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Starship HLS

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Starship HLS
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste du Starship HLS à la surface de la Lune.
Fiche d'identité
OrganisationNASA
ConstructeurSpaceX
Type de vaisseauVéhicule spatialhabité
Véhicule spatialcargo
Atterrisseurlunaire
LanceurStarship
Base de lancementSpaceX Starbase
Cap Canaveral
Kennedy Space Center
Nombre de vols0
StatutEn développement
Caractéristiques
Hauteur50 mètres
Diamètre9 mètres
ErgolsMéthane liquide
Oxygène liquide
Propulsion6 xRaptor
Source énergiePanneaux solaires
AtterrissageAutomatique
Performances
DestinationSurface lunaire
Équipage2 à 4 astronautes
Fret total> 100 tonnes
Type d'écoutilleNASA Docking System

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Starship HLS (enanglais :Human Landing System, litt. « Système d'atterrissage humain ») est unatterrisseurlunaire développé et opéré par la sociétéSpaceX pour leprogrammeArtemis de laNASA, dérivé du deuxième étageréutilisable dulanceurStarship. Élément crucial du programme, il doit emmener jusqu'à quatre astronautes sur la Lune puis les ramener enorbite lunaire, où le véhiculeOrion se charge de l'aller-retour avec la Terre, tandis qu'une version cargo doit être capable de déposer plus de100 tonnes.

En 2017, l'administration Trump décide de refaire de l'exploration de la Lune l'objectif de la NASA, puis en 2019 accélère le projet, donnant naissance au programmeArtemis. Sous l'impulsion de son fondateurElon Musk, SpaceX développe indépendamment lelanceur super lourd et entièrement réutilisableStarship depuis 2018 pour une grande variété d'usages, dont sesprojets martiens. En 2021, la NASA le sélectionne comme atterrisseur habité, puis en 2023 attribue un second contrat auBlue Moon deBlue Origin. Il doit emmener le premier équipage américain sur la Lune depuis lemodule lunaire (LM) duprogrammeApollo, lors de la missionArtemis III en 2027, puis lors de la missionArtemis IV en 2028, et enfin transporter le rover pressuriséLunar Cruiser en 2032.

D'une hauteur de 50 mètres pour un diamètre de 9 mètres, le Starship HLS utilise pour sa propulsion duméthane et de l'oxygène alimentant plusieurs moteurs-fuséesRaptor, mais l'essentiel de ses caractéristiques techniques ne sont pas connues. Lors du lancement, Starship HLS consomme ses propresergols pour se placer enorbite basse terrestre, après quoi il se ravitaille auprès d'un autre Starship servant de dépôt et ayant lui-même été plusieurs fois ravitaillé par d'autres Starship. Le Starship HLS atteint ensuite l'orbite NRHO de laLunar Gateway autour de la Lune, d'où l'équipage monte à bord et fait l'aller-retour vers la surface lunaire.

La sélection du Starship HLS par la NASA fait l'objet de critiques qui lui reprochent sa complexité comme son besoin de mise au point du transfert et de la conservation de longue durée d'ergolscryogéniques dans l'espace, deuxtechnologies immatures. Ses retards mettent en doute la capacité des États-Unis à retourner sur la Lune avant la Chine, qui vise un objectif similaire.

Historique

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Contexte : le programme Artemis

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En avril 2017, la NASA décide de développer une station spatiale placée en orbite lunaire (Lunar Orbital Platform-Gateway) qui doit à la fois entrainer des hommes et tester des équipements pour des missions de longue durée dans l'espace interplanétaire et servir de point d'appui pour l'envoi d'équipages à la surface de la Lune et ainsi contribuer à la préparation de futuresmissions à destination de Mars. En avril 2019, leprésident américainDonald Trump décide d'accélérer ce programme au planning relativement détendu en demandant à l'agence spatiale américaine, la NASA, de faire en sorte que des astronautes puissent réaliser leur première mission à la surface de la Lune en 2024.

Pour répondre à la demande du président américain, la NASA met sur pied leprogramme Artemis. Celui-ci comprend le développement de plusieursengins spatiaux : la station spatiale lunaireLunar Orbital Platform-Gateway, lelanceur lourdSpace Launch System (SLS), levaisseau spatialOrion, dont la réalisation a débuté dans les années 2010, des missions robotiques, chargées de réaliser des reconnaissances et des études scientifiques complémentaires et enfin un vaisseau lunaire entièrement nouveau, le HLS (Human Landing System), chargé de transporter les hommes à la surface de la Lune, servir de base une fois au sol puis de ramener l'équipage en orbite lunaire.

