Processus de conception de la navette spatiale

Avant l' atterrissage d'Apollo 11 sur la Lune en 1969 , la NASA a commencé à étudier la conception de la navette spatiale dès octobre 1968. Les premières études ont été appelées « Phase A » et en juin 1970, « Phase B », qui étaient plus détaillées et spécifiques. L'utilisation principale prévue de la navette spatiale de phase A était de soutenir la future station spatiale , de transporter un équipage minimum de quatre personnes et environ 9 100 kg de fret, et de pouvoir être rapidement retournée pour de futurs vols, avec des charges utiles plus importantes comme les modules de la station spatiale soulevés par la Saturn V.

Deux modèles ont fait leur apparition. L'un a été conçu par les ingénieurs du Manned Spaceflight Center , et défendu notamment par George Mueller . Il s'agissait d'un système à deux étages avec un vaisseau spatial à ailes delta, généralement complexe. Une tentative de simplification a été faite sous la forme du DC-3 , conçu par Maxime Faget , qui avait conçu la capsule Mercury entre autres véhicules. De nombreuses offres de diverses sociétés commerciales ont également été proposées, mais elles ont généralement été abandonnées, chaque laboratoire de la NASA poussant à sa propre version.

Tout cela se déroulait alors que d'autres équipes de la NASA proposaient une grande variété de missions post-Apollo, dont certaines coûteraient autant qu'Apollo, voire plus. vice-président américain Spiro Agnew en 1969. Le projet de navette s'est hissé au sommet, en grande partie grâce à la campagne inlassable de ses partisans. En 1970, la navette avait été sélectionnée comme le seul projet majeur à court terme pour la période post-Apollo.

Lorsque le financement du programme fut remis en question, certains craignirent que le projet soit annulé. Cette situation devint particulièrement pressante lorsqu'il devint évident que la Saturn V ne serait plus produite, ce qui signifiait que la charge utile en orbite devait être augmentée à la fois en masse - jusqu'à 27 500 kg - et en taille pour compléter ses capacités de transport lourd, nécessaires aux sondes interplanétaires prévues et aux modules de la station spatiale, ce qui signifiait qu'un véhicule plus gros et plus coûteux était nécessaire pendant la phase B. Par conséquent, la NASA a essayé d'intéresser l' US Air Force et divers autres clients à utiliser également la navette pour leurs missions. Pour réduire les coûts de développement des modèles proposés, des boosters furent ajoutés, un réservoir de carburant jetable fut adopté et de nombreuses autres modifications furent apportées qui réduisirent considérablement la réutilisabilité et augmentèrent considérablement les coûts du véhicule et de son fonctionnement.

En 1969, le vice-président américain Spiro Agnew présidait le National Aeronautics and Space Council , qui discutait des options post- Apollo pour les activités spatiales habitées . Les recommandations du Conseil allaient fortement influencer les décisions de l' administration . Le Conseil a envisagé quatre options principales :

• Une mission humaine vers Mars
• Programme de suivi lunaire
• Un programme d’infrastructure en orbite terrestre basse
• Arrêt des activités spatiales humaines

Sur la base des conseils du Conseil spatial, le président Nixon a décidé de poursuivre l' option de l'infrastructure en orbite basse . Ce programme consistait principalement en la construction d'une station spatiale et en la mise au point d'une navette spatiale . Cependant, les restrictions budgétaires ont empêché la poursuite du développement des deux programmes simultanément. La NASA a choisi de développer d'abord le programme de navette spatiale , puis a prévu d'utiliser la navette pour construire et entretenir une station spatiale.

Au cours des premières études sur la navette, un débat a eu lieu sur la conception optimale de la navette qui équilibrerait au mieux les capacités, les coûts de développement et les coûts opérationnels. Au départ, une conception entièrement réutilisable a été préférée. Il s'agissait d'un très grand propulseur ailé avec équipage qui transporterait un orbiteur ailé plus petit avec équipage. Le propulseur porterait l'orbiteur à une certaine altitude et à une certaine vitesse, puis se séparerait. Le propulseur reviendrait et atterrirait horizontalement, tandis que l'orbiteur poursuivrait sa mission en orbite basse terrestre . Une fois sa mission terminée, l'orbiteur ailé rentrerait dans l'espace et atterrirait horizontalement sur une piste. L'idée était que la réutilisabilité totale favoriserait des coûts d'exploitation plus faibles.

