Les vaisseaux spatiaux

(Image d’illustration tirée du site Futura science.)

 

Quand on dit « vaisseaux spatiaux », on pense tout de suite aux engins extraordinaires des dessins-animés, des films et des jeux vidéos de science-fiction. Du X-Wing de Star-Wars à l’Enterprise de Star Trek, du Milano de Star Lord dans Les Gardiens de la galaxie à l’Installation 00 dans Halo, notre créativité en la matière n’a pas de limite. Dans la réalité, l’humanité est loin, très loin de se déplacer à bord de tels engins. Et ce n’est pas pour tout de suite. Voici un tour d’horizon de nos modestes appareils :

 

Les vaisseaux spatiaux

 

La conquête de l’espace a véritablement démarré dans les années 60. Américains et Russes se livraient une guerre froide durant laquelle chacun voulait affirmer sa supériorité en tous points. Cette course à l’espace a été le moteur de rapides et fantastiques progrès dans le domaine spatial.

Des toutes premières capsules spatiales à la récente capsule Crew Dragon, voici comment les vaisseaux spatiaux terriens ont évolué ces soixante dernières années.

L’article que vous allez lire présente uniquement les appareils qui ont emporté des humains dans l’espace, ainsi que leurs lanceurs.

 

De la Terre à la Lune

C’est dans un contexte international tendu que les premiers hommes ont quitté notre planète pour l’immensité du vide. Le premier vaisseau a avoir réussi cet exploit est le Vostok russe, rapidement suivi par le vaisseau américain Mercury.

La capsule Vostok

    

Le premier homme à aller dans l’espace fut Youri Gagarine (pilote de chasse sur Mig-15, cosmonaute russe), le 12 avril 1961, à bord de la capsule Vostok 1. Avant lui, la Russie avait envoyé quatre capsules « test » dénommées « Korabl Spoutnik ».

Les capsules Vostok étaient composées de deux parties : la capsule sphérique dans laquelle était embarqué le cosmonaute, ainsi que le matériel technique et scientifique, et le module de services, emportant le système de freinage et le carburant. Une réplique du vaisseau est exposée au Technik Museum Speyer.

Y. Gagarine fut placé en orbite autour de la Terre, dont il fit un seul tour. Son voyage dura moins de deux heures. À son retour sur Terre, il s’éjecta, comme prévu, et atterrit en parachute au Kazakhstan. De 1961 à 1963, il y eut six missions habitées de type Vostok.

Pour s’arracher à l’attraction terrestre, les vaisseaux ont besoin d’être propulsés par une fusée, ou lanceur. Le lanceur du Vostok était cette fusée :

Les vaisseaux spatiaux russes sont lancés depuis la base de Baïkonour, au Kazakhstan.

Sur le Galion des étoiles, vous pourrez admirer un poster présentant toutes les fusées construites par l’homme : Fusées – comparaison de tailles.

 

La capsule Mercury

 

Peu de temps après Gagarine, c’est un Américain qui s’envola vers l’espace : Alan Shepard (pilote d’essais dans la Marine), le 5 mai 1961, à bord d’une capsule Mercury. Il réalisa un vol suborbital, c’est-à-dire que son vaisseau n’atteignit pas une vitesse suffisante pour se placer en orbite. C’est John Glenn (pilote d’essai dans l’US Air Force), qui, le 20 février 1962, effectua le premier vol en orbite pour les Etats-Unis, lui aussi à bord d’une capsule Mercury. Il demeura moins de 5 heures dans l’espace, effectuant trois orbites.

Les capsules Mercury étaient de petits appareils de forme conique, pesant 1,5 tonne, car les lanceurs américains (de type Redstone, puis Atlas) étaient alors de faible puissance. Les Mercury étaient dotées de moteurs pour s’orienter dans l’espace, de rétrofusées pour le retour sur Terre et d’un bouclier thermique. Elles étaient conçues pour amerrir dans l’océan. L’astronaute à bord ne pouvait pas s’éjecter, contrairement au fonctionnement des capsules russes. Mercury ne pouvait transporter qu’un astronaute.

Entre 1959 et 1963, il y eut dix-sept vols de test avant qu’un homme soit envoyé dans l’espace avec Mercury, puis six vols habités.

Lanceur Atlas au décollage.

Les vaisseaux spatiaux américains sont lancés depuis la base de Cap Canaveral et depuis le Centre spatial Kennedy, tous deux situés en Floride.