Vaisseau lunaire : le cahier des charges de la NASA

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Le vaisseau lunaire HLS (Human Landing System) doit déposer deux astronautes sur le sol lunaire. À la surface, il sert d'habitat durant la mission d'une durée initiale d'environ une semaine puis il ramène l'équipage à la station spatiale. Pour remplir ces objectifs, la NASA préconise une architecture comprenant trois modules qui permet de limiter la masse de chaque module à moins de 15 tonnes, ce qui la rend compatible avec le positionnement autour de la Lune par des véhicules commerciaux (la version à deux modules similaire au module Apollo aurait une masse de 9 à 12 t (module de remontée) + 32-38 t. (module de descente))[1],[2] :

La NASA a défini uncahier des charges précisant les principales caractéristiques du vaisseau HLS. Pour permettre le respect d'un calendrier serré, la NASA est moins exigeante pour les premiers vols. Pour ceux-ci, l'agence spatiale demande un vaisseau non réutilisable capable de transporter deux astronautes pour des missions dont la durée de séjour sur la Lune n'excède pas une journée lunaire (14 jours). La version qui devra pouvoir être utilisée à partir de 2026 pourra transporter trois à quatre astronautes et pouvoir survivre à une nuit lunaire[3][réf. incomplète].

Principales caractéristiques du vaisseau lunaire HLS spécifiées dans le cahier des charges de la NASA[3]
CaractéristiqueExigences pour la mission de 2024Exigences pour les missions postérieures à 2026
Équipage2 personnes3 à 4 personnes
Capacité de manœuvrePermet d'effectuer un aller-retour entre l'orbite lunaire et un site situé entre les latitudes 84 et 90° sud
Capacité à interrompre la mission
Atterrissage automatique à la surface de la Lune
Rendez-vous et amarrage automatique à la station spatiale et au vaisseau Orion
Fiabilité97,5 % avec au minimum deux sorties extravéhiculaires (non réutilisable)98 % par mission, 87 % sur une période de 10 ans (>= 5 missions)
Précision à l'atterrissage100 m
Site d'atterrissageÉclairé en permanence> 50 heures de nuit continue (objectif 191 heures)
Durée du séjourDans le module : huit jours terrestres
À la surface de la Lune : 6,5 jours
Sorties extravéhiculairesdurée > 4 h.
Nombre > 2
durée > 8 h.
Nombre = 5
Charge utile déposée à la surface de la Lune> 865 kg dont
Combinaison xEMU 373 
kg
Nourriture 59 
kg
Équipage 175 
kg
> 1 595 kg
Autre charge utile à l'atterrissageAu minimum 80 kg d'instrumentation
dont 10-20 
kg pour les caméras et instruments dans l'habitacle
voir supra
Charge utile au décollage> 525 kg dont
Combinaison xEMU 167 
kg
Nourriture 18 
kg
Équipage 175 
kg
> 1 070 kg
Autre charge utile au décollageau minimum 15 kg (cible 100 kg)voirsupra

Sélection du Starship HLS

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Pour respecter les échéances serrées qui lui ont été imposées, la NASA décide de sous-traiter entièrement la conception et le développement du vaisseau lunaire en fournissant uniquement un cahier des charges répertoriant les besoins à satisfaire. Mi-mai 2019, les propositions de onze industriels sont pré-sélectionnées pour développer un module lunaire ou une partie de module lunaire :Aerojet Rocketdyne,Blue Origin,Boeing,Dynetics,Lockheed Martin,Masten,Maxar (qui fournit le module de propulsion de la Gateway),Northrop Grumman,OrbitBeyond (en),Sierra Nevada etSpaceX. Blue Origin, avec sonBlue Moon, et Lockheed Martin, avec un atterrisseur dérivé du vaisseau Orion font figure de favoris[4].

