Ce congrès traitant de la propulsion aéronautique et spatiale et réunissant plus de 1000 personnes s'est déroulé à Cincinnati du 9 au 11 juillet. Les présentations sont si nombreuses que plus de 20 sessions se déroulent en parallèle. Une exposition est, comme toujours, associée au congrès, ce qui permet de compléter par des contacts et grâce à l'exposition de matériels et maquettes, les renseignements recueillis lors des conférences.
L'exposition AIAA Joint Propulsion Conference 2007 (doc. A. Souchier)
La station orbitale est maintenant présentée comme banc d'essai pour l'exploration spatiale. (doc. NASA/Boeing)
Les industriels et la NASA ont donné les dernières nouvelles des différentes composantes du programme d'exploration US. Les premières étapes de ce programme, le lanceur semi lourd Ares 1 et le vaisseau Orion sont maintenant incontournables. En effet la navette va être arrêtée et il serait impensable que les américains restent sans aucun moyen d'accès de leurs astronautes à l'espace.
Le programme Orion avance bien; les airbags du système d'atterrissage ont été essayés avec succès à Langley, y compris en présence de vents latéraux jusqu'à 72 km/h. De ce fait l'emploi de retro fusées ne semble plus d'actualité. Le système d'éjection de la cabine en cas de défaillance du propulseur à ergols solides du premier étage est en plein développement. Il est plus difficile à développer que celui d'Apollo car en cas de défaillance le booster peut continuer à pousser, comme sur Challenger, et la cabine doit pouvoir échapper à cette poursuite mortelle en accélérant plus vite. Des essais d'éjection à la pression dynamique maximale sont prévus en 2010, suivis en 2011 d'essais d'éjection avec le lanceur en basculement puis d'essais d'éjection à altitude maximale. En orbite, Orion devra pouvoir rester amarré à la station pendant 210 jours avant retour sur Terre.
A gauche, présentées sur le stand ATK, les maquettes à la même échelle, de gauche à droite, du lanceur Ares 1 (21 tonnes en orbite basse), de la navette et du lanceur lourd Ares 5 (131 tonnes en orbite basse). (doc. A Souchier)
Au centre, sur le stand NASA, une maquette, réalisée en stéréolithographie, du module de service de la cabine Orion montrant la solution envisagée de support ne passant pas par le module de service (4 bras escamotables). Cette solution allègerait notablement la cabine.(doc. A. Souchier)
A droite image de synthèse du système d'éjection en fonctionnement (doc. NASA)
Cette même cabine doit pouvoir assurer le transfert aller retour de 4 astronautes vers la Lune et la rentrée dans l'atmosphère de la Terre depuis une orbite de retour de Mars pour 6 astronautes. La NASA et Boeing présentent des animations vidéo du voyage lunaire très spectaculaires mais pas encore d'animations ayant trait à la mission martienne. Et pour cause, la NASA annonce avoir à peine commencé les études d'architecture martienne qui permettront de maximiser les synergies entre le scénario lunaire et le scénario martien.
A gauche essai des airbags d'Orion au centre Langley (doc. NASA/Larc)
A droite vue plongeante (si ce terme a encore une signification en microgravité !) dans la cabine d'Orion montrant les 4 astronautes d'une mission lunaire. (doc. Boeing)
En ce qui concerne les moteurs la NASA vient de passer, le 16 juillet, un contrat de 1,2 milliards de dollars à Pratt et Whitney – Rocketdyne pour le développement du moteur J2X du deuxième étage d'Ares 1. Ce moteur à oxygène et hydrogène de 130 tonnes de poussée est comparable au Vulcain d'Ariane 5. C'est une version modernisée du moteur J2 qui a propulsé les deuxième et troisième étages de la fusée lunaire Saturn 5 du programme Apollo . Le premier essai sur un banc du centre Stennis de la NASA près de la Nouvelle Orléans est prévu en mars 2010. Le premier vol habité Ares 1 Orion est programmé en 2013 mais un vol de démonstration Ares 1X aura lieu dès fin 2009. Cet Ares expérimental sera constitué d'un booster de navette standard à 4 segments (alors que le véhicule final en aura 5), surmonté d'une maquette du cinquième segment et d'une maquette de l'étage cryotechnique supérieur, celui qui recevra le moteur J2X. L'objectif sera de tester le pilotage et de mesurer les efforts généraux en particulier au moment où la pression dynamique est maximale. Sur un lanceur la pression dynamique de l'air liée à la vitesse passe en effet par un maximum avant de décroître car la densité de l'air tend vers zéro lorsque l'altitude croît. Les premiers éléments d'Ares 1X sont déjà construits et seront livrés au Kennedy Space Center en 2008. A coté du bâtiment d'assemblage VAB, les travaux de mise à hauteur de la salle de commande n°1 ont commencé (« firing room » 1 ). Le lancement d'Ares 1X aura lieu du pas de tir 39B avant modification de celui ci pour les lancements Ares opérationnels, par installation, entre autres, de mats paratonnerre de plus de 100 m de haut. La tour ombilicale sera également modifiée, retrouvant la hauteur qu'elle avait du temps de Saturn 5.
