Étude de l'architecture des systèmes d'exploration

L' Exploration Systems Architecture Study ( ESAS ) est le titre officiel d'une étude à grande échelle, au niveau du système, publiée par la National Aeronautics and Space Administration (NASA) en novembre 2005 sur son objectif de renvoyer des astronautes sur la Lune et éventuellement sur Mars — connue sous le nom de Vision for Space Exploration (et officieusement sous le nom de « Moon, Mars and Beyond » dans certains cercles aérospatiaux, bien que les détails d'un programme habité « au-delà » restent vagues). Le programme Constellation a été annulé en 2010 par l' administration Obama et remplacé par le Space Launch System , rebaptisé plus tard programme Artemis en 2017 sous l' administration Trump .

L'administrateur de la NASA, Michael Griffin, a ordonné un certain nombre de modifications dans la stratégie d'acquisition du Crew Exploration Vehicle (maintenant Orion MPCV ) initialement prévue, conçue par son prédécesseur Sean O'Keefe . Les plans de Griffin privilégiaient une conception qu'il avait développée dans le cadre d'une étude pour la Planetary Society, plutôt que les plans antérieurs pour un Crew Exploration Vehicle développé en parallèle par deux équipes concurrentes. Ces modifications ont été proposées dans une étude interne appelée Exploration Systems Architecture Study, dont les résultats ont été officiellement présentés lors d'une conférence de presse tenue au siège de la NASA à Washington, DC , le 19 septembre 2005.

L'ESAS comprenait un certain nombre de recommandations visant à accélérer le développement du CEV et à mettre en œuvre le projet Constellation , notamment des stratégies pour effectuer des vols CEV avec équipage dès 2012 et des méthodes d'entretien de la Station spatiale internationale (ISS) sans l'utilisation de la navette spatiale , en utilisant des versions cargo du CEV.

Initialement prévue pour être publiée dès le 25 juillet 2005, après la mission « Return to Flight » de Discovery , la publication de l'ESAS a été retardée jusqu'au 19 septembre, apparemment en raison de mauvaises critiques sur la présentation du plan et d'une certaine résistance de la part du Bureau de la gestion et du budget .

Les « stratégies d’approvisionnement » initiales du CEV sous la direction de Sean O’Keefe auraient vu deux « phases » de conception du CEV. Les propositions soumises en mai 2005 devaient faire partie de la phase 1 de la conception du CEV, qui devait être suivie d’un lancement orbital ou suborbital d’un vaisseau spatial de démonstration technologique appelé FAST en 2008. La sélection d’un sous-traitant pour la phase 2 du programme aurait eu lieu plus tard dans l’année. Le premier vol habité du CEV n’aurait pas eu lieu avant 2014. Dans le plan initial privilégié par l’ancien administrateur de la NASA Sean O’Keefe, le CEV serait lancé sur un lanceur consommable évolué (EELV), à savoir le Boeing Delta IV Heavy ou le Lockheed Martin Atlas V Heavy EELV.

Cependant, avec le changement d'administrateurs de la NASA, Mike Griffin a abandonné ce calendrier, le considérant comme trop lent, et est passé directement à la phase 2 au début de 2006. Il a commandé une étude interne de 60 jours pour une réévaluation des concepts - désormais connue sous le nom d'ESAS - qui favorisait le lancement du CEV sur un lanceur dérivé de la navette . De plus, Griffin prévoyait d'accélérer ou de modifier un certain nombre d'aspects du plan original qui a été publié l'année dernière . Au lieu d'un décollage du CEV en 2008, la NASA serait passée à la phase 2 du programme CEV en 2006, les vols du CEV devant commencer dès juin 2011.

