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Le vaisseau spatial Orion a été conçu pour le programme Constellation comme compartiment d'équipage destiné à l' orbite terrestre basse . Lockheed Martin a été sélectionné comme maître d'œuvre du projet Orion le 31 août 2006 , et Boeing a été choisi pour construire son bouclier thermique principal le 15 septembre 2006 La NASA prévoyait initialement de développer différentes capsules Orion adaptées à des missions spécifiques. L'Orion Block I devait être utilisé pour les missions vers la Station spatiale internationale et d'autres missions en orbite terrestre, tandis que les variantes Block II et III étaient conçues pour l'exploration spatiale lointaine.
La conception d'Orion repose sur trois parties principales : un module d'équipage (ME), similaire au module de commande Apollo , mais pouvant accueillir de quatre à six membres d'équipage ; un module de service (MS) cylindrique contenant les systèmes de propulsion principaux et les consommables ; et le système d'interruption de lancement (SIL), qui permet aux astronautes et au module d'équipage de s'éjecter du lanceur en cas de problème lors de l'ascension. Le module d'équipage d'Orion est conçu pour être réutilisable, ce qui permet à la NASA de constituer une flotte de modules d'équipage Orion.
Malgré l'annulation du programme Constellation, le développement du vaisseau spatial Orion se poursuit, avec un lancement d'essai effectué le 5 décembre 2014. Orion a volé à bord d'Artemis I en 2022 et d'Artemis II en 2026, et il est prévu qu'il participe à plusieurs missions ultérieures.
Altaïr
À l'instar de son prédécesseur, Altair se compose de deux parties : un étage de remontée abritant un équipage de quatre personnes ; et un étage de descente comprenant le train d'atterrissage et les réserves de la majeure partie des consommables de l'équipage (oxygène et eau) ainsi que du matériel scientifique. Contrairement au module lunaire, Altair a été conçu pour atterrir dans les régions polaires lunaires privilégiées par la NASA pour la construction de futures bases lunaires. Comme le module lunaire, Altair n'a pas été conçu pour être réutilisable, et l'étage de remontée devait être mis au rebut après utilisation.
L'étage de descente Altair devait être propulsé par quatre moteurs-fusées RL-10 , les mêmes que ceux utilisés dans l' étage supérieur Centaur de la fusée Atlas V. Contrairement aux moteurs RL-10 actuellement en service, ces nouveaux RL-10 devaient pouvoir réduire leur poussée jusqu'à 10 % de leur poussée nominale (les spécifications précédentes autorisaient 20 %), permettant ainsi l'utilisation d'Altair pour l'insertion en orbite lunaire et l'alunissage des missions lunaires. L'étage de remontée était conçu pour être propulsé par un seul moteur, probablement un moteur hypergolique similaire ou identique au moteur principal du module de commande et de service Orion (CSM), qui utiliserait l'étage de descente à la fois comme rampe de lancement et comme plateforme pour la construction future d'une base. Il était également possible, bien que moins probable, que le plan initial prévoyant l'utilisation de moteurs à carburant LOX/CH4 à bord du CSM Orion Block II (lunaire) et de l'étage de remontée Altair ait été retenu.
Propulsion
La NASA prévoyait d'utiliser deux lanceurs distincts pour les missions du programme Constellation : Ares I pour les équipages et Ares V pour le fret. Cette configuration aurait permis d'optimiser les deux lanceurs pour leurs missions respectives et d'offrir une charge utile totale bien supérieure à Ares V sans engendrer de coûts prohibitifs. Le programme Constellation combinait ainsi la méthode de rendez-vous en orbite lunaire, adoptée pour les missions lunaires du programme Apollo, avec la méthode de rendez-vous en orbite terrestre, également envisagée.
Le nom Arès (le dieu grec appelé Mars dans la mythologie romaine) a été choisi pour les propulseurs en référence à l'objectif du projet : atterrir sur Mars. Les chiffres I et V ont été choisis en hommage aux fusées Saturn des années 1960.
Arès I
Ares V aurait eu une capacité d'emport maximale d'environ en orbite terrestre basse (LEO), contre pour la navette spatiale et Saturn V. Ares V aurait transporté environ sur la Lune , contre de charge utile lunaire pour Saturn V.