Je vous invite à voir ou à revoir le film Les Figures de l’ombre, de Theodore Melfi, sorti en 2016, et à relire l’article consacré à Katherine Johnson, dans ma série “Les Femmes et la science(-fiction)”.

La capsule Gemini

 

De 1963 à 1966, le programme américain Gemini a eu pour but de préparer le programme Apollo, dont l’objectif était d’envoyer des hommes sur la Lune. L’avance des Russes dans la conquête de l’espace avait mis à mal le prestige Américain. Il était important pour les Etats-Unis de revenir sur le devant de la scène.

La capsule Gemini pesait 3,5 tonnes. Gemini réussit toutes ses missions. Les Gemini ressemblaient aux Mercury. Elles étaient emportées par le lanceur Titan. Il y eut deux vols de test sans équipage, puis dix vols avec un équipage de deux astronautes. Les capsules effectuèrent de nombreuses orbites autour de la Terre. Par exemple, Gemini 7 effectua 206 orbites, les astronautes restèrent plus de treize jours en orbite. Neil Armstrong, Edwin Eugène Aldrin et Michael Collins faisaient partie des astronautes de ce programme.

Lanceur Titan au décollage.

Je vous invite à voir ou à revoir le film L’Etoffe des héros, de Philip Kaufman, sorti en 1983. Ce grand classique, avec l’acteur Ed Harris, retrace toute cette aventure spatiale.

La capsule Apollo

 

Le programme Apollo dura de 1963 à 1972. Grâce au succès du programme Gemini, les Etats-Unis purent mettre au point le module Apollo, ou CSM pour « Command and service module ». Il pesait trente tonnes. La partie supérieure, en forme de cône, pouvait emporter un équipage de trois astronautes ; il s’agissait du module de commande. La partie inférieure, en forme de cylindre, emportait le carburant et l’équipement nécessaire à la survie des astronautes, et était terminée par la tuyère du moteur de propulsion ; il s’agissait du module de services.

Le module lunaire, ou LEM, pouvait emporter deux astronautes.

Ainsi, Apollo était constitué de la capsule spatiale, qui restait en orbite lunaire avec un astronaute à bord, et du LEM, qui descendait se poser sur la Lune.

Plusieurs tests furent nécessaires avant que le module Apollo soit prêt à emporter des astronautes. Un nouveau lanceur fut aussi testé, Saturn V, lors de la mission Apollo 4. Il y eut quatre vols habités préparatoires : les missions Apollo 7 à 10.

Le 16 juillet 1969, Apollo 11 quitta la Terre en direction de la Lune, emportant Neil Armstrong (pilote d’essai pour la NACA, après avoir été dans la Marine), Buzz Aldrin (pilote de l’US Air Force) et Michael Collins (pilote de l’US Air Force). Le 21 juillet, le LEM toucha le sol lunaire avec, à son bord, Neil Armstrong et Buzz Aldrin. Ils restèrent plus de 21 heures sur la Lune, où ils effectuèrent une sortie extravéhiculaire de 2h30.

Toutes les missions suivantes furent des succès, hormis Apollo 13, dont l’un des réservoirs d’oxygène liquide explosa durant le transit vers la Lune. Cela obligea les astronautes à revenir sur Terre avec difficultés. Le 7 décembre 1972, Apollo 17 fut la dernière mission à se poser sur la Lune. Eugene Cernan et Harrison Schmitt effectuèrent trois sorties extravéhiculaires, d’une durée totale de 22 heures.

Pour des raisons de coût financier, depuis cette date et à ce jour, plus aucun vaisseau n’a conduit d’humains sur la Lune.

Lanceur Saturn V sur le pas de tir.

Je vous invite à voir ou à revoir Apollo 13, de Ron Howard, sorti en 1995. La réplique culte du film : “Houston, on a un problème”, prononcée par Tom Hanks, est presque plus connue que celle de Neil Armstrong : “C’est un petit pas pour un homme, un bond de géant pour l’humanité”, quand il a posé le pied sur la Lune. Ed Harris joue aussi dans Apollo 13.

La capsule Soyouz

 

Depuis 1962, la Russie utilise le vaisseau Soyouz pour envoyer des cosmonautes dans l’espace. Le vaisseau pèse sept tonnes. Il est composé de trois modules : le module de service, le module de descente utilisé pour le retour sur Terre et le module d’amarrage à la station spatiale. Il peut emporter trois cosmonautes. Il peut voler de façon autonome jusqu’à quinze jours, ou rester amarré à l’ISS jusqu’à deux cents jours.

