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Les particularités de l'espace déterminent la conception des véhicules spatiaux : la nécessité de sortir dupuits gravitationnel terrestre qui limite la masse emportée, l'absence d'atmosphère, la nécessité d'une autonomie complète dans tous les domaines (énergie, propulsion, atmosphère et ravitaillement pour les engins emportant des équipages), lescontraintes thermiques, les importantes distances à parcourir éventuellement, le bombardement par desparticules énergétiques.
Le terme « vaisseau spatial » est souvent utilisé dans la littérature pour désigner un véhicule spatial.
Pour répondre aux différents besoins des lanceurs de toute taille ont été construits depuis le lanceurSS-520 de2,6 tonnes capable de placer 4 kg en orbite basse jusqu'à la fuséeSaturn V de 3 000 tonnes pouvant placer130 tonnes sur la même orbite.
Traditionnellement, les véhicules spatiaux ne sont utilisés qu'une seule fois. Les étages des lanceurs sont détruits en revenant au sol ou restent en orbite tandis que les vaisseaux avec équipage sont fortement dégradés au moment de leur rentrée atmosphérique et de leur atterrissage. Le coût de leur remise en état était supérieur à celui de la construction d'un nouveau véhicule.
À la fin des années 1960, laNASA tente d'abaisser les coûts de mise en orbite par l'utilisation d'engins spatiaux réutilisables. Lanavette spatiale américaine est initialement développée dans cette optique. Mais face au coût croissant d'un tel engin, l'agence spatiale américaine doit se contenter d'une réutilisation limitée à l'orbiteur et aux propulseurs d'appoint. La navette spatiale est lancée le. Six navettes spatiales ont été construites dont cinq ont volé dans l'espace. La navetteEnterprise a été employée seulement pour des essais d'approche et d'atterrissage, lancée du dos d'unBoeing 747 et atterrissant dans l'Edwards Air Force Base enCalifornie. La premièrenavette spatiale à voler dans l'espace étaitColumbia, suivie parChallenger,Discovery,Atlantis, etEndeavour.Endeavour a été construite afin de remplacerChallenger quand elle a été perdue en. Columbia a explosée lors de son entrée dans l'atmosphère en 2003.
La navette spatiale soviétiqueBourane (« tempête de neige »), lancée par l'URSS le, est également un véhicule réutilisable. Sa ressemblance avec la navette spatialeaméricaine (due uniquement à des impératifs aérodynamiques), n'était qu'apparente, puisque ses propulseurs d’appoint utilisaient des ergols liquides, et que la navette elle-même n'était que la charge utile de la fusée Energia (les moteurs principaux ont été placés à la base de ce qui serait le réservoir externe de la navette américaine). Le manque de financement, aggravé par ladissolution de l'URSS, a empêché tout autre vol de Bourane.
À la suite du retrait de lanavette spatiale américaine, l'agence spatiale américaine lance le développement d'une nouvelle génération de véhicules spatiaux avec équipage pour la desserte de la station spatiale internationale. Parmi les candidats, la navetteDream Chaser et le vaisseau spatial habitéCrew Dragon sont des véhicules réutilisables.
Un satellite d'application est unsatellite artificiel placé en orbite autour de la Terre et qui apporte une contribution pratique au fonctionnement de la société dans des domaines comme lamétéorologie, lestélécommunications, lanavigation, lagestion des ressources naturelles, lasécurité maritime, la prévention et le suivi des risques naturels. Depuis l'apparition des satellites à la fin des années 1950, les domaines d'application tendent à se multiplier et à se banaliser en influençant en profondeur la société et en donnant naissance à un nouveau secteur commercial. Le développement des satellites reste néanmoins concentré entre les mains de quelques puissances spatiales. Les satellites d'applications constituent le plus gros du volume des véhicules spatiaux.
Exemples de satellites d'application :Météosat,Spot 1.