Le processus de sélection est effectué en deux temps. Le, l'administrateur de la NASAJim Bridenstine annonce que trois candidats ont été retenus pour détailler leur offre : Blue Origin qui reçoit 579 millions US$ pour détailler son offre, Dynetics qui reçoit 253 millions US$ et SpaceX qui reçoit 135 millions US$. Le finaliste doit être annoncé en février 2021. Les trois engins pré-sélectionnés fin avril sont[5],[6],[7] :

  • La proposition de Blue Origin est la plus classique. Elle s'inspire du module lunaire Blue Moon et reprend l'architecture à deux étages du module lunaire Apollo. Les deux étages sont propulsés par un moteur BE-7 du constructeur. Un troisième module de transfert est chargé d'abaisser l'orbite du vaisseau lunaire de l'orbite NRHO (sur laquelle se trouve la station spatiale lunaire et le vaisseau Orion) vers l'orbite lunaire basse. Cette version du HLS doit être placée en orbite par le lanceur lourdNew Glenn de Blue Origin ou à défaut par le lanceurVulcan.
  • Dynetics propose un engin comprenant deux modules dont le module de transfert et le module lunaire proprement dit combinant le rôle de l'étage de descente et de l'étage de remontée. Le DHLS comporte deux réservoirs largables, ce qui simplifie la conception. Les réservoirs sont placés de part et d'autre de la cabine pressurisée, ce qui permet de réduire la hauteur au-dessus du sol. Les sociétés Sierra Nevada et Thales Alenia Space participent en tant que sous-traitants.
  • SpaceX propose un vaisseau lunaire mono-module (pas d'étage de descente et de remontée séparés) dérivée de son vaisseauStarship. Celui-ci doit être placé sur une orbite terrestre par un étage Starship Super Heavy sur une orbite basse puis ravitaillé sur cette orbite par plusieurs vaisseaux Starship avant de gagner sans équipage laLunar Gateway en orbite lunaire, où le vaisseau récupère l'équipage. Le vaisseau Starship lunaire se pose sur la Lune puis redécolle également par ses propres moyens. Le vaisseau se distingue des deux autres par le fait qu'il remplit immédiatement les exigences de réutilisabilité prévue par la NASA dans le cadre de la deuxième phase du programmeArtemis. Mais cela s'accompagne d'une grande complexité[8].

Le, la NASA sélectionne la proposition de SpaceX pour le développement et le lancement des deux premières missions. L'évaluation de la NASA a porté sur trois critères : dans l'ordre d'importance décroissante, les aspects techniques (conception, développement, risques, tests, opérations de lancement et déroulement de la mission...), le coût et la gestion du projet (organisation, gestion du planning, risques...). Sur le plan technique, les solutions de SpaceX et Blue Origin sont considérées comme acceptables (niveau moyen 3/5 dans l'échelle de la NASA qui comporte cinq niveaux) tandis que celle de Dynetics est considérée comme peu pertinente (2/5). Le coût de la proposition de SpaceX (2,89 milliards US$) est beaucoup moins élevée que celui de ses concurrents (deux fois moins que celle deBlue Origin et quatre fois moins que celle de Dynetics. En matière de gestion de projet, la proposition de SpaceX est évaluée comme remarquable (5/5) alors que celle de ses deux concurrents est considérée comme très bonne (4/5). Il était initialement envisagé de sélectionner une deuxième proposition à ce stade du développement mais la proposition de Blue Origin, évaluée comme recevable sur le plan technique et de la gestion de projet, n'a pas été retenue compte tenu de son coût et du budget limité dont dispose la NASA pour ce volet du programmeArtemis[9],[8],[10].

Contestation de la sélection de SpaceX par Blue Origin

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À la suite de la sélection de la proposition de SpaceX, Blue Origin émet une protestation officielle contre la décision de la NASA. Les arguments avancés par Jeff Bezos, le patron de Blue Origin, sont que contrairement à ce qui était indiqué dans l'appel d'offres, la NASA n'a retenu qu'un seul constructeur au lieu de deux. Par ailleurs, il conteste la pertinence du choix technique de la proposition de SpaceX. Il souligne que le lancement du HLS de SpaceX vers la Lune nécessite le lancement à une cadence très élevée (tous les 12 jours) de 16 cargos transportant des ergols cryogéniques, puis le transfert de ces ergols dans le vaisseau HLS, une opération jamais testée et qui ne sera testée pour la première fois qu'en 2023. Il souligne la complexité de la mise au point du lanceur géant de SpaceX avec ses 32 moteurs-fusées propulsant le premier étage et sa masse de 1000 à 2000 tonnes supérieures à celle de la fuséeSaturn V. Il met également en avant le fait que le vaisseau qui atterrira sur la Lune n'est qu'un deuxième étage de lanceur adapté qui imposera aux astronautes de descendre d'une hauteur de 38 mètres sur le sol lunaire. Jeff Bezos propose en juillet de réduire de deux milliards US$, soit de un tiers, le coût de sa proposition. Blue Origin est débouté successivement par leGAO (la cour des comptes américaine) le 30 août puis par le tribunal fédéral (4 novembre) devant lequel il a porté l'affaire après ce premier échec. Son action bloque les travaux de SpaceX jusqu'à la décision du GAO[11],[12],[13].

