Épisode 17 : La Révolution Réutilisable (1970s-1981)

Introduction

Dans le dernier épisode, on a suivi les Voyager : deux sondes parties en 1977 vers les planètes géantes, et qui continuent aujourd’hui d’émettre depuis l’espace interstellaire. Pendant que ces ambassadeurs s’éloignent, les États-Unis préparent un autre pari, au sol. Un véhicule spatial qui ne part pas une fois pour toutes, mais qui revient. Qui décolle, travaille en orbite, se pose comme un avion, et repart après réparation et rechargement. Plus de fusée à usage unique : l’idée, c’est la navette réutilisable. En janvier 1972, le président Nixon annonce le développement du Space Shuttle. Le programme Space Transportation System (STS) est lancé. Un orbiteur (l’avion spatial), un énorme réservoir externe d’hydrogène et d’oxygène liquides, deux boosters à poudre : seul le réservoir est perdu à chaque vol, le reste est récupéré. Comment passe-t-on de « on lance une fois » à « on réutilise » ? Et à quel prix technique et humain ? De l’idée aux tests d’Enterprise en 1977, puis au premier vol orbital de Columbia en avril 1981, voici la révolution réutilisable.

Chapitre 1 : Le concept et la décision (1972)

Apollo, Saturn V, les capsules Mercury, Gemini, Apollo : tout est jetable. Chaque mission coûte une fusée entière, des étages qui tombent dans l’océan ou brûlent dans l’atmosphère, un module de commande qui ne sert qu’une fois. La NASA et les décideurs politiques veulent un accès à l’orbite « routinier », moins cher, avec une cadence de lancements accrue. L’idée de la navette, c’est un véhicule qui décolle comme une fusée, travaille en orbite (satellites, expériences, plus tard des modules de station), puis revient se poser comme un planeur. Réparé, rechargé, il repart. Les promesses : réduction des coûts par vol, lancements plus fréquents, capacité à ramener du fret (satellites à réparer, échantillons). En janvier 1972, Nixon valide le programme.

Aucun véhicule au monde ne fait les trois : décoller verticalement avec une charge lourde, résister à la rentrée atmosphérique (friction, températures extrêmes), et atterrir en pilotage manuel ou assisté en planeur. L’orbiteur a des ailes, une soute, un cockpit ; il est accroché à un réservoir externe qui alimente ses trois moteurs principaux (les SSME, Space Shuttle Main Engine) en hydrogène et oxygène liquides ; deux boosters à poudre (SRB) lui donnent la poussée initiale. Et tout le ventre de l’orbiteur doit être protégé par un bouclier thermique : des milliers de tuiles et des pièces en carbone renforcé pour ne pas fondre à la rentrée. Chaque brique du système est un défi. Avant de risquer un vol orbital complet, la NASA construit un prototype qui ne quittera jamais l’atmosphère : Enterprise. Son job : prouver qu’un orbiteur peut voler en plané et atterrir. Le reste viendra après.

Chapitre 2 : Enterprise et les tests d’atterrissage (1977)

Enterprise est le premier orbiteur construit. C’est un prototype de 65 tonnes à vide : pas de moteurs principaux SSME, pas de bouclier thermique complet. Il ne doit jamais aller dans l’espace. Son rôle est uniquement de prouver qu’une aile spatiale peut être portée en altitude, larguée, et posée au sol après une descente en vol plané. Son nom ? La NASA voulait l’appeler Constitution ; des fans de Star Trek ont envoyé des centaines de milliers de lettres à la Maison Blanche pour réclamer « Enterprise », comme le vaisseau de la série. Le président Ford a tranché : ce sera Enterprise.

Le 12 août 1977, premier vol libre. Équipage : Fred Haise (vétéran d’Apollo 13) et Gordon Fullerton. Enterprise se sépare du SCA à 8h48, plane jusqu’à l’atterrissage sur le lac salé de la base d’Edwards, en Californie. Succès. Les Tests d’approche et d’atterrissage (ALT) attirent une foule considérable : environ 65 000 visiteurs et 900 journalistes ce jour-là. Les quatre autres vols libres suivent, avec notamment Joe Engle et Richard Truly aux commandes. Les tests prouvent que l’orbiteur peut être piloté en vol plané et se poser en sécurité. C’est la condition indispensable avant de risquer un vrai lancement avec un orbiteur complet, des moteurs, un bouclier thermique, et des hommes à bord. Enterprise ne volera jamais dans l’espace ; elle aura ouvert la voie. Aujourd’hui, Enterprise est exposée au Intrepid Sea, Air & Space Museum de New York, dans le Space Shuttle Pavilion sur le pont du porte-avions USS Intrepid.