La conception du vaisseau Soyouz avait pour objectif de rattraper les Américains et d’aller sur la Lune. Le projet, à ce niveau, n’aboutira jamais, tant les appareils rencontrèrent des problèmes au cours des tests inhabités, mais aussi au cours des vols habités. Ce n’est qu’en octobre 1968 qu’un vaisseau Soyouz, piloté par Gueorgui Beregovoï, réussit sa mission d’amarrage avec un autre vaisseau Soyouz qui l’attendait en orbite et ne transportait pas d’équipage. En juin 1970, un équipage restera 18 jours à bord de Soyouz 9. Ils avaient pour mission de démontrer les capacités des humains à effectuer des séjours prolongés dans l’espace et de se préparer ainsi aux futurs séjours à bord de stations spatiales [1].

Malgré de nombreuses difficultés au moment de sa conception, le vaisseau Soyouz est un vaisseau spatial fiable. De 2011 à 2020, après l’arrêt des vols de la navette spatiale américaine (dont je parlerai plus bas), ce vaisseau a été le seul à emporter des astronautes dans l’espace (excepté le Shenzhou, mais il n’est utilisé que par et pour la Chine ; voir plus bas), quelle que soit leur nationalité, jusqu’à la station spatiale internationale (ISS). À ce sujet, un court article est à lire sur Sciences et avenir.

 

 

Trente ans de navettes spatiales

 

La navette spatiale américaine

 

Le concept de navette spatiale – ou « orbiteur » – s’oppose à celui de vaisseau spatial, ou plus exactement de capsule spatiale. Une navette spatiale est un véhicule pouvant sortir de l’atmosphère, se déplacer dans l’espace et revenir sur Terre grâce à un atterrissage contrôlé. Au décollage, une navette se comporte comme une fusée. Au retour sur Terre, elle se comporte comme un planeur, sans moteur, et atterrit sur une piste comme un avion. Elle peut être réutilisée. Une capsule spatiale est un véhicule pouvant sortir de l’atmosphère, se déplacer dans l’espace et revenir sur Terre grâce à un guidage automatique. Elle ne peut pas être réutilisée.

Une navette spatiale est un ensemble complexe qui accueille les astronautes à l’avant, le matériel et les satellites au centre, le carburant pour le vol spatial à l’arrière. En voici un schéma :

Un article très complet lui est consacré sur le site TPE Astronautique.

Le projet de navette spatiale américaine a débuté en 1969. Ce n’est qu’en 1981 que la première navette opérationnelle s’envole pour l’espace avec un équipage à son bord.

Les Etats-Unis ont construit six navettes spatiales : Enterprise (qui n’est jamais allée dans l’espace), Columbia (qui se désintégra à son retour sur Terre en 2003), Challenger (qui explosa au décollage en 1986), Discovery, Atlantis et Endeavour.

Une navette spatiale ne s’arrachait pas de l’attraction terrestre grâce à un lanceur de type fusée, mais au moyen de deux boosters couplés à un réservoir central.

 

La navette Columbia

La navette Columbia est entrée en service en 1981, effectuant son premier vol le 12 avril. Elle pouvait emporter sept membres d’équipage. Elle effectua vingt-huit vols dans l’espace. La navette avait pour missions d’envoyer des satellites en orbite, de permettre aux astronautes de les réparer, d’effectuer des études scientifiques, etc. Le commandant était différent à chaque mission. Une seule femme commanda la navette Columbia : Eileen M. Collins, lors de la mission du 23 juillet 1999.

Columbia est allée jusqu’à demeurer plus de dix-sept jours dans l’espace, le record pour une navette spatiale.

 

La navette Challenger

La navette Challenger a effectué son premier vol le 4 avril 1983. Elle effectua neuf missions, emportant elle aussi sept membres d’équipage, jusqu’au drame de 1986. Aucune femme ne la commanda.

 

La navette Discovery

La navette Discovery effectua son premier vol le 30 août 1984. À l’instar des deux précédentes navettes, elle avait pour mission de placer des satellites en orbite et de permettre leurs réparations. Mais elle assura aussi la relève des astronautes présents sur les stations spatiales Mir, puis ISS, après avoir permis d’assurer une partie du montage de cette dernière, de lui apporter des modules ou encore de la ravitailler.

Elle effectua 39 missions, dont deux furent commandée par une femme. Il y eut de nouveau Eileen Collins en 2005, puis Pamela A. Melroy en 2007.

La navette Discovery lança le télescope spatial Hubble, en avril 1990 (<<< cliquez sur le lien pour lire l’article concernant les télescopes spatiaux).

