qui signifie qu' il est stabilise par une centrale à inertie et non par spin, quand la NASA a réalisée que l' étage pouvait servir après les années 1990.

L' IUS a été développé et construit sous contrat de l' USAF, le Air Force Materiel Command's Space & Missile Center Division. Cet organisme est l' agent exécutif du DoD pour les missions militaires utilisant le STS et l' IUS. En août 1976, après deux années de compétition, la firme Boeing de Seattle obtenait le contrat de fabrication de l' étage. Le Space and Missile Systems Center est l' agent exclusif pour le DoD associé au système STS et pour toutes les missions NASA avant Chandra. Pour ce dernier, l' étage IUS a été fournit par le centre Marshall. Le centre a travaillé en coopération avec le United States Air Force 3rd Space Launch Squadron pour les opérations de pré-lancement et le United States Air Force 5th Space Operations Squadron pour les opérations en orbite.
C' est un engin de 13000 kg constitué de deux étages à propergols solides, plus sur et moins coûteux qu' un étage à propergol liquide. Il mesure 5,1 m de long pour 2,85 m de diamètre. Il est constitué d'un moteur dit de périgée contenant 8560 kg de carburant, générant 18 tonnes de poussée, d' un inter-étage et d' un moteur d' apogée contenant 2400 kg de carburant produisant 7400 kg de poussée (tuyère extensible repliée au lancement).

Les moteurs utilisés sont du type SRM 1 et 2. Leur tuyère est flexible à plus ou moins 4° pour celui de périgée et 7° pour celui d' apogée. Le premier brûle durant 145 secondes et le second durant 14,5 secondes. En plus de petits moteurs à hydrazine disposés autour de l' étage lui permette de corriger sa trajectoire en vol.
L' IUS est attaché en huit points dans la soute de l' Orbiter en position horizontale sur un large berceau. La séquence de vol comprend:

_ l' ouverture des portes de la soute de l' Orbiter;
_ mis en position de l' Orbiter;
_ l' étage est déployé à 29° dans la soute de l' Orbiter;
_ après vérification de l' étage, l' inclinaison passe à 59°;
_ l' IUS est séparé de son berceau, l' Orbiter s' en éloigne doucement (0,12 cm/s);
_ le berceau se remet presque à l' horizontale dans la soute (6°);
_ après 19 mn, l' Orbiter s' éloigne définitivement de l' étage;
_ 45 mn après la séparation le premier moteur est allumé, l' Orbiter s' étant retourné pour présenter son ventre aux gaz d' échappement du moteur; le second moteur est allumé après 145 secondes et permet soit l' injection en GO soit une mise sur trajectoire inter planétaire;

La firme Boieng assure le développement de l' étage IUS aidé par plusieurs sous traitant:
- Chemical systems division of United technologies, pour les tests des moteurs à poudre;
- TRW, Cubic, Hamilton Standard Division of United technologies avec Boeing pour l' avionique;
- TRW et Cubic pour la télémétrie et les systèmes de transmission de données;
- Hamilton standard pour les systèmes de guidage,
- Delco en sous-traitance avec Hamilton standard pour les ordinateurs.

En plus, Boeing est responsable du développement des systèmes au sol et des logiciels pour le contrôle et la manutention de l' étage au KSC. Il intègre l' IUS avec les satellites et les assemble avec l' étage, effectue les contrôles, vérifications avant la mission et pendant le vol. Il développe aussi toute l' interface avec l' Orbiter pour les opérations de largage en orbite.

L' IUS avec ses deux moteurs SRM est fabriqué et testé chez Boeing à Kent, prés de Seattle. Les moteurs SRM sont envoyés de chez Chemical Systems division, en Californie directement au KSC. Dans le même temps, Boeing envoie tous les sous systèmes de Washington. Au KSC, L' IUS/SRM est assemblé dans le SMAB des Titan 3 de l' USAF. La charge utile est montée sur l' étage dans le bâtiment d' intégration des charges utiles verticale, le VPF. Le tout est installé dans la soute de l' orbiter par la tour de service RSS.