L'ESAS prévoyait le développement de deux lanceurs dérivés de la navette pour soutenir le programme Constellation, aujourd'hui disparu ; un dérivé du propulseur à propergol solide de la navette spatiale qui deviendrait l' Ares I, aujourd'hui annulé, pour lancer le CEV, et un véhicule de transport lourd en ligne utilisant des SRB et le réservoir externe de la navette pour lancer l'étage de départ de la Terre et le module d'accès à la surface lunaire, connu sous le nom d' Ares V (cette conception a été réutilisée pour le Space Launch System ). Les performances du véhicule de lancement dérivé de la navette cargo (SDLV) seraient de 125 à 130 tonnes métriques en orbite terrestre basse (LEO). Un SDLV permettrait une charge utile par lancement beaucoup plus importante qu'une option EELV.

L'équipage serait lancé dans le CEV au sommet d'un dérivé à cinq segments du propulseur à propergol solide de la navette et d'un nouvel étage supérieur à propergol liquide basé sur le réservoir externe de la navette. À l'origine, il devait être propulsé par une seule version jetable du moteur principal de la navette spatiale , mais il a ensuite été remplacé par une version modernisée et améliorée du moteur-fusée J-2 (connu sous le nom de J-2 X) utilisé sur les étages supérieurs S-IVB utilisés sur les fusées Saturn IB et Saturn V. Ce propulseur serait capable de placer jusqu'à 25 tonnes en orbite terrestre basse. Le propulseur utiliserait des composants déjà homologués pour l'homme.

Le chargement serait lancé sur une version lourde de la navette spatiale, qui serait un propulseur « en ligne » qui monterait des charges utiles sur le dessus du propulseur. L'option en ligne comportait à l'origine cinq versions jetables des SSME sur l'étage central, mais a été remplacée plus tard par cinq moteurs-fusées RS-68 (actuellement utilisés sur la fusée Delta IV Heavy ), avec une poussée plus élevée et des coûts plus faibles, ce qui a nécessité une légère augmentation du diamètre global du noyau. Deux SRB élargis à cinq segments aideraient les moteurs RS-68 à propulser le deuxième étage de la fusée, connu sous le nom d' étage de départ de la Terre (EDS), et la charge utile en LEO. Il pouvait soulever environ 125 tonnes vers LEO et son coût était estimé à 540 millions de dollars par lancement.

L'infrastructure du Centre spatial Kennedy , notamment le bâtiment d'assemblage des véhicules (VAB) et les rampes de lancement de la navette LC-39A et 39B, a été maintenue et adaptée aux besoins des futurs lanceurs géants. La nouvelle rampe LC-39C a ensuite été construite pour accueillir de petits lanceurs avec la possibilité de construire la LC-39D ou de ressusciter les anciennes rampes LC-34 ou LC-37A de la base aérienne de Cap Canaveral, à proximité, utilisée par la Saturn IB pour les premières missions orbitales terrestres d'Apollo.

L'ESAS a recommandé des stratégies pour faire voler le CEV avec équipage d'ici 2014 et a approuvé une approche de rendez-vous en orbite lunaire vers la Lune. Les versions LEO du CEV transporteraient des équipages de quatre à six personnes vers l'ISS. La version lunaire du CEV transporterait un équipage de quatre personnes et le CEV martien en transporterait six. Le fret pourrait également être transporté à bord d'une version sans équipage du CEV, similaire aux cargos russes Progress . Lockheed Martin a été sélectionné comme contractant pour le CEV par la NASA. Ce véhicule deviendrait finalement l' Orion MPCV avec son premier vol en 2014 ( EFT-1 ), son premier vol avec équipage en 2022 ( Artemis 2 ) et son premier vol d'atterrissage lunaire en 2024 ( Artemis 3 ). Une seule version du véhicule a été construite pour soutenir les missions dans l'espace lointain, les transferts d'équipage de l'ISS étant gérés par le programme d'équipage commercial .