Cependant, des études plus poussées ont montré qu'un énorme propulseur était nécessaire pour soulever un orbiteur avec la capacité de charge utile souhaitée. Dans les systèmes spatiaux et aéronautiques, le coût est étroitement lié à la masse, ce qui signifie que le coût global du véhicule serait très élevé. Le propulseur et l'orbiteur seraient tous deux équipés de moteurs-fusées et de moteurs à réaction pour une utilisation dans l'atmosphère, ainsi que de systèmes de carburant et de contrôle distincts pour chaque mode de propulsion. En outre, des discussions ont eu lieu simultanément sur le montant du financement disponible pour développer le programme.

Une autre approche concurrente consistait à maintenir la chaîne de production de Saturn V et à utiliser sa grande capacité de charge utile pour lancer une station spatiale en quelques charges utiles plutôt qu'en de nombreuses petites charges utiles de navette. Un concept connexe consistait à entretenir la station spatiale en utilisant le Titan III-M de l'Air Force pour lancer une capsule Gemini plus grande, appelée « Big Gemini », ou une version « planeur » plus petite de la navette sans moteurs principaux et avec une soute de 4,6 m × 9,1 m (15 pieds × 30 pieds).

Les partisans de la navette ont répondu qu'avec un nombre suffisant de lancements, un système réutilisable aurait un coût global inférieur à celui des fusées jetables. Si l'on divise le coût total du programme par un nombre donné de lancements, un taux de lancement élevé de la navette entraînerait des coûts de pré-lancement inférieurs. Cela rendrait la navette compétitive en termes de coût, voire supérieure, aux lanceurs jetables. Certaines études théoriques mentionnaient 55 lancements de navette par an ; cependant, la conception finale choisie ne permettait pas ce taux de lancement. En particulier, le taux de production maximal de réservoirs externes était limité à 24 réservoirs par an dans l'usine d'assemblage Michoud de la NASA .

Les besoins combinés de la station spatiale et de l'armée de l'air n'étaient pas suffisants pour atteindre les taux de lancement souhaités de la navette. Par conséquent, le plan prévoyait que tous les futurs lancements spatiaux américains (stations spatiales, armée de l'air, satellites commerciaux et recherche scientifique) utiliseraient uniquement la navette spatiale. La plupart des autres propulseurs non réutilisables seraient progressivement abandonnés.

Le propulseur réutilisable a finalement été abandonné en raison de plusieurs facteurs : son prix élevé (combiné à un financement limité), sa complexité technique et les risques liés à son développement. Au lieu de cela, un modèle partiellement (et non totalement) réutilisable a été choisi, dans lequel un réservoir de propulseur externe était jeté à chaque lancement, et les fusées d'appoint et la navette orbitale ont été remises à neuf pour être réutilisées.

Au départ, l'orbiteur devait transporter son propre propulseur liquide . Cependant, des études ont montré que le fait de transporter le propulseur dans un réservoir externe permettait d'avoir une plus grande soute à bagages dans un engin autrement beaucoup plus petit. Cela impliquait également de jeter le réservoir après chaque lancement, mais cela ne représentait qu'une part relativement faible des coûts d'exploitation.

Les premiers modèles supposaient que l'orbiteur ailé serait également doté de réacteurs pour faciliter les manœuvres dans l'atmosphère après la rentrée. Cependant, la NASA a finalement choisi un orbiteur planeur, en se basant en partie sur l'expérience des précédents véhicules à propulsion par fusée, comme le X-15 et les corps porteurs . L'omission des réacteurs et de leur carburant réduirait la complexité et augmenterait la charge utile.