Boeing a construit 22 IUS sous contrat de l' USAF pour être utilisés aussi bien par le STS que les fusées classiques Titan 3. Le premier IUS a été lancé en décembre 1982 par un titan 34D et la mission STS 6 a lancé en 1983 le premier TDRS de la NASA avec un IUS.

L' étage IUS a été utilisé sur les missions STS 6 en 1983 pour lancer TDRSS A, 51 L en janvier 1986 TDRSS B, STS 26 en septembre 1988 TDRSS C, STS 29 en 1989 TDRSS D, STS 30 Magellan, STS 34 Galiléo, STS 41 en 1990 Ulysse, STS 43 en 1991 TDRSS E, STS 54 en 1993 TDRSS F, STS 70 en juillet 1995 TDRSS G et sur STS 93 en 1999 pour Chandra.

L' ETAGE CENTAUR G

Scan Dennis Jenkins

Début 1982, l' USAF et la NASA se mettent d' accord pour développer ensemble un étage supérieur à propergols liquides dérivé du Centaur, le Centaur G pour des lancements de satellites militaires et de sondes interplanétaires avec le Shuttle. Le coût de développement est estimé à 269 millions $ dont 150 financés par l' USAF, le programme étant sous la responsabilité de la NASA. Ce nouvel étage est une version "élargie" et "raccourcie" du Centaur D de General Dynamic équipant les Atlas en gardant les moteurs RL10 et le même réservoir de LOX de 3 m de diamètre que le Centaur D.
Deux versions sont développés, le Centaur G de 6,1 m de long et 4,63 m de diamètre pour l' USAF et le Centaur G prime de 9,1 m de long pour la NASA. La version Centaur D mesure elle 9 m de long et 3 m de diamètre. Installé sur un bâti dans la soute, le Centaur pourra placer 4500 kg en orbite GTO.
La NASA et l' USAF ont commandé deux étages chacun de type G et G prime pour lancer notamment les sondes Galileo et ISPM. Cet étage devra remplacer l' IUS trois étages pour les missions inter planétaires.

Le Centaur G est un étage à propergol liquides cryogénique de 16327 kg mesurant 6 m de longueur pour 4,3 m de diamètre. Il embarque 13727 kg de carburant (hydrogène et d' oxygène liquide) alimentant 2 moteurs RL 10A-3-3 de 15 tonnes de poussée fonctionnant 420 secondes.
L' étage Centaur G prime est un peu plus long, 9 m et plus lourd 19500 kg (16500 kg de carburant). Ses deux moteurs fonctionnent pendant 550 secondes.

Adapter le Centaur au Shutlle obligent les ingénieurs a modifier le profit de vol du Shuttle pour viser une orbite très basse à seulement 168 km d'altitide. Ainsi, les missions avec l'étage sont uniquement composé de 4 astronautes et le matériel dans le pont inférieur réduit au strict minimum, sans cuisine ! De plus, le lancement de Galiléo oblige à faire fonctionner les moteurs SSME d'Atlantis à 109% de leur puissance ce qui n'a jamais été fait auparavant. Mais pour la NASA, malgré les critiques de certains astronautes, même si le Centaur n'a pas l'avantage de la sécurité par rapport à l'étage à poudre IUS, le risque doit être accepté.

Deux étage Centaur G prime sont construits pour lancer les sondes Galileo vers Jupiter et Ulysse (ISPM) vers le soleil en 1986 (SC 1 et 2) et un seul Centaur G pour le DoD (SC 3).