Le lanceur Ares V était conçu avec six moteurs RS-68, assistés par deux propulseurs d'appoint à propergol solide (SRB) de 5,5 segments. Initialement, cinq moteurs RS-25 étaient prévus, mais les RS-68, plus puissants et moins complexes, étaient donc moins coûteux que les SRB. Ares V aurait effectué les huit premières minutes de vol propulsé, puis l'étage de départ terrestre (EDS) se serait placé, avec le vaisseau spatial Altair, en orbite terrestre basse en attendant l'arrivée d'Orion. Vers la fin du programme, il est devenu évident que les moteurs RS-68B, refroidis par ablation, ne résisteraient pas à la chaleur des propulseurs d'appoint à propergol solide au lancement. La NASA a alors envisagé à nouveau l'utilisation de moteurs RS-25 plutôt que de moderniser les RS-68 pour un refroidissement régénératif .
Phase de départ de la Terre
La NASA prévoyait d'utiliser les premiers véhicules développés dans le cadre du programme Constellation pour les missions en orbite terrestre auparavant assurées par la navette spatiale . Mais contrairement au X-33 et aux autres programmes destinés à remplacer la navette, Constellation a réutilisé des concepts des programmes Apollo et de la navette spatiale .
La forme du module de commande Orion ressemble beaucoup à la forme aérodynamique du module de commande et de service Apollo . Cependant, Orion utilise des technologies plus modernes dans d'autres domaines. La conception du lanceur qui place Orion en orbite, Ares I , reprend de nombreux concepts du programme Apollo.
La conception du moteur J-2X, destiné au lanceur Ares V, devait initialement être similaire à celle du moteur J-2 des fusées Saturn V et Saturn IB de l'ère Apollo. Lors de la conception du J-2X, les ingénieurs de la NASA ont visité des musées, recherché des documents relatifs à l'ère Apollo et consulté des ingénieurs ayant travaillé sur le programme Apollo. « Les mécanismes d'alunissage et de décollage lunaire sont en grande partie maîtrisés », a déclaré Jeff Hanley, responsable du programme Constellation. « C'est l'héritage qu'Apollo nous a légué. » Cependant, au fur et à mesure de l'avancement du programme J-2X, il est devenu évident qu'en raison des exigences de sécurité révisées et de la masse croissante de l'étage supérieur, il était nécessaire d'abandonner complètement la conception initiale du J-2 et d'utiliser une conception entièrement nouvelle pour le J-2X.
À l'instar d'Apollo, Constellation aurait suivi un profil de mission de rendez-vous en orbite lunaire . Cependant, contrairement à Apollo, Constellation aurait également effectué un rendez-vous en orbite terrestre , permettant ainsi à l'équipage de rejoindre le véhicule. L'atterrisseur, baptisé Altaïr , aurait été lancé séparément par la fusée Ares V , une fusée combinant les technologies de la navette spatiale et d'Apollo. Orion aurait également été lancé séparément et se serait amarré à Altaïr en orbite terrestre basse. De plus, contrairement à Apollo, Orion serait resté inhabité en orbite lunaire pendant que l'ensemble de l'équipage atterrissait sur la surface lunaire. Vers la fin de la mission, le vaisseau spatial Altaïr aurait été lancé en orbite lunaire pour s'amarrer au vaisseau spatial Orion lors d'un rendez-vous en orbite lunaire. Comme pour Apollo, la capsule Orion serait ensuite retournée sur Terre, effectuant sa rentrée atmosphérique et amerrissant.
Missions
Après leur fabrication dans des usines privées, les éléments du lanceur Ares I/Orion seraient testés et assemblés au bâtiment d'assemblage des véhicules du Centre spatial Kennedy . Une fois l'assemblage terminé et la date de lancement fixée, le transporteur à chenilles acheminerait le lanceur complet, ainsi que la tour de support et le lanceur mobile 1 , jusqu'au pas de tir LC-39B . Une fois arrivé sur le pas de tir, le lanceur et la plateforme de lancement seraient laissés en place et le transporteur serait éloigné à une distance de sécurité.
Après les derniers contrôles de sécurité, l'équipe au sol remplirait le deuxième étage d'hydrogène liquide (LH₂ ) et d'oxygène liquide (LOX), et l'équipage, vêtu de combinaisons spatiales polyvalentes , pénétrerait dans le vaisseau trois heures avant le décollage. Une fois l'installation confirmée et tous les systèmes validés par les contrôleurs de Cap Canaveral et du centre de contrôle de mission de Houston, Ares I serait alors lancé.
Après deux jours de poursuite orbitale, le vaisseau Orion , ayant largué une grande partie de sa structure initiale au décollage, rejoindrait la Station spatiale internationale (ISS ). Une fois l'autorisation obtenue depuis Houston, Orion s'amarrerait à l'ISS. L'équipage de six personnes (au maximum) pénétrerait alors dans la station pour y accomplir diverses tâches et activités pendant toute la durée de leur mission, généralement six mois, mais pouvant être réduite à quatre ou prolongée à huit mois, selon les objectifs de la NASA. Une fois la mission terminée, l'équipage retournerait dans le vaisseau Orion, qui s'isolerait de l'ISS, puis se désamarrerait de la station.
