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Validation et mise en production des expériences acquises sur le bouclier thermique d'EFT-1
La construction et les améliorations du futur vaisseau spatial Orion se font pas à pas.
Les dirigeants du programme Orion ont décidé de débuter la construction du nouveau bouclier thermique par blocs plutôt que comme une structure monolithique, manœuvre qui découle des connaissances acquises à la suite du vol-test EFT-1.
Pour la mission EM -1, la couche supérieure du bouclier thermique d'Orion qui est sensé supporter les hautes températures de rentrée atmosphérique sera donc composée d'environ 180 blocs qui peuvent être construits en plusieurs étapes, facilitant le processus de fabrication.
« Le bouclier thermique que nous avons testé lors du vol de décembre dernier a donné toute satisfaction et nous a permis de récolter une énorme quantité de données sur sa performance thermique et mécanique» a déclaré Mark Kirasich, gestionnaire intérimaire du Programme Orion.
(Les examens post-vol ont confirmé une bonne performance dans les limites des tolérances prévues, choses impossibles à acquérir en laboratoire.)
« Mais le processus de construction du bouclier en une seule pièce pour ce vol nous a aussi donné un aperçu de la façon dont nous pourrions améliorer la manière de construire cet élément essentiel pour l'engin spatial » a-t-il ajouté.
L'écran thermique est constitué d'un squelette de titane et d’une peau en fibres de carbone qui donnent au module d'équipage cette forme circulaire et fourni un appui structurel au sommet de duquel la structure alvéolaire en fibre de verre-phénolique est placée. La structure en nid d'abeilles comporte 320.000 minuscules cellules remplies individuellement à la main avec un matériau ablatif appelé Avcoat. Cette structure a ensuite été cuite dans un grand four, radiographiée puis usinée pour répondre aux exigences précises d'épaisseur.
Cependant, au cours de sa fabrication, les ingénieurs ont déterminé que la résistance de la structure Avcoat / nid d'abeille était en deçà des attentes. Bien que l'analyse et le vol aient prouvé que le bouclier thermique avait atteint ses objectifs pour EFT-1, l'EM-1 connaîtra des températures plus froides dans l'espace et des températures plus chaudes lors de la rentrée, ce qui nécessite un bouclier thermique plus résistant.
Grâce à ces leçons et données acquises, l'équipe a donc été en mesure de faire une mise à jour de la conception du bouclier qui répondra aux exigences d’EM-1.
Cela permettra aussi de réaliser des économies de coûts et de raccourcir le temps de fabrication d'environ deux mois. La revue d’examen de conception est donc verrouillée pour la prochaine version.
Partout à travers pays, des éléments de l'engin spatial pour EM-1 se rassemblent. Ce mois-ci les soudures ont débuté dans l'usine de Michoud à la Nouvelle-Orléans. En Octobre, la NASA va voir l'arrivée d'une version d'essai du module de service de l'ESA - fourni pour des tests et analyses à Brook Plum Station près de Sandusky, dans l'Ohio…
Les 4 réservoirs d'ergols de l'ESM livrés
Airbus Defence and Space, maitre d’œuvre du module de service européen (ESM) du véhicule spatial Orion, a finalisé les premiers composants de l’ESM et livré quatre réservoirs d’ergols de grande capacité́.
Ces réservoirs en titane mesurent 2,67 mètres de haut pour un diamètre de 1,15 mètre. Chacun pèse environ 100 kg à vide pour un volume de 2.100 litres, portant la capacité de chargement totale à près de neuf tonnes d’ergols, dont de la monométhylhydrazine (MMH) et un mélange de deux oxydes d’azote MON (Mixed Oxides of Nitrogen). Les ergols occupent ainsi la majeure partie de la masse totale de l’ESM, qui s’élèvera à un peu plus de 13 tonnes.
L’un des quatre réservoirs d’ergols du module de service et son emplacement.
Les réservoirs seront acheminés vers l’Italie, où le modèle de test structurel de l’ESM sera assemblé avant d’être testé aux États-Unis.
Module de service test à Thales Alenia Space en Italie.
Ces premiers essais visent principalement à vérifier que les composants structurels sont capables de résister aux énormes contraintes qui s’exercent, notamment au décollage. La prochaine étape portera sur la fabrication du modèle d’ingénierie qui, lui, sera assemblé et testé par Airbus Defence and Space à Brême (Allemagne).