Un deuxième fournisseur pour le vaisseau lunaire

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La NASA décide en mars 2022 de revenir sur sa décision de ne sélectionner qu'un seul fournisseur pour le vaisseau lunaire. L'agence spatiale américaine prévoit de lancer unappel d'offres au cours de l'année qui doit permettre de choisir un deuxième constructeur. Ce vaisseau lunaire sera utilisé pour la mission Artemis V dont la date de lancement est programmé en août 2028[14],[15].

Un deuxième vol du Starship HLS financé (novembre 2022)

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En novembre 2022, la NASA annonce qu'elle a sélectionné le Starship HLS deSpaceX pour la deuxième mission qui doit se poser à la surface de la Lune (Artemis IV). Cette version du vaisseau HLS devra satisfaire aux exigences de l'option B du cahier des charges contrairement au vaisseau HLS utilisé par Artemis III qui ne doit satisfaire qu'à l'option A. Les caractéristiques supplémentaires attendues sont la capacité à s'amarrer à la stationLunar Gateway, emport de quatre astronautes au lieu de trois, charge utile déposée à la surface de la Lune accrue. Pour ce nouveau développement, la NASA versera 1,15 milliard US qui viendront s'ajouter aux 2,9 milliards US$ du contrat initial du HLS[16].

Développement

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Le premier débarquement sur la Lune Artemis III repoussé ? (fin 2023)

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Fin novembre 2023, laCour des Comptes américaine (GAO) produit un rapport sur l'avancement du programme Artemis qui souligne le retard pris par deux des composants majeurs : le vaisseau lunaire Starship HLS deSpaceX et lacombinaison spatiale développée par la sociétéAxiom. Sur la base des métriques fournies par des projets spatiaux antérieurs, le rapport estime que le lancement d'Artemis III - première mission du programme devant déposer des hommes sur la Lune - qui est programmé en 2025, ne pourra pas avoir lieu avant 2027. Le rapport, qui ne prend pas en compte le relatif succès du deuxième vol du Starship de novembre, base son estimation sur les faits suivants[17] :

  • 8 des 13 étapes clés du développement du Starship HLS sont en retard d'au moins 6 mois et jusqu'à 13 mois.
  • Le premier vol du Starship qui a lieu en avril 2023 avec 7 mois de retard par rapport au planning a été un échec.
  • 2 de ces étapes sont désormais programmées pour 2025 alors qu'il s'agit de l'année de lancement d'Artemis III
  • Le lancement des vaisseaux ravitailleurs, la conservation des ergols dans undépôt spatial et l'opération de ravitaillement elle-même sont des aspects critiques du programme sur lesquels SpaceX a fait peu de progrès.
  • La version du moteur Raptor (V3 ?) qui aura la capacité nécessaire à la réalisation la mission lunaire est encore en phase de développement.

Caractéristiques techniques

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Début 2025, les caractéristiques précises et officielles du Starship HLS restent encore largement inconnues et celles qui sont diffusées sont en grande partie officieuses et susceptibles de changer au cours du développement du vaisseau spatial. Il est haut de50 mètres pour un diamètre de9 mètres. Il est capable de poser sur le sol lunaire une charge utile de100 tonnes et de ramener une masse identique en orbite lunaire. Le HLS se pose sur untrain d'atterrissage qui est déployé dans l'espace. Les réservoirs d'ergols ainsi que les moteurs principaux sont situés dans la partie inférieure, tandis que la zone pressurisée où se tient l'équipage est située dans la partie supérieure. Le volume pressurisé est sans doute énorme (604 m3 selon certaines spéculations) et les astronautes disposent d'une dizaine de hublots. Cinq panneaux solaires déployables sont fixés sous la zone habitable. Deux sas (volume unitaire de 19,4 m3) donnent accès à un ascenseur extérieur, qui permet aux astronautes de descendre à la surface de la Lune. Unport d'amarrage androgyne situé à l'extrémité supérieure du vaisseau et recouvert par une coupole amovible permet à l'équipage de rejoindre le vaisseauOrion, qui fera la navette entre la Terre et la Lune[18].