Sa dernière mission eut lieu le 24 février 2011 ; elle se déroula sans problème.

 

La navette Atlantis

La navette Atlantis effectua son premier vol le 3 octobre 1985. Elle assura trente-trois missions jusqu’en 2011, année de son dernier vol. Ses missions étaient similaires à celles des autres navettes. En outre, elle effectua plusieurs missions pour le département de la Défense, permit la relève des astronautes présents sur la station Mir, et assura l’assemblage de l’ISS. Son dernier vol eut lieu le 8 juillet 2011, sans problème. Aucune femme ne la commanda.

 

La navette Endeavour

La navette Endeavour effectua son premier vol le 7 mai 1992. Elle assura trente-cinq missions, la plupart consacrées à l’assemblage de l’ISS dès 1998. Son dernier vol eut lieu le 16 mai 2011, sans problème. Aucune femme ne la commanda non plus.

La navette Endeavour apparaît dans plusieurs films de science-fiction : dans Fusion (2003), dans X-Men : Dark phoenix (2019), et dans la série Stargate SG-1 (épisode La morsure du serpent, épisode 1 de la saison 2)

 

Utiliser une navette spatiale pour envoyer des hommes dans l’espace fut aussi une ambition de la Russie, avec les programmes BOR et Bourane, et de la France, qui s’associa à d’autres pays d’Europe pour des raisons financières. L’Agence spatiale européenne (ESA) construisit une maquette d’une navette Hermès à taille réelle et le véhicule expérimental IXV. Aucune de ces navettes n’emporta d’humains dans l’espace.

Les navettes spatiales américaines cessèrent de voler en 2011. Mais, dès 2006, la NASA mit en place un autre projet, dont je parlerai plus bas.

 

L’envol de la Chine

 

La capsule Shenzhou

Alors que le programme américain des navettes spatiales battait son plein, la Chine lança le vaisseau spatial Shenzhou. Développé à partir de capsules Soyouz vendues par la Russie, le Shenzhou emporta son premier taïkonaute dans l’espace le 15 octobre 2003. Yang Liwei (lieutenant-colonel de l’armée chinoise) fut le premier Chinois dans l’espace. De nombreux détails sur le projet Shenzhou sont à lire dans l’article publié sur Capcom espace.

La capsule Shenzhou est composée de trois modules : le module de services, le module de commande et le module de descente, pour le retour sur Terre. Elle pèse 7,8 tonnes. Les premiers modèles ne pouvaient emporter qu’un seul taïkonaute, les plus récents peuvent en transporter trois.

La capsule Shenzhou fut envoyée dans l’espace à l’aide d’un lanceur Longue Marche. Elle permit à des taïkonautes de rejoindre les stations spatiales chinoises Tiangong 1 et Tiangong 2.

Lanceur Longue Marche 5B sur le pas de tir.

Les vaisseaux spatiaux chinois sont lancés depuis la base de Wenchang, sur l’île d’Hainan.

Une nouvelle capsule ou une navette spatiale ?

En mai 2020, la Chine a fait décoller un nouveau vaisseau grâce à un lanceur encore plus puissant, le Longue Marche 5B. L’article de Bruno Clairet évoque une navette spatiale, mais plus loin il parle de « capsule », ou encore de « vaisseau test ». Aucun renseignement supplémentaire n’est donné sur le type d’engin en question. Pour autant, quelques informations sont apportées par Futura sciences, qui parle d’avion-navette, et par le journal CGTN, dans une vidéo, qui évoque un prototype de la future navette spatiale chinoise. Il semblerait qu’il s’agisse bien d’un appareil un peu différent d’une capsule spatiale.

Un certain mystère entoure donc ce vaisseau, mais nous en saurons plus très bientôt. En effet, cette année, trois lancements sont prévus pour aller assembler les modules de la nouvelle station spatiale chinoise. Affaire à suivre…

 

L’année 2020 : un nouvel élan vers l’espace

 

2020 a non seulement vu le décollage avec succès de la nouvelle capsule chinoise, mais aussi celui de la très médiatisée capsule Dragon, conçue par la société SpaceX.

C’est en 2006 que la NASA lança un appel d’offres à des sociétés privées pour la conception du futur vaisseau qui remplacerait les navettes spatiales pour la liaison avec l’ISS et afin d’assurer la poursuite des envois de satellites en orbite. Le projet de SpaceX – mais aussi celui de Boeing – remporta l’appel d’offres, et le contrat fut signé en 2008.