Le module de rentrée CEV pèserait environ 12 tonnes, soit presque le double de la masse du module de commande Apollo, et, comme Apollo, serait rattaché à un module de service pour le maintien de la vie et la propulsion ( European Service Module ). Le CEV serait une capsule de type Apollo, avec un bouclier thermique de type Viking , et non un corps porteur ou un véhicule ailé comme la navette. Il atterrirait sur terre plutôt que sur l'eau, à l'instar du vaisseau spatial russe Soyouz . Cette méthode serait modifiée pour l'amerrissage uniquement pour économiser du poids, le CST-100 Starliner serait le premier vaisseau spatial américain à atterrir sur terre. Les zones d'atterrissage possibles qui avaient été identifiées comprenaient la base aérienne d'Edwards , en Californie, Carson Flats ( Carson Sink ), au Nevada, et la zone autour de Moses Lake, dans l'État de Washington. L'atterrissage sur la côte ouest permettrait à la majorité de la trajectoire de rentrée de se dérouler au-dessus de l' océan Pacifique plutôt que des zones peuplées. Le CEV utiliserait un bouclier thermique ablatif (de type Apollo) qui serait jeté après chaque utilisation, et le CEV lui-même pourrait être réutilisé environ 10 fois.

Le développement accéléré des missions lunaires devait commencer en 2010, une fois la navette retirée du service. Le module d'accès à la surface lunaire, qui sera plus tard connu sous le nom d' Altair , et le propulseur lourd Ares V seraient développés en parallèle et seraient tous deux prêts à voler en 2018. L'objectif final était de réaliser un atterrissage lunaire d'ici 2020, le programme Artemis vise désormais un atterrissage lunaire en 2024. Le LSAM serait beaucoup plus grand que le module lunaire Apollo et serait capable de transporter jusqu'à 23 tonnes de fret vers la surface lunaire pour soutenir un avant-poste lunaire.

Comme le module lunaire Apollo, le LSAM comprendrait un étage de descente pour l'atterrissage et un étage de remontée pour le retour en orbite. L'équipage de quatre personnes monterait dans l'étage de remontée. L'étage de remontée serait alimenté par un carburant méthane / oxygène pour le retour en orbite lunaire (plus tard remplacé par de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide, en raison des débuts de la propulsion par fusée oxygène/méthane). Cela permettrait d'utiliser un dérivé du même atterrisseur pour des missions ultérieures sur Mars, où le propulseur au méthane peut être fabriqué à partir du sol martien dans un processus connu sous le nom d'utilisation des ressources in situ (ISRU). Le LSAM soutiendrait l'équipage de quatre personnes sur la surface lunaire pendant environ une semaine et utiliserait des véhicules mobiles avancés pour explorer la surface lunaire. L'énorme quantité de fret transporté par le LSAM serait extrêmement bénéfique pour soutenir une base lunaire et pour amener de grandes quantités d'équipements scientifiques sur la surface lunaire. Artemis utilisera des atterrisseurs lancés séparément dans le cadre du programme CLPS pour livrer du matériel de soutien aux avant-postes lunaires.

Le profil de la mission lunaire était une combinaison de rendez-vous en orbite terrestre et de rendez-vous en orbite lunaire (LOR). Tout d'abord, le LSAM et l' EDS seraient lancés au sommet du véhicule lourd dérivé de la navette ( Ares V ). L'EDS serait un dérivé de l' étage supérieur S-IVB utilisé sur la fusée Saturn V et utiliserait un seul moteur J-2X similaire à celui utilisé sur le propulseur dérivé du SRB (à l'origine, deux moteurs J-2X devaient être utilisés, mais les moteurs RS-68 pour l'étage central permettront à la NASA de n'en utiliser qu'un). L'équipage serait ensuite lancé dans le CEV sur le propulseur dérivé du SRB ( Ares I ), et le CEV et le LSAM s'amarreraient en orbite terrestre. L'EDS enverrait ensuite le complexe sur la Lune. Le LSAM propulserait le complexe en orbite lunaire (similaire à la fusée Block D de la tentative soviétique de vol vers la Lune qui a échoué dans les années 1960 et 1970), où quatre astronautes monteraient à bord du LSAM pour descendre vers la surface lunaire pendant une semaine d'exploration. Une partie du LSAM pourrait être laissée sur place avec une cargaison pour commencer l'établissement d'un avant-poste à long terme.