La propulsion principale est constituée par des moteursRaptor optimisés pour fonctionner dans le vide, qui sont montés à l'extrémité inférieure de l'étage. Ils sont utilisés pour le transit entre la Terre et la Lune, l'injection enorbite lunaire, la descente vers le sol lunaire et la remontée en orbite. Pour la descente vers la surface, seuls deux de ces moteurs sont utilisés. Arrivés à faible distance du sol, ils sont éteints et des moteurs de poussée moindre placés entre la partie habitable de l'étage et ses réservoirs prennent le relais. L'objectif est de limiter les jets de poussière et de roches soulevés par le souffle des moteurs, qui pourraient endommager le vaisseau spatial et réduire la visibilité, rendant inopérant le système de navigation qui est chargé de poser l'étage sur un site convenable. Ces moteurs-fusées de faible poussée sont au nombre de 18, regroupés par grappe de trois (une tuyère pointant vers le bas et deux tuyères légèrement orientées sur le coté) et répartis sur le pourtour de l'étage. Étant donné que le Starship HLS ne revient pas sur Terre comme les autres versions du vaisseau spatial Starship, il est dépourvu debouclier thermique et d'ailerons utilisés sur les autres versions du Starship prévues pour la rentrée dans l'atmosphère terrestre[18].

Déroulement d'une mission type

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Les principales phases de la missionArtemis III, telles qu'elles résultent de la sélection du vaisseau de SpaceX, qui nécessite de multiples lancements pour ravitailler en orbite les réservoirs d'ergols de l'atterrisseur lunaire.

Les principales étapes d'une mission sont les suivantes :

Notes et références

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  1. (en) Casey Dreier, « T-minus Five Years and Counting », surThe Planetary Society,(consulté le).
  2. (en) Eric Berger, « As NASA tries to land on the Moon, it has plenty of rockets to choose from », surarstechnica.com,.
  3. a etbHuman Landing System (HLS) Requirements document,p. 28-41.
  4. Killian Temporel, « Lune 2024ː Artemis navigue entre politique et budget »,Espace & Exploration n°52,‎,p. 74-77.
  5. (en) « NASA Selects Blue Origin, Dynetics, SpaceX for Artemis Human Landers », surNASA,.
  6. (es) Daniel Marin, « Las empresas finalistas para construir el módulo lunar del programa Artemisa de la NASA », surEureka,.
  7. (en) « Source Selection Statement - NextSTEP-2 Appendix H: Human Landing System Broad Agency Announcement NNH19ZCQ001K_APPENDIX-H-HLS », surNASA, NASA,.
  8. a etb(es) Daniel Marin, « La NASA elige la Starship como el módulo lunar del programa Artemisa », surEureka,.
  9. (en) Edik Seedhouse,Source Selection Statement : Appendix H: Human Landing System, Option A Next Space Technologies for Exploration Partnerships-2 (NextSTEP-2) NNH19ZCQ001K_APPENDIX-H-HLS, NASA,, 24 p.(lire en ligne).
  10. « La Nasa choisit SpaceX pour sa prochaine mission vers la Lune »,Le Figaro,.
  11. (en) Marcia Smith, « Bezos Surprises with Offer to Pick Up $2 Billion of HLS Tab », surspacepolicyonline.com,.
  12. (en) Marcia Smith, « Blue Origin Sues NASA Over HLS Award », surspacepolicyonline.com,.
  13. (en) Marcia Smith, « Blue Origin Loses HLS Court Case », surspacepolicyonline.com,.
  14. (es) Daniel Marin, « Programa Artemisa de la NASA: un segundo alunizaje en 2027 y la base lunar de 2031 », surEureka,.
  15. (en) « NASA Provides Update to Astronaut Moon Lander Plans Under Artemis », surNASA,.
  16. (en) « NASA Awards SpaceX Second Contract Option for Artemis Moon Landing », NASA,.
  17. (en)Government Accountability Office, « NASA Artemis programs - Crewed Moon Landing Faces Multiple Challenges »,.
  18. a etb(es) Daniel Marin, « El último diseño del módulo lunar HLS de SpaceX », surEureka,.
  19. (en) Jeff Foust, « Artemis missions face sample return crunch », surSpaceNews,.

Bibliographie

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Voir aussi

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Articles connexes

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v ·m
Missions
Habitées
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Atterrisseurs robotiques
Équipements au sol
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Installations lancement
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