A gauche le nouveau moteur J2X destiné au deuxième étage Ares 1 et Ares 5, dérivé du moteur J2 de Saturn 5 (doc. NASA)
A droite le moteur du module de service Orion sera dérivé du moteur de manoeuvre OMS Aerojet de la navette. Ce moteur devrait aussi être celui de remontée du module lunaire. (doc. A. Souchier)
Les travaux sur les scaphandres ont commencé à la NASA y compris avec des essais en microgravité sur DC9. Un contrat vers l'industrie est visé en mars 2008. Les scaphandres doivent pouvoir répondre au besoin sortie autour de la Terre et aussi sortie sur la Lune.
Le gros des travaux sur le lanceur lourd Ares 5 qui autorisera les missions lunaires ne commencera que vers 2010, lorsque les équipes navette pourront se dégager de leurs tâches habituelles. La propulsion du module lunaire fait déjà l'objet d'essais de démonstration chez Pratt et Whitney – Rocketdyne. Un moteur cryotechnique RL10 légèrement modifié a ainsi subi deux campagnes destinées en particulier à montrer la capacité à faire varier considérablement la poussée. Cette capacité est nécessaire pour se poser sur la Lune. Les essais ont couvert une plage de régimes de 9,5 à 102 %. Des oscillations de poussée (phénomène dit de chugging) ont été rencontrés lorsque la poussée descend en dessous de 20% (ce qui est normal pour un moteur fusée à bas régime). Les prochaines campagnes vont tenter de résoudre le problème. Sur le module lunaire Apollo, la poussée pouvait être modulée entre 15 et 100 %.
Les projets de module lunaire montrent l'utilisation de 4 moteurs RL10 dans cette version particulière désignée CECE.
Le module lunaire est bien plus gros que celui d'Apollo. Il est capable de transporter sur la Lune 4 astronautes, d'assurer leur séjour sur la Lune pendant 7 jours. Il est équipé d'un sas pour mieux manager la poussière lunaire et éviter son entrée dans la cabine principale. Dans ce retour à la Lune, le module lunaire a aussi un rôle particulier : ce sont ses moteurs CECE qui sont chargés d'assurer le freinage de l'ensemble module lunaire et Orion à l'approche de la Lune pour mise en orbite. Comme les CECE sont des moteurs cryotechniques beaucoup plus performants que le moteur à ergols stockables installé sur Orion, il est plus économique en masse d'ergols de les utiliser pour ce freinage. Ils seront donc encore utilisés pour la descente sur la Lune mais la remontée est prévue avec un moteur à ergols stockables (en principe le même que sur Orion) car la conservation d'oxygène et d'hydrogène liquide sur la Lune pendant 7 jours (éclairage solaire continu et sol chaud) est problématique.
A gauche le module lunaire sous coiffe au sommet d'Ares 5. Derrière: la cabine Orion au sommet d'Ares 1 avec sa tour d'éjection. Les astronautes lancés par Ares 1 rejoindront le module lunaire attendant en orbite terrestre avant de s'élancer vers la Lune. (doc. A. Souchier)
A droite, le vaisseau spatial prêt à partir pour la Lune après rendez vous entre Orion et le module lunaire accroché à l'étage de transfert équipé du moteur J2X. (doc. NASA/Boeing)
A gauche le module lunaire et Orion en orbite autour de la Lune après freinage par utilisation des moteurs CECE hydrogène et oxygène liquide du module lunaire et non du moteur de service d'Orion visible en bas à droite. (doc. NASA)
A droite le module lunaire à l'atterrissage (on ne dira peut être plus alunissage comme à l'époque Apollo). (doc. Boeing)
Synergie entre les matériels et opérations lunaires et martiens: l'etude d'architecture de la mission martienne vient seulement de commencer. (doc. NASA)
L'architecture de mission martienne NASA n'est pas encore connue, mais comme tous les ans l'équipe de Stan Borowski du Glenn Research Center a présenté son concept de mission utilisant la propulsion nucléothermique bimodale (le réacteur nucléaire est aussi utilisé pour produire de l'électricité). Cette architecture de mission était désignée DRM4 (Design Reference Mission n°4 ) il y a quelques années. C'est ce type de mission qu'a décrit Charles Frankel dans son dernier livre « L'homme sur Mars ».