Le LSAM et le CEV lunaire transporteraient tous deux un équipage de quatre personnes. L'équipage entier descendrait sur la surface lunaire, laissant le CEV inoccupé. Une fois le temps passé sur la surface lunaire écoulé, l'équipage retournerait en orbite lunaire dans la phase d'ascension du LSAM. Le LSAM s'amarrerait au CEV. L'équipage retournerait au CEV et larguerait le LSAM, puis le moteur du CEV mettrait l'équipage sur la route de la Terre. Ensuite, tout comme Apollo, le module de service serait largué et le CEV descendrait pour un atterrissage via un système de trois parachutes.

En fin de compte, un avant-poste lunaire sponsorisé par la NASA serait construit, peut-être près du pôle sud de la Lune. Mais cette décision n'a pas encore été prise et dépendrait de la participation internationale et commerciale potentielle au projet d'exploration. Le programme Artemis espère établir un petit avant-poste lunaire international d'ici 2028

L'utilisation de véhicules électriques à réaction évolutifs et d'un atterrisseur équipé de moteurs alimentés au méthane a permis de réaliser des tests matériels significatifs pour les missions martiennes sur la Lune. Les éventuelles missions martiennes commenceraient à être planifiées en détail vers 2020 et incluraient l'utilisation de l'ISRU lunaire et seraient également de « classe conjonction », ce qui signifie qu'au lieu de faire un survol de Vénus et de passer 20 à 40 jours sur la surface martienne, l'équipage irait directement sur Mars et reviendrait et passerait environ 500 à 600 jours à explorer Mars.

L'ESAS a estimé le coût du programme lunaire habité jusqu'en 2025 à 217 milliards de dollars, soit seulement 7 milliards de dollars de plus que le budget d'exploration actuel prévu par la NASA pour cette période.

Le projet ESAS devait initialement être réalisé en utilisant uniquement le financement existant de la NASA, sans réduire considérablement les autres programmes de l'agence. Cependant, il est rapidement devenu évident qu'il fallait beaucoup plus d'argent. Les partisans de Constellation ont vu cela comme une justification pour mettre fin au programme de navette spatiale le plus tôt possible, et la NASA a mis en œuvre un plan visant à mettre fin au soutien de la navette spatiale et de l'ISS en 2010. C'était environ 10 ans plus tôt que prévu pour les deux programmes, ce qui doit être considéré comme une réduction significative. Cela a donné lieu à de fortes objections de la part des partenaires internationaux, qui ont estimé que les États-Unis ne respectaient pas leurs engagements, et à des inquiétudes au Congrès quant au gaspillage des investissements dans l'ISS.

En avril 2006, des critiques ont été émises sur la faisabilité de l'étude ESAS originale. Ces critiques portaient principalement sur l'utilisation d'un carburant méthane-oxygène. La NASA recherchait à l'origine cette combinaison car elle pouvait être « extraite » in situ du sol lunaire ou martien, ce qui pourrait être potentiellement utile lors de missions vers ces corps célestes. Cependant, la technologie est relativement nouvelle et n'a pas été testée. Elle ajouterait beaucoup de temps au projet et un poids important au système. En juillet 2006, la NASA a répondu à ces critiques en changeant le plan pour des carburants de fusée traditionnels (hydrogène et oxygène liquides pour le LSAM et hypergoliques pour le CEV). Cela a réduit le poids et raccourci le calendrier du projet.