Un satellite scientifique est un véhicule spatial qui a pour objectif de remplir des objectifs scientifiques. Il regroupe des engins aux caractéristiques très différentes qui partagent toutefois une caractéristique commune à savoir l'emport d'instruments collectant des données à usage scientifiques :
des satellites artificiels placés en orbite autour de la Terre ;
lestélescopes spatiaux qui généralement comportent une optique représentant une partie importante de leur masse. Exemples :Hubble,Gaia ;
Unestation spatiale est un véhicule spatial placé en orbite capable d'héberger un équipage pendant une période prolongée. Une de ses caractéristiques les plus importantes est la présence d'un ou plusieurs ports d'amarrage permettant le renouvellement des équipages et le ravitaillement par des d'autres véhicules spatiaux. Il ne dispose généralement que de moyens de propulsion réduits et n'est pas capable de revenir sur Terre. Lorsqu'elle est de grande taille la station spatiale résulte de l'assemblage de plusieurs modules lancés séparément. Les seules des stations spatiales construites jusqu'ici ont été placées enorbite terrestre basse.
Unecapsule spatiale est un véhicule spatial conçu pour permettre à un équipage de séjourner dans l'espace et qui permet de ramener celui-ci sur Terre. Il se distingue notamment par l'existence d'un habitacle pressurisé dans lequel l'équipage peut survivre comportant unsystème de support de vie. L'équipage dispose d'équipements lui permettant de contrôler et d'intervenir sur le fonctionnement du véhicule. Plusieurs dispositifs (bouclier thermique, parachutes, rétrofusées, système de flottaison...) permettent à la capsule spatiale de revenir sur Terre.
Unenavette spatiale est un véhicule spatial pouvant revenir sur Terre en effectuant un atterrissage contrôlé à la manière d'un avion ou d'un planeur et pouvant être réutilisé pour une mission ultérieure. Ce concept s'oppose à celui des capsules spatiales, tels queSoyouz,Shenzhou ouApollo effectuant une rentrée quasi balistique et atterrissant grâce à des parachutes et des rétrofusées.
Uncargo spatial est un type de véhicule spatial dépourvu d'équipage qui permet de transporter du fret à destination par exemple d'unestation spatiale en orbite. Les vaisseaux cargo développés jusqu'à présent ont été utilisés pour transporter des consommables, des pièces détachées jusqu'à une station spatiale, rehausser l'orbite d'une station spatiale et ramener du fret sur Terre.
Un véhicule spatial comporte divers sous-ensembles, dépendants du profil de la mission. Les sous-ensembles des véhicules spatiaux peuvent inclure : la commande et la détermination d'attitude (différemment appelées ADAC, CDA ou l'ACS), guidage, navigation, et commande (GNC ou GN&C), communications (COMS), traitement de commande et de données (CDH ou C&DH), puissance (EPS), commande thermique (CT),propulsion, structures, etcharge utile. Les véhicules spatiaux peuvent être équipés pour subvenir aux besoins d'unéquipage.
Le véhicule spatial peut ou non comprendre un sous-ensemble de propulsion, selon que le profil de la mission nécessite, ou non, un besoin depropulsion. Le véhicule spatialSwift est un exemple de vaisseau spatial qui n'a pas de sous-ensemble de propulsion. En général, les véhicules spatiaux en orbite basse (LEO, par exemple le satelliteTerra :EOS AM-1), comprennent un sous-ensemble de propulsion pour des ajustements d'altitude (appelées enanglais :drag make-up maneuvers , soit « Manœuvre de constitution de résistance ») et des manœuvres d'ajustement d'inclinaison. Un système de propulsion est nécessaire également pour le véhicule spatial qui exécute des manœuvres de gestion à l'élan. Les composants d'un sous-ensemble conventionnel de propulsion incluent le carburant, le tankage, les valves, les conduits, et les éjecteurs. Le contrôle thermique (voir ci-dessus) se connecte par interface au sous-ensemble de propulsion en surveillant la température de ces composants, et par préchauffage des réservoirs et deséjecteurs en vue d'une manœuvre du véhicule spatial.