Une autre décision concernait la taille de l'équipage. Certains ont déclaré que la navette ne devrait pas transporter plus de quatre personnes, le maximum pouvant utiliser des sièges éjectables . Un commandant, un pilote, un spécialiste de mission et un spécialiste de la charge utile étaient suffisants pour toute mission. La NASA s'attendait à transporter davantage de participants aux vols spatiaux en tant que spécialistes de la charge utile, et a donc conçu le véhicule pour en transporter davantage.

Le dernier débat portait sur la nature des propulseurs. La NASA a étudié quatre solutions à ce problème : le développement de l'étage inférieur existant de Saturn, de simples moteurs à carburant liquide sous pression d'une nouvelle conception, une seule grande fusée à propergol solide ou deux (ou plus) plus petites. Les ingénieurs du Marshall Space Flight Center de la NASA (où le développement de Saturn V a été géré) étaient particulièrement préoccupés par la fiabilité des fusées à propergol solide pour les missions avec équipage.

Au milieu des années 1960, l' armée de l'air américaine a vu ses deux principaux projets spatiaux habités, X-20 Dyna-Soar et Manned Orbiting Laboratory , annulés. Cela a démontré sa nécessité de coopérer avec la NASA pour placer des astronautes militaires et des charges utiles en orbite. L'armée de l'air a lancé plus de 200 missions de reconnaissance par satellite entre 1959 et 1970, et le grand volume de charges utiles de l'armée allait être précieux pour rendre la navette plus économique. À son tour, en répondant aux besoins de l'armée de l'air, la navette est devenue un véritable système national, transportant toutes les charges utiles militaires et civiles.

La NASA a demandé le soutien de l'armée de l'air pour la navette. Après la guerre des Six Jours et l' invasion soviétique de la Tchécoslovaquie, qui ont révélé les limites du réseau de reconnaissance par satellite des États-Unis , l'implication de l'armée de l'air a mis l'accent sur la capacité de lancer des satellites espions vers le sud en orbite polaire depuis la base aérienne de Vandenberg . Cela nécessitait des énergies plus élevées que pour les orbites à inclinaison plus faible. Cependant, pour pouvoir revenir sur Terre après une orbite, malgré la rotation de la Terre à 1 600 kilomètres sous la trajectoire orbitale, il fallait une aile delta plus grande que la précédente navette simple « DC-3 ». De plus, la configuration à aile droite privilégiée par Max Faget aurait obligé le véhicule à voler en décrochage pendant la majeure partie de la rentrée et aurait eu des problèmes lors des avortements de lancement, une situation détestée par la NASA. Il est courant de penser que l'aile delta était uniquement une demande de l'USAF, mais ce n'est qu'un mythe.

Malgré les avantages potentiels pour l'armée de l'air, l'armée était satisfaite de ses propulseurs jetables et avait moins besoin de la navette que la NASA. Comme l'agence spatiale avait besoin d'un soutien extérieur, le ministère de la Défense (DoD) et le National Reconnaissance Office (NRO) ont obtenu le contrôle principal du processus de conception. Par exemple, la NASA avait prévu une soute de 12,2 x 4,6 m, mais le NRO a spécifié une soute de 18,3 x 4,6 m parce qu'il s'attendait à ce que les futurs satellites de renseignement deviennent plus grands. Lorsque Faget a de nouveau proposé une soute de 3,7 m de large, l'armée a presque immédiatement insisté pour conserver la largeur de 4,6 m. L'armée de l'air a également obtenu l'équivalent de l'utilisation d'une des navettes gratuitement, bien qu'elle n'ait pas payé pour le développement ou la construction de la navette. En échange des concessions de la NASA, l'Air Force a témoigné devant le Comité sénatorial de l'espace en faveur de la navette en mars 1971.