Les astronautes Frederic Hauck, John Fabian et David Walker des équipage 61F (mission Ulysse) et 61G (Galiléo) devant l'étage Centaur G le 13 août 1985 lors des cérémonies de roll-out à Denver. L'astronaute J Young a été le premier à plaisanter sur ces 2 missions "étoile de la mort" comme il les avait baptisé. Le MS 1 du vol 61 G John Fabian sera remplacé par Norman Thagard, suite à ses doutes et son stress concernant l'étage Centaur dans la soute de l'Orbiter. La fine épaisseur des réservoirs de l'étage, les problèmes concernant la ventilation et surtout la vidange de l'hydrogène tout près des moteurs principaux et de l'APU en cas de vol avorté risquaient de causer une explosion.

L'étage G Prime dans son berceau support CISS au SSPF du KSC

L'étage Centeur G prime dans le VPF du KSC avec le simulateur "Galiléo" et dans le SSPF avec un "mass simulator".

L'étage Centaur G destiné à l'USAF

Au sol, le pad 39A commence à être équipé dans l'été 1983. Une extension est ajoutée sur la tour FSS au niveau 115 pour supporter le bras roulant qui servira à alimenter l'étage Centaur en électricité en en hydrogène liquide, l'alimentation LOX étant faite de l' intérieur des Orbiters.
Le Rolling Beam Umbilical System (RBUS) a été préféré à d'autres concepts, comme un bras associé aux mat de service du MLP car il nécessitait peu de modification sur les Orbiters ou sur les installations au sol.
Sur la tour FSS un porche a été ajouté pour supporter la structure de 15 tonnes qui enferme le bras roulant. Elle est inclinée de 6° vers le haut afin d'être au même niveau que la plaque ombilicale des Orbiters. A l'intérieur de cette structure inclinée se trouve le bras roulant proprement dit avec à son extrémité la plaque ombilicale pour le remplissage et la vidange et le dégazage du LH2. La bras reste connecter à l'Orbiter jusqu'à l'allumage des booster. A ce moment, un système pyrotechnique permet d'arracher la plaque ombilicale, de renter le bras de 5 tonnes dans la tour en 3 secondes sur 11 m grâce à des contre poids. Des asperseurs d'eau permettent de protéger la structure des flammes du lancement. Dans l'été 1985, le bras est opérationnel sur le pad 39A.

Pour accueillir l'étage Centaur lors des 2 vols de 1986, mission 61F et 61G, sur les 2 pads 39 du KSC à une semaine d'écart, Challenger et Atlantis subissent d'importantes modifications pour recevoir dans leur soute l'étage cryogénique. Une plaque ombilicale est ajoutée sur le coté gauche juste à l'avant des portes d'accès au compartiment arrière ainsi qu'un système de contrôle dans le cockpit. Coût par Orbiter 5 millions $. Atlantis est livré au centre spatial en 1984 avec ces modifications. Challenger doit être modifié juste après le vol 51L pour la mission 61F Galiléo tandis que Atlantis doit passer la majeure partie de l'année 1986 sur le pad 39B pour valider les installations du Centaur au sol avec dans sa soute un étage Centaur G prime et une maquette de la sonde Galiléo. A la fin des tests, Atlantis doit être transféré sur le pad 39A avec dans sa soute la vrai sonde Galiléo. Challenger doit lui rejoindre la pad 39B en avril avec dans sa soute son étage Centaur et la sonde Ulysses. Chaque mission sera commandée par un équipage de 4 personnes. Galiléo etant la sonde la plus lourde (2270 kg), la NASA autorise le fonctionnement à 109% des moteurs SSME d'Atlantis durant le vol propulsé.

Le "kit" de mission de l'étage Centaur installé sur les Orbiters. Le remplissage en LO2 se fait par la baie moteur MPS sur une ligne dérivée et celle en LH2 par un ombilical au sol à travers la partie arrière de la soute. En vol, le surplus est évacué de chaque coté de la soute. La ventilation du LH2 se fait par le dessus de l'Orbiter entre la dérive verticale et le pod OMS.