Cependant, la principale critique de l'ESAS était basée sur ses estimations de sécurité et de coût. Les auteurs ont utilisé le taux d'échec des lancements des Titan III et IV comme estimation du taux d'échec du Delta IV Heavy. Le Titan combinait un étage central dérivé d'un ICBM ancien avec de gros propulseurs à combustible solide segmentés et un étage supérieur alimenté à l'hydrogène développé plus tôt. C'était un véhicule complexe et avait un taux d'échec relativement élevé. En revanche, le Delta IV Heavy était une conception « de base », toujours en service, qui n'utilisait que du propulseur liquide. Inversement, le taux d'échec du Shuttle SRB a été utilisé pour estimer le taux d'échec de l'Ares I, mais seuls les lancements postérieurs à la perte de Challenger ont été pris en compte, et chaque lancement de navette a été considéré comme deux lancements réussis de l'Ares même si les Shuttle SRB n'incluent pas de systèmes de guidage ou de contrôle de roulis.

Le Delta IV est actuellement lancé depuis le complexe 37 de la base aérienne de Cap Canaveral, et le constructeur, United Launch Alliance, avait proposé de lancer des vols habités depuis ce site. Cependant, dans l'estimation des coûts, l'ESAS a supposé que tous les modèles concurrents devraient être lancés depuis le complexe de lancement 39, et que le bâtiment d'assemblage des véhicules, les plates-formes de lancement mobiles et les plateformes A et B devraient être modifiés pour les accueillir. Les installations du LC-39 sont beaucoup plus grandes, plus complexes, plus anciennes et plus coûteuses à entretenir que les installations modernes du complexe 37 et sont totalement inappropriées pour le Delta, qui est intégré horizontalement et transporté sans carburant. Cette hypothèse n'était pas justifiée dans le rapport et a considérablement augmenté le coût opérationnel estimé du Delta IV. Enfin, la décision prise en 2011 d'ajouter un test sans équipage de l'Orion sur un Delta IV contredit clairement la conclusion de l'ESAS selon laquelle cela était irréalisable.

Le Comité d'examen des plans de vols spatiaux habités des États-Unis (également connu sous le nom de Comité HSF , Commission Augustine ou Comité Augustine ) était un groupe convoqué par la NASA à la demande du Bureau de la politique scientifique et technologique (OSTP), pour examiner les plans de vols spatiaux habités du pays afin de garantir « une voie vigoureuse et durable pour réaliser ses aspirations les plus audacieuses dans l'espace ». L'examen a été annoncé par l'OSTP le 7 mai 2009. Il couvrait les options de vols spatiaux habités après la date prévue par la NASA pour le retrait de la navette spatiale . Un rapport de synthèse a été fourni au directeur de l'OSTP, John Holdren , au Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison-Blanche (OSTP) et à l'administrateur de la NASA le 8 septembre 2009. Le coût estimé associé à l'examen était estimé à 3 millions de dollars américains. Le comité devait être actif pendant 180 jours ; le rapport a été publié le 22 octobre 2009.

Le Comité a estimé que le programme Constellation, vieux de neuf ans, était tellement en retard, sous-financé et dépassait le budget prévu qu'il était impossible d'atteindre ses objectifs. Le président Obama a retiré le programme du budget 2010, annulant ainsi le programme. Un élément du programme, la capsule Orion, a été réintégré dans les plans, mais comme véhicule de secours pour compléter le Soyouz russe et ramener les équipages de la Station sur Terre en cas d'urgence.

Le « but ultime » proposé pour les vols spatiaux habités semble nécessiter deux objectifs fondamentaux : (1) la durabilité physique et (2) la durabilité économique. Le Comité ajoute un troisième objectif : atteindre des objectifs nationaux clés. Ceux-ci pourraient inclure la coopération internationale, le développement de nouvelles industries, l'indépendance énergétique, la réduction du changement climatique, le prestige national, etc. Par conséquent, la destination idéale devrait contenir des ressources telles que l'eau pour entretenir la vie (fournissant également de l'oxygène pour respirer et de l'hydrogène pour se combiner à l'oxygène pour le carburant des fusées), des métaux précieux et industriels et d'autres ressources qui pourraient être utiles à la construction spatiale et peut-être dans certains cas, valoir la peine d'être renvoyées sur Terre (par exemple, voir l'exploitation minière des astéroïdes ).