Chapitre 3 : Les défis techniques (tuiles, moteurs, réservoir)

À la rentrée atmosphérique, la navette traverse l’air à très haute vitesse. Le frottement porte les surfaces à plus de 1 650 °C. La structure de l’orbiteur est en aluminium : sans protection, elle fondrait. Le système de protection thermique (TPS) repose sur plusieurs matériaux. Sous le ventre : des tuiles HRSI (isolation réutilisable haute température), des dizaines de milliers de petites tuiles légères, chacune numérotée et collée à la main. Sur le dessus : des tuiles LRSI (basse température). Sur le nez et les bords d’attaque des ailes, les zones les plus chaudes : du RCC (Reinforced Carbon-Carbon), carbone renforcé qui tient à des températures extrêmes. Les tuiles sont légères mais fragiles ; un choc peut les arracher. La maintenance entre deux vols est lourde. Ce bouclier sera au cœur d’une tragédie bien plus tard ; pour l’instant, il permet de concevoir un orbiteur qui revient.

Les trois moteurs SSME (Space Shuttle Main Engine), dans la queue de l’orbiteur, sont des moteurs cryogéniques : hydrogène liquide et oxygène liquide. Chacun délivre environ 2,28 MN de poussée en vide et peut varier sa poussée entre 65 % et 109 % (contrairement à la plupart des moteurs-fusées de l’époque, qui tournent à régime fixe) pour limiter l’accélération en fin d’ascension. Parmi les moteurs à ergols liquides les plus performants jamais construits. Leur développement, dans les années 1970, est long et coûteux ; il y a des pannes, des explosions au banc d’essai. Ils ne brûlent pas de propergol stocké dans l’orbiteur : ils sont alimentés par le réservoir externe, un cylindre géant de 47 mètres de hauteur et 8,4 mètres de diamètre, qui contient environ 102,6 tonnes d’oxygène liquide et 616,5 tonnes d’hydrogène liquide. Au décollage, l’essentiel de la poussée vient des deux boosters à poudre (SRB), environ 83 % ; ils sont largués vers 2 minutes de vol, retombent en parachute dans l’Atlantique, sont récupérés, rechargés et réutilisés. Pendant l’ascension, le réservoir alimente les trois SSME ; une fois vide, il se détache et retombe dans l’océan. C’est le seul élément non récupéré du système. Pourquoi ne pas tout mettre dans l’orbiteur ? Parce qu’un orbiteur plus lourd serait plus difficile à réutiliser, à faire atterrir, à remettre en état. En mettant l’essentiel du propergol dans un réservoir qu’on jette, on garde l’orbiteur léger et réutilisable. Compromis entre masse au décollage et coût de fabrication. Les détails techniques sont décrits sur le site Destination Orbite.

Chapitre 4 : STS-1, le premier vol de Columbia (avril 1981)