Ce modèle permettra de tester l’équipement intérieur des réservoirs qui devra assurer, en conditions d’apesanteur, une alimentation constante en ergols et exempte de bulle vers les moteurs. Les réservoirs définitifs de l’ESM devraient ensuite être assemblés à Brême d’ici la mi-2016. Ils seront utilisés pour la première fois en 2018 pour le lancement de la mission EM-1.
Rappelons que le module de service européen devra assurer la propulsion, l’alimentation électrique et la régulation thermique, l’eau et l’oxygène à l’équipage au cours des missions.
Glissement du calendrier pour EM-2...
Les responsables de la NASA ont annoncé le 16 septembre que le premier vol habité du vaisseau spatial Orion pourrait être retardé de deux ans.
Ce premier vol habité (EM-2) était officiellement ciblé au mois d’août 2021 mais un examen approfondi du programme au cours de ces dernières semaines a mis en évidence des risques de retard du lancement.
« L'équipe va continuer à travailler avec comme date butoir août 2021, mais nous pouvons affirmer qu’a 70%, la date d’avril 2023 sera plus réaliste » a déclaré Robert Lightfoot, administrateur associé de la NASA.
Le vol d'essai du lanceur lourd SLS et de la capsule Orion sans équipage, appelé Mission Exploration-1 (EM-1) reste quant à lui sur la bonne voie pour fin de 2018, a ajouté Lightfoot mais fera l'objet d'un autre examen plus tard au cours de cette année.
L'examen de confirmation du programme d'Orion qui s’est tenu au siège de la NASA à Washington avec la participation d'un conseil d'administration indépendant, a également fixé un budget pour cette première mission habitée: la NASA affirme avoir besoin d’une rallonge de 6,77 milliards $ pour achever le développement d'Orion jusqu'en 2023, en plus des 10,5 milliards $ déjà dépensés pour le vaisseau spatial puisque le projet démarra avec le programme Constellation, une initiative lancée en 2005 sous l'administration Bush.
La destination et la durée d’EM-2 ne sont pas encore finalisées mais les principaux objectifs sont de faire en sorte que les systèmes de la capsule soient prêts à effectuer un voyage dans l'espace profond. Le prochain vol après celui dont il est question ici, Exploration Mission 3 (EM-3), pourrait enfin être un vol opérationnel: envoyer des astronautes pour un rendez-vous vers un morceau d’astéroïde proche de la Terre qu'une sonde automatique aura préalablement circularisé en orbite lunaire (2025). Par contre, un retard sur EM-2 n’aura pas nécessairement d’incidence sur EM-1 ni EM-3, ont ajouté Lightfoot et Gerstenmaier, responsable de l'exploration et de l'exploitation humaine à la NASA.
Lockheed Martin est actuellement sous contrat pour livrer trois capsules Orion complètes dont EFT-1 en 2014, EM-1 et EM-2. Avec la NASA, ils ont l'intention de récupérer l’essentiel de l’avionique de la capsule Orion EM-1 afin de la réutiliser sur EM-2 mais les examinateurs chargés de mesurer les progrès du programme Orion ont émis des préoccupations sur le fait de réutiliser du matériel sur plusieurs vols, sur les développements des logiciels et les tests structurels… à suivre donc.
Soudage en cours d'Orion EM-1.
L’ESA et Airbus Défense&Space travaillent en parallèle sur le module de service dérivé de l'Automated Transfer Vehicle (ATV). Selon Bill Hill, vice-administrateur associé de la NASA pour les systèmes d'exploration, ce programme est au sommet de la liste des menaces qui pourraient aussi retarder le vol d'essai EM-1 en 2018…
« Nous nous appuieront sur EM-1 pour vérifier le module de service afin de nous assurer de son bon fonctionnement lors du voyage au-delà de la Lune et du retour sur Terre » a expliqué Gerstenmaier. « Nous allons nous assurer que le travail sur les systèmes de communication, de logiciels et de navigation fonctionnent correctement. Comment l'équipage interagira avec le véhicule? Quels ressentis sur les affichages et les commandes ? Comment se comporteront-ils durant la rentrée? »
EM-2 introduit également de nouveaux systèmes de soutien-vie comme l'approvisionnement en oxygène, les appareils servant à régénérer l'atmosphère ainsi que les contrôles de température et d'humidité.