Pour inciter l'armée à utiliser la navette, le Congrès aurait déclaré au ministère de la Défense qu'il ne paierait pas pour les satellites qui ne seraient pas conçus pour entrer dans la soute de la navette. Bien que la NRO n'ait pas repensé les satellites existants pour la navette, le véhicule a conservé la capacité de récupérer de grandes cargaisons telles que le KH-9 HEXAGON depuis l'orbite pour les remettre à neuf, et l'agence a étudié le réapprovisionnement du satellite dans l'espace.

L'utilisation militaire potentielle de la navette, y compris la possibilité de l'utiliser pour vérifier la conformité soviétique avec le traité SALT II , ​​a probablement incité le président Jimmy Carter à ne pas annuler la navette en 1979 et 1980, alors que le programme avait des années de retard et des centaines de millions de dollars de plus que le budget. L'armée de l'air prévoyait d'avoir sa propre flotte de navettes et a reconstruit une base de lancement séparée dérivée à l'origine du programme annulé de laboratoire orbital habité à Vandenberg appelé Space Launch Complex Six (SLC-6) . Cependant, pour diverses raisons, en grande partie dues à la perte de la navette spatiale Challenger le 28 janvier 1986, les travaux sur SLC-6 ont finalement été interrompus et aucun lancement de navette depuis cet emplacement n'a jamais eu lieu. SLC-6 a finalement été utilisé pour lancer les lanceurs jetables Athena construits par Lockheed Martin , qui comprenaient le satellite commercial d'observation de la Terre IKONOS à succès en septembre 1999 avant d'être reconfiguré une fois de plus pour gérer la nouvelle génération de Boeing Delta IV . Le premier lancement du satellite lourd Delta IV depuis le SLC-6 a eu lieu en juin 2006, avec le lancement de NROL-22, un satellite classifié pour le National Reconnaissance Office (NRO) américain.

Français Bien que la NASA aurait probablement choisi des propulseurs à propergol liquide si elle avait eu un contrôle total sur la conception, le Bureau de la gestion et du budget a insisté sur des propulseurs à poudre moins chers en raison de leurs coûts de développement prévus plus faibles. Bien qu'une conception de propulseur à carburant liquide offrait de meilleures performances, des coûts par vol inférieurs, un impact environnemental moindre et un risque de développement moindre, les propulseurs à poudre étaient considérés comme nécessitant moins de financement pour leur développement à une époque où le programme de navette avait de nombreux éléments différents en compétition pour des fonds de développement limités. La conception finale qui a été sélectionnée était un orbiteur ailé avec trois moteurs à carburant liquide , un grand réservoir externe jetable contenant du propulseur liquide pour ces moteurs et deux propulseurs à poudre réutilisables .

Au printemps 1972, Lockheed Aircraft , McDonnell Douglas , Grumman et North American Rockwell ont soumis des propositions pour construire la navette. Le groupe de sélection de la NASA a estimé que la navette de Lockheed était trop complexe et trop chère, et que l'entreprise n'avait aucune expérience dans la construction de vaisseaux spatiaux habités. Celle de McDonnell Douglas était trop chère et présentait des problèmes techniques. Grumman avait une excellente conception qui semblait également trop chère. La navette de North American avait le coût le plus bas et les projections de coûts les plus réalistes, sa conception était la plus facile à entretenir et l' accident d' Apollo 13 impliquant le module de commande et de service de North American a démontré son expérience en matière de pannes de systèmes électriques. La NASA a annoncé son choix de North American le 26 juillet 1972.

Le programme de la navette spatiale utilisait le langage de programmation HAL/S . Le premier microprocesseur utilisé était le 8088 , puis le 80386. L'ordinateur avionique de l'orbiteur de la navette spatiale était l' IBM AP-101 .

Les avis divergent sur les leçons à tirer de la navette spatiale. Elle a été développée selon les estimations initiales de coûts et de temps de développement données au président Richard M. Nixon en 1971, pour un coût de 6,744 milliards de dollars en dollars de 1971 (équivalent à 38,9 milliards de dollars en 2023) contre une estimation initiale de 5,15 milliards de dollars . Les coûts opérationnels, la vitesse de vol, la capacité de charge utile et la fiabilité étaient cependant différents de ce qui était prévu.