Testé et installé sur les pad 39, le RBUS n'a jamais été utilisé. Il connectait les 2 canalisations d'alimentation LH2 et LOX dans l'Orbiter. Le bras se déplaçait de 10,9 à 11,5 mètres pour venir se coller sur le faln gauche du véhicule. Il utilisait des canalisations rigides et un système de déconnection au bout de sa structure de translation. La séparation de la plaque se faisait en moins d'une seconde, celle du bras en moins de 3 secondes.

Les équipages des vols STS 61F (Walker, Grabe, Thagard et van Hoften) et STS 61G (Hauck, Bridges, Lounge et Hilmers) Photos Specfacts.de

L' accident de Challenger en janvier 1986 stoppe les vols Shuttle. A ce moment, l' étage pour Galiléo est en test dans le bâtiment VPF prêt à être associé avec la sonde tandis que l' étage d' Ulysse subit des tests de remplissage sur le pad 36 A. L' étage G pour le Dod est en cours de fabrication.
En février, La NASA annonce que l'Orbiter Discovery sera modifié pour embarquer le Centaur à la place de Challenger. Discovery sera ensuite assigné à Vandenberg pour les missions militaires. La reprise des vols est espéré pour 1987. Pendant ce temps là, c'est à Columbia qu'incombera de valider les installations du SLC 6 en Californie.
Par mesure de sécurité, la NASA décide en juin de retirer l' étage Centaur du Shuttle, le jugeant pas assez "sur" pour les vols habités l' étage IUS le remplaçant dans les missions inter planétaires. Le bras d' alimentation RBUS installé sur les deux pads 39 est enlevé, mais la plateforme support restera sur les deux tours.

Document McDonnell Douglas Space Systems Corporation 1989

Afin de tester l'extension et le bras RBUS au sol avant de valider le système sur le pad proprement dit, les techniciens construisent sur le site du LETF Launch Equipment Test Facility dans la zone industrielle du centre spatial une portion de la tour FSS avec l'avancé et y assemblent le système de bras roulant A l'autre bout, un TSM ainsi qu'une maquette simulant l'Orbiter avec l'interface de l'étage permet de tester les procédures de remplissage et de deconnexion.

Le LTEF a été construit initialement pour tester les équipements et les systèmes de lancement du Shuttle, les mats de service TSM (Tail Service Mast), les bras d'accès des astronautes (OAA, orbiter Acces Arm) et de dégazage du réservoir externe pour l'oxygène (Gox Vent Hood) et l'hydrogène (External Tank LH2 Vent Arm), les support de maintien des boosters sur le MLP (SRB Hold Down Post). Le LTEF a été conçu pour la simulation des événements vol sur le shuttle tel que les effets du le vent, du soleil sur les équipements cryogéniques, l' allumage des moteurs de l' Orbiter et le décollage.


Vue générale du LETF	Au premier plan le RBUS et à gauche au fond les TSM récupérés à Vandenberg sur le SLC 6

Photos Steve Wachowski NASA.

Après l' annonce de l' annulation du programme Centaur à bord du Shuttle, l'étage G prime est modifié pour pouvoir être lancé par un Titan 4. 16 étages Centaur G prime deviennent des TC et sont lancés de février 1194 à septembre 2003 (TC 8 à 23). Un des étages Centaur prévus pour le Shuttle aurait lancé la sonde Cassini en 1997

Usine de fabrication des étages Centaur chez Genaral Dynamics: Au premier plan des étages Centaur pour des Atlas 2. Au fond, 3 étages Centaur TC et à droite, un premier étage Atlas AC 106 (lancé en novembre 1993.

L' étage Centaur G prime du Shuttle en configuration de vol en exposition au Space & Rocket Center, Huntsville, Alabama, Photos Jason Hatton, probablement le second étage réservé pour le Shuttle et donné par General Dynamics. Il mesure près de 9 m de long pour une masse de 6350 kg. Le 30 mars 2016, l'étage est enlevé et amené dans l'Ohio au Glenn research Center afin d'y être restaurer et exposé. Le centre Glenn, ancien Lewis a développé l'étage Centaur dans les années 1960 pour l'Atlas.