Le véhicule spatial requiert un sous-ensemble de production et de distribution du courant électrique permettant d'alimenter les divers sous-ensembles du véhicule spatial. Pour le véhicule spatial proche du Soleil, despanneaux solaires photovoltaïques sont fréquemment employés pour une alimentation électrique. Le vaisseau spatial conçu pour fonctionner dans des endroits plus éloignés, commeJupiter, pourrait utiliser un générateurthermoélectrique de radio-isotopeRTG afin de produire de l'électricité. L'énergie électrique est envoyée dans une unité de contrôle avant d'être redistribuée, grâce à une unité de redistribution, par un bus électrique vers les autres composants du véhicule spatial. Des batteries sont normalement reliées au bus par l'intermédiaire d'un régulateur de charge debatterie, et sont utilisées pour fournir lecourant électrique pendant des périodes où la puissance primaire n'est pas disponible, par exemple pour un véhicule spatial à basse orbite (LEO -Low Earth Orbit) est éclipsé par la Terre.
Le véhicule spatial doit être construit pour pouvoir résister au passage dans l'atmosphère et à l'environnement spatial. Il doit fonctionner sous vide avec des températures s'étendant sur une large gamme (des centaines de degrés Celsius, positifs et négatifs). Selon le profil de mission, le vaisseau spatial peut également opérer à la surface d'un autre corps planétaire. Le sous-ensemble thermique de commande peut être passif, dépendant du choix des matériaux avec des propriétés rayonnantes spécifiques. La commande thermique active se sert de réchauffeurs électriques et de certainsdéclencheurs tels que des auvents pour commander des températures ambiantes spécifiques aux limites des équipements.
Un véhicule spatial requiert un sous-ensemble de commande d'attitude pour qu'il puisse être correctement orienté dans l'espace et répondre aux torsions et aux forces externes correctement. Le sous-ensemble de commande d'attitude se compose desondes et dedéclencheurs, ainsi que d'algorithmes de contrôle. Le sous-ensemble de commande d'attitude permet le pointage approprié dans l'intérêt de la mission (mesure scientifique ou intervention extérieure), vers leSoleil pour capter l'énergie ou pour présenter une face donnée (navette spatiale), vers laTerre ou unsatellite pour les communications.
Le « guidage » se rapporte aux calculs des commandes (habituellement faits par le sous-ensemble CDH) nécessaires à l'orientation du véhicule spatial pour être à l'emplacement désiré. La « navigation » réside en la détermination deséléments orbitaux du véhicule spatial ou sa position. Le « contrôle » est l'ajustement du chemin du vaisseau spatial pour que s'allient les conditions de la mission. Sur quelques missions, les commandes de GNC et d'attitude sont combinées dans un sous-ensemble du vaisseau spatial.
Le sous-ensemble de traitement de commande et de données (enanglais :Command and Data Handling, CDH) reçoit des commandes du sous-ensemble decommunications, exécute la validation et le décodage des commandes, et distribue les commandes aux sous-ensembles et aux composants appropriés du véhicule spatial. Le CDH reçoit également des données de ménage et des données scientifiques d'autres sous-ensembles et composants du véhicule spatial, et assemble les données pour le stockage sur un enregistreur àsemi-conducteurs ou pour la transmission vers la terre par l'intermédiaire du sous-ensemble de communications. L'autre fonction du CDH inclut de maintenir une surveillance sur l'horloge et le bon état du véhicule spatial.
Le vaisseau spatial doit être construit pour résister à des charges de lancement données par le véhicule de lancement, et doit avoir un point d'attachement pour tous autres sous-ensembles. En fonction du profil de mission, le sous-ensemble structurel pourrait devoir résister à des charges données par l'entrée dans l'atmosphère d'un autre corps planétaire, et du débarquement sur la surface d'un autre corps planétaire.
La charge utile dépend de la mission du véhicule spatial, et est typiquement considérée comme pièce du véhicule spatial « qui paye les factures ». Les charges utiles typiques pourraient inclure les instruments scientifiques (appareils photo, télescopes, ou détecteurs de particules, par exemple), cargaison, ou un humain servant d'équipage.
Le système au sol, qui ne fait pas vraiment partie du véhicule, est essentiel au fonctionnement du véhicule spatial. Les composants habituels d'un système au sol pendant des opérations comprennent : une équipe opérationnelle qui permet la direction des opérations du véhicule spatial, un stockage et un traitement des données, des stations terrestres qui permettent l'envoi et la réception de signaux du véhicule spatial, et enfin, un réseau de communication voix et données pour rendre compte des éléments de la mission.
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