Le lancement est prévu le 10 avril 1981. À T-20 minutes, un problème de synchronisation entre les ordinateurs de bord, un écart de 40 millisecondes entre le logiciel principal et la sauvegarde, impose un report. Deux jours plus tard, le 12 avril 1981, soit la même date que le vol de Gagarine, vingt ans plus tôt, à 7 h 00 min 03 s heure locale (12 h 00 min 03 s UTC), les trois moteurs principaux s’allument en séquence, puis les deux boosters à poudre s’enflamment. Chacun délivre environ 12 millions de newtons de poussée. Columbia s’arrache du pas de tir 39A du Kennedy Space Center. C’est le premier lancement au monde avec une propulsion asymétrique : l’orbiteur est accroché sur le flanc du réservoir, pas au sommet, donc la poussée des trois moteurs principaux ne passe pas par l’axe du lanceur. À l’allumage, l’ensemble oscille brièvement sur le pas de tir avant de s’élever ; une fois la tour de lancement dépassée, la navette entame un programme de roulis pour s’orienter et monte en « diagonale », le nez incliné par rapport à la verticale, afin de réduire les contraintes sur les ailes et d’aligner la trajectoire sur l’orbite visée. Le spectacle est inédit. Deux minutes plus tard, à environ 53 km d’altitude et Mach 4, les boosters s’éteignent et se séparent ; ils retombent en parachute dans l’Atlantique où ils sont récupérés. Les trois SSME continuent de brûler, alimentés par le réservoir externe. À l’extinction des moteurs principaux, le réservoir se détache et se désintègre en rentrant dans l’atmosphère. Columbia allume alors ses deux moteurs OMS (Orbital Maneuvering System) : une première poussée l’injecte sur une orbite elliptique, une seconde circularise l’orbite à environ 307 km d’altitude. Douze minutes se sont écoulées depuis le décollage. Bob Crippen qualifiera l’ascension de « one fantastic ride » (un vol fantastique) ; son rythme cardiaque est passé de 60 à 130 battements par minute. Le récit détaillé de la NASA et celui de Rêves d’espace en gardent la trace.

Le 14 avril 1981, à 12 h 22 heure de Houston (EST), Young et Crippen allument les moteurs OMS pendant 2 min 27 s pour réduire la vitesse en deçà des quelque 28 000 km/h nécessaires au maintien en orbite. La gravité fait le reste. La descente dure environ une heure. Les propulseurs d’attitude redressent Columbia nez en avant, puis maintiennent le nez levé pour que le ventre et les tuiles affrontent le flux thermique de la rentrée. La navette ralentit en perdant de l’altitude. Au-dessus du Rogers Dry Lake, sur la base d’Edwards en Californie, Young et Crippen inclinent l’orbiteur, enchaînent un virage serré et une boucle pour s’aligner sur la piste 23. Le contact avec le sol a lieu à environ 350 km/h, soit près de deux fois la vitesse d’atterrissage d’un avion de ligne. Le roulement s’arrête après environ 2,7 km en une soixantaine de secondes. 2 jours, 6 heures, 20 minutes et 53 secondes après le décollage. Le président Reagan accueille les deux hommes et salue « un peuple libre capable de grandes réalisations ». L’orbiteur sera ramené plus tard sur le dos du 747 jusqu’en Floride pour préparer le vol suivant. En 1981, l’équipe NASA et les industriels (Rockwell, Martin Marietta, Thiokol) reçoivent le Collier Trophy pour la conception et le premier vol de la navette.

Conclusion

En 1972, Nixon valide le programme navette : objectif, un véhicule réutilisable et un accès à l’orbite « routinier ». En 1977, Enterprise prouve en vol plané et à l’atterrissage que le concept tient la route. Pendant les années 1970, les défis techniques (tuiles thermiques, moteurs SSME, réservoir externe) sont relevés au prix d’un développement long. Le 12 avril 1981, STS-1 : Columbia décolle avec Young et Crippen, accomplit 36 orbites, atterrit à Edwards. Premier vol habité sans essai non habité préalable. Une nouvelle ère est ouverte.

Avant la navette, chaque mission Apollo, c’était une Saturn V, un module de commande, un module lunaire : tout consommé ou abandonné, sauf la capsule qui amerrit. Coût et logistique énormes à chaque tir. Avec la navette, l’orbiteur revient. On le répare, on le recharge, on remet des boosters récupérés et rechargés, on accroche un nouveau réservoir externe, et on relance. Les promesses du programme (baisse des coûts par vol, lancements plus fréquents, capacité à ramener du fret) resteront à l’épreuve des faits. Pour l’instant, l’essentiel est là : un avion spatial a décollé, tourné autour de la Terre, et revenu se poser. Le paradigme a changé. La navette va enchaîner les missions : lancement et réparation du télescope Hubble, laboratoire Spacelab, satellites, sondes planétaires, et plus tard la construction de l’ISS. Dans le prochain épisode, on suivra ces missions qui font entrer la navette dans l’âge opérationnel.

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