Une fois qu'Orion aurait atteint une distance de sécurité par rapport à l'ISS, le module de commande (après avoir largué le module de service jetable) rentrerait dans l'atmosphère de la même manière que tous les vaisseaux spatiaux de la NASA avant la navette spatiale, en utilisant le bouclier thermique ablatif pour dévier la chaleur et ralentir le vaisseau de km/h à . Après la rentrée atmosphérique, l'assemblage avant serait largué, et deux parachutes de freinage seraient déployés, suivis à d'altitude par trois parachutes principaux et des coussins gonflables remplis d'azote (N₂ ) , qui ne s'enflamme pas au contact de la chaleur, permettant ainsi l'amerrissage du vaisseau. Le module de commande serait ensuite renvoyé au Centre spatial Kennedy pour être remis en état en vue d'un vol ultérieur. Contrairement au module de commande d'Apollo, utilisé pour un seul vol, celui d'Orion pouvait théoriquement être utilisé jusqu'à dix fois dans des conditions normales d'utilisation.
vols lunaires
Orion rejoindrait ensuite le système Altair/EDS, déjà en orbite terrestre basse, pour s'y amarrer. Après les préparatifs nécessaires au vol lunaire, le système EDS effectuerait une injection translunaire (TLI) de 390 secondes, propulsant le vaisseau à . Une fois cette manœuvre terminée, le système EDS serait largué.
Durant les trois jours de la traversée translunaire, l'équipage de quatre hommes surveillerait les systèmes d'Orion, inspecterait le vaisseau Altair et ses équipements de soutien, et corrigerait sa trajectoire si nécessaire afin de permettre à Altair d'atterrir sur un site quasi polaire propice à l'établissement d'une future base lunaire. À l'approche de la face cachée de la Lune, le système Orion/Altair orienterait les moteurs d'Altair vers l'avant et procéderait à la manœuvre d'insertion en orbite lunaire .
Une fois en orbite lunaire, l'équipage affinerait la trajectoire et configurerait le vaisseau Orion pour un vol inhabité, permettant ainsi aux quatre membres d'équipage de rejoindre le véhicule Altair et d'alunir, tandis qu'Orion attendrait leur retour. Après autorisation du centre de contrôle, Altair se désamarrerait d'Orion et effectuerait une manœuvre d'inspection, permettant aux contrôleurs au sol d'inspecter le vaisseau en direct grâce à un écran de télévision embarqué sur Orion, afin de détecter tout problème visible susceptible d'empêcher l'alunissage (dans le cadre du programme Apollo, cette inspection était effectuée par le pilote du module de commande). Une fois l'approbation des contrôleurs au sol obtenue, les deux vaisseaux s'éloigneraient à une distance de sécurité et les moteurs de descente d'Altair se rallumeraient pour une descente propulsée vers un point d'alunissage prédéterminé, préalablement sélectionné par le vaisseau inhabité .
À l'atterrissage, l'équipage enfilerait ses combinaisons spatiales pour activités extravéhiculaires (EVA) et entamerait la première de cinq à sept sorties extravéhiculaires lunaires, afin de collecter des échantillons et de déployer des expériences. Une fois ces opérations lunaires terminées, l'équipage rejoindrait l'Altaïr et allumerait le moteur de l'étage de remontée pour décoller de la surface lunaire, utilisant l'étage de descente comme rampe de lancement (et le laissant comme plateforme pour la construction future d'une base). Une fois en orbite, l'Altaïr rejoindrait et s'amarrerait au vaisseau Orion, qui l'attend. L'équipage serait alors transféré à bord d'Orion, emportant avec lui les échantillons collectés sur la Lune. Après avoir largué l'Altaïr, l'équipage effectuerait la manœuvre d'injection trans-terrestre (TEI) pour le voyage de retour vers la Terre.
Après deux jours et demi de vol balistique, l'équipage larguerait le module de service (qui se consumerait dans l'atmosphère) et le module d'équipage rentrerait dans l'atmosphère terrestre en suivant une trajectoire de rentrée spéciale conçue pour ralentir le véhicule de sa vitesse initiale de à permettant ainsi un amerrissage dans l'océan Pacifique. Le module d'équipage serait ensuite ramené au Centre spatial Kennedy pour y être remis en état, tandis que les échantillons lunaires seraient acheminés vers le Laboratoire de réception lunaire du Centre spatial Johnson pour analyse.