Il est donc peu probable que l'équipage d'EM-2 ait rendez-vous avec un astéroïde dans le cadre de la mission de récupération. Cette mission, si elle est approuvée par le Congrès, viendra plus tard…
Gerstenmaier a aussi déclaré que la NASA envisage de lancer une mission SLS / Orion une fois par an après EM-2, en supposant que le budget le permette. Missions qui, plus tard dans une région autour de la lune surnommé «espace cis-lunaire », pourront tester des techniques de rendez-vous, de sorties dans l'espace, d’accueil d'astéroïde et d’habitats dans l'espace pour les futures technologies requises pour des missions sur Mars.
« Il est important de noter que nous sommes sur la construction d'un grand programme » a ajouté Lightfoot. « Nous construisons un programme d'exploration humain multi-décennale et tandis que les lancements individuels d’EM-1 et EM-2 sont très importants, ils seront d'excellents indicateurs de nos progrès et ce que nous faisons. Nous devons équilibrer ces missions individuelles avec le contexte global de l'exploration spatiale que nous voulons accomplir ».
Début d'assemblage d'Orion EM-1
Orion EM-1 est maintenant en cours de soudage au Michoud Assembly Facility (MAF) à la Nouvelle Orléans en vue de son vol inaugural de 2018 au somment du SLS. Orion est également en train de terminer sa « paperasserie » très importante concernant le processus de « revue critique de conception » (CDR), en avance sur la date butoir d’octobre.
La construction d’Orion EM-1 - chargé d'une mission non habitée 70.000 kilomètres au-delà de la Lune - a progressé à travers tout le pays afin de préparer l'engin spatial. (Metalex, Ingersoll Machine Tools à Rockford - Illinois, Janicki Industries à Sedro-Woolley – Washington, Votaw Tool Company à Springfield – Missouri...)
Un communiqué nous apprenait mardi que deux sections de la structure primaire de l'engin spatial avaient été soudées ensemble le 5 septembre. Par contre, aucune raison n’a été fournie pour le retard du 1er mai…
La structure primaire du module d'équipage d'Orion est faite de sept grandes pièces en aluminium qui doivent être soudées ensemble de manière précise. La première soudure relie le tunnel à la cloison avant (forward bulkhead) en haut de l'engin spatial et qui contient de nombreux systèmes critiques comme les parachutes qui se déploient lors de la rentrée.
Le tunnel muni d’une trappe d'accueil permettra aux astronautes de se déplacer entre le module d'équipage et d'autres engins spatiaux.
« Chacun des systèmes et sous-systèmes d'Orion est assemblé ou intégré sur la structure primaire, alors commencer à souder les éléments sous-jacents est une première étape critique de la fabrication » a noté Mark Geyer, directeur du programme Orion. « L'équipe a fait un travail extraordinaire pour arriver à ce point et à nous assurer un bloc de construction solide pour le reste des systèmes. » Les jalons pour l'EM-1 reflètent la voie prise par le premier Orion EFT-1. Cependant, EM-1 arborera un certain nombre d'améliorations basées sur les expériences du vol-test de 2014.
Comme EFT-1, EM-1 est soudé en utilisant un nouveau procédé de soudage par friction-malaxage innovant, développé spécialement pour la construction d'Orion ainsi d’ailleurs que pour la construction des réservoirs externes du SLS.
Le soudage par friction crée une liaison étanche sans soudure qui s’avère plus résistante et d'une qualité supérieure qu'un soudage conventionnel.
Les ingénieurs ont entrepris un processus méticuleux de préparation pour la soudure. Ils ont nettoyé les segments, les ont enduits et apprêtés d'un produit chimique de protection. Ils ont ensuite équipé chaque élément de jauges de contrainte pour surveiller le métal pendant le processus de fabrication.
Ci-dessous, une vidéo de démonstration de soudage par friction.
« Chaque jour, les équipes à travers le pays se donnent corps et âme pour l'Exploration Mission-1, lorsque nous ferons voler ensemble Orion et le SLS loin de la sécurité de la Terre » a ajouté Bill Hill, administrateur associé adjoint pour le développement des systèmes d'exploration au siège de la NASA.