Le véhicule habité de la mission DRM4 a été modifié. Le reservoir éjectable d'hydrogène liquide dont le contenu est consommé pour l'élancement de la Terre vers Mars a été subdivisé en 4 petits réservoirs éjectables. L'habitat est toujours constitué d'une structure gonflable. (doc. Nasa)
Aucune information particulière n'a filtré lors la conférence JPC 2007 quant à l'utilisation de la propulsion nucléothermique pour la proposition future d'architecture de mission martienne de la NASA. La communauté « nucléothermique » US continue à promouvoir ce mode de propulsion. En particulier la question des essais au sol de ce type de moteur semble avoir progressé. Rappelons qu'un moteur nucléothermique est une simple chaudière à chauffer de l'hydrogène. L'hydrogène qui sort du moteur n'est pas radioactif. Mais l'érosion du combustible nucléaire par l'hydrogène qui passe dans le réacteur, entraîne dans la sortie du moteur la présence de particules radioactives. Les essais de ce type de moteurs aux USA et en Russie dans les années 60 ont été effectués à l'air libre. Mais c'était aussi l'époque où les bombes atomiques étaient essayées à l'air libre avec des rejets radioactifs autrement plus importants. Aujourd'hui l'essai à l'air libre d'un moteur nucléothermique est inacceptable. Il faut prévoir un fonctionnement en circuit fermé avec filtrage des gaz émis ce qui conduit à des installations coûteuses à la construction et à l'utilisation. Pour contourner cette difficulté, les projets de mission se sont orientés vers des moteurs de plus faible poussée. Le programme NERVA avait testé un moteur jusqu'à 90 tonnes de poussée. La mission DRM4 se contente de 3 moteurs de 7 tonnes de poussée, ce qui divise par 13 la quantité de gaz à filtrer sortant d'un moteur en essai au sol. La nouvelle idée pour tester un moteur nucléaire est de lui faire cracher ses gaz dans un trou de 360 m de profondeur sur 2,5 m de diamètre creusé dans un sol suffisamment poreux pour que la pression ne monte pas trop dans ce trou (le gaz diffuse dans le sol). Les particules radioactives restent piégées sur les parois du trou et la décroissance de la radioactivité sera plus rapide que la diffusion très lente de ces particules dans le sol.
En attendant la relance éventuelle d'un programme de développement d'un moteur nucléothermique, des activités intéressantes sont en cours : le recalcul de réacteurs passés au moyen de modélisations modernes qui permet de combiner résultats expérimentaux passés et puissance de calcul moderne qui donne accès à beaucoup de détails fins.
Autre système à base d'énergie nucléaire : les générateurs thermiques à radioisotopes ou RTGs. Les RTGs produisent de l'électricité en utilisant la chaleur dégagée naturellement par des produits radioactifs. La prochaine génération de rovers martiens US « Mars Science Laboratory », beaucoup plus gros que Spirit et Opportunity, dont le lancement est attendu en 2009, doit faire usage de ce type de source électrique qui fournit de la puissance indépendamment de l'éclairement solaire. Spirit et Opportunity utilisent des panneaux solaires et la puissance dont ils disposent devient très faible en hiver. La nouvelle génération de rover échappera à ces contraintes.
Le futur gros rover US sera déposé sur le sol martien en douceur en utilisant le concept de « grue du ciel » ou « skycrane » en anglais : à l'approche du sol le rover est suspendu par un câble sous le module propulsif. Ce module est équipé de moteurs directement dérivés des moteurs d'atterrissage des sondes Viking de 1976. Il s'agit de moteurs à décomposition catalytique d'hydrazine dont la poussée peut varier de 3 à 365 daN. La requalification avec 55 essais entre 2002 et 2006 pour la mission Mars Science Laboratory est maintenant acquise par Aerojet et tous les moteurs de la mission ont été produits. Maintenant ce moteur va faire l'objet d'un nouveau complément de développement car il devrait être utilisé pour le contrôle de roulis d'Ares 1.
Les RTG (à gauche) produisant de l'électricité en utilisant la chaleur dégagée naturellement par des produits radioactifs seront utilisés en principe sur la prochaine génération de gros rovers martiens US. (doc. Hamilton Sundstrand)
A droite le concept d'atterrissage "skycrane" pour le rover 2009 (doc. NASA)
Le moteur hydrazine à poussée très variable qui permettra l'atterrissage en douceur du Mars Science Laboratory. Le moteur est stérilisé pour éviter l'emport de microorganismes terrestres sur Mars. (doc. Aerojet)
RSS