La capsule Dragon

 

La capsule Dragon est destinée au transport de satellites et autre fret pour l’ISS. Elle est composée de deux parties : la partie haute en forme de cône qui emporte une partie du fret et qui bénéficie d’une trappe d’arrimage à l’ISS (pour emporter, ensuite, des astronautes), et un cylindre qui contient l’autre partie du fret, mais aussi des panneaux solaires. La capsule est dotée de dix-huit moteurs-fusées qui permettent le contrôle de l’altitude et de la trajectoire. Seule la partie haute revient sur Terre.

Entre 2010 et 2020, la capsule a effectué vingt-deux missions, sans équipage.

 

La capsule Dragon-V2

Dragon a été remplacée en 2020 par une capsule conçue pour être réutilisable et emporter sept personnes : Dragon V2, ou Crew Dragon. De nombreux nouveaux systèmes de survie ont été ajoutés pour pallier les différentes défaillances susceptibles de se produire durant une mission : échec au décollage, problème de propulseurs, problèmes au retour pour l’atterrissage… L’autre progrès concerne le panneau de commande : la Dragon V2 est commandée grâce à des écrans tactiles, mais elle comporte aussi des boutons manuels plus classiques pour les situations d’urgence.

Le premier vol de la capsule Crew Dragon, a eu lieu le 30 mai 2020, en direct sur Internet et sur plusieurs chaînes de télévision. Deux hommes se trouvaient à bord : Douglas Hurley (ingénieur, colonel dans la Marine et pilote ; avait déjà volé avec les navettes Atlantis et Endeavour) et Robert Behnken (ingénieur, colonel dans l’US Air Force ; avait déjà volé avec Endeavour). La capsule est revenue sur Terre le 2 août, sans incident.

Le prochain vol habité de la Crew Dragon est prévu pour le printemps 2021. Elle emportera quatre astronautes : deux Américains (Robert Shane Kimbrough, pilote, astronaute qui a déjà volé avec la navette Endeavour, et Katherine Megan McArthur, océanographe et ingénieure pour la NASA), un Japonais (Akihiko Hoshide, qui a déjà volé sur la navette Discovery) et un Français (Thomas Pesquet, ingénieur en aéronautique et pilote de ligne).

Thomas Pesquet nous avait permis de découvrir plus intimement l’ISS lors de son précédent séjour sur la station (qu’il avait rejointe à bord d’une capsule Soyouz) du 17 novembre 2016 au 2 juin 2017, en publiant régulièrement sur son compte Facebook des photos et des vidéos, accompagnées de commentaires explicatifs. Pour le suivre sur Facebook, c’est par ici : Facebook de Thomas Pesquet.

Capsule Crew Dragon amarrée à l’ISS.

 

Le lanceur de la capsule Dragon est la fusée Falcon 9 :

 

Quel avenir pour l’exploration spatiale ?

 

La conquête de l’espace est portée par l’ambition d’aller poser le pied sur Mars dans les prochaines années. Elon Musk, de Space X, et la Chine en rêvent sérieusement. La première étape, pour les Chinois, sera d’aller sur la Lune. Ils veulent même s’y installer à l’horizon 2040.

De nombreux défis technologiques sont encore à relever avant de pouvoir toucher le sol de la planète rouge. D’autant qu’une telle mission ne pourra recevoir aucun secours immédiat depuis la Terre. Les scientifiques doivent résoudre de nombreux problèmes dont : l’emport du carburant nécessaire à l’aller, à l’amarsissage, au décollage et au retour ; l’emport de l’équipement de survie pour les astronautes pendant le voyage (le trajet durera environ 300 jours pour y aller, auquel il faut ajouter la durée du séjour sur place, puis la durée de retour, qui sera plus longue – voir la vidéo complète “Voyager vers Mars“) ; ou encore la nécessaire solution à apporter pour protéger les appareils et les humains des radiations solaires.

Une vidéo issue de Futura Sciences explique rapidement quelques-unes des contraintes à prendre en compte :

D’ici-là, notre seul moyen d’aller explorer d’autres planètes est d’en rêver !

 

H.G.

[1] Les stations spatiales feront l’objet d’un prochain article.

 

À noter : Cet article a nécessité plusieurs heures de recherches, de compilation et de synthèse de documents. Merci de mentionner l’auteure si vous prélevez tout ou partie de son contenu.

 

Articles précédents dans la série “Contenus scientifiques” :

Les télescopes spatiaux – juillet 2020 ;

La sphère de Dyson – juin 2020 ;

Les interféromètres – mai 2020.

 

 

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