ORION MPCV & SLS


LE LANCEUR SLS, Block 1

Le SLS, pour Space Launch System est développé par la NASA depuis 2011. Les caractéristiques techniques du lanceur sont très proches de celles de l'Ares 5 abandonné après l'arrêt du programme Constellation. Comme celui-ci, plusieurs de ses composants clés sont dérivés de ceux du Space Shuttle : les propulseurs d'appoint, la structure du premier étage et les moteurs RS 25 qui l'équipent. Le SLS doit réaliser des vols habités vers des astéroïdes, la Lune, les point de Lagrange et à terme de lancer les missions vers la planète Mars envisagées à l'horizon 2035 avec la version Block 2. Trois versions doivent être développées avec une capacité de mise en orbite basse s'échelonnant entre 70 tonnes et 130 tonnes. 4 versions du lanceur ont été envisagées initialement, mais la version Block 0 a été finalement annulé. Les Block I, Block IB et Block II utilisent un premier étage identique, le Core Stage, dérivé du réservoir externe du STS propulsé par 4 moteurs RS-25D/E, dérivés des SSME du STS. Un 5eme moteur avait été initialement retenu pour le Block II mais cette solution n'a pas été retenue, le surcroît de puissance sera obtenu par des boosters à ergols liquides.

BLOCK 1

La version Block 1 du lanceur, d'une masse de 2608 tonnes, est haute de 98 mètres, un peu moins que Saturn V, mais 5 mètres de plus que la statue de la Liberté et presque 2 fois le STS (56 m). Le diamètre du corps central "core" est de 8,4 mètres. Il alimente 4 moteurs RD 25, ex SSME avec accolés deux propulseurs d'appoint à propergol solide, dérivés des SRB du STS mais avec 5 segments (poussée de 3240 tonnes, 25% de plus que les boosters du Shuttle). L'étage supérieur est dérivé de l'étage DCSS du Delta 4 d'ULA. A son sommet le vaisseau lunaire Orion et son module de service.

 L'étage "Core" est cryotechnique, utilisant le couple LH2 et LOX alimentant 4 moteurs RS-25E dérivés des moteurs SSME Block II RS25D du Shuttle. Il mesure 62,5 m de hauteur pour un diamètre de 8,4 m. Sa masse à vide est de 85 252 kg et emporte 894 200 kg d'ergols (masse maximale 979 452 kg). La poussé atteint 743 tonnes (impulsion spécifique de 363 secondes au niveau de la mer et de 452 secondes dans le vide). Il brule durant 476 secondes. Contrairement au STS, les moteurs et l'étage ne sont récupérés.

   

L'étage Core en alliage d'aluminium 2219 est composé de 10 sections principales cylindres et 4 fonds constituant les réservoirs d'hydrogène (5 cylindres et 2 fonds) et oxygène liquide (3 cylindres et 2 fonds). D'une masse de 85 tonnes à vide, il contient 2 millions de litres de LH2 et 742 000 litres de LOX. Associé à ces éléments, le bati moteur, l'inter-réservoir et la jupe avant.

Ecorché de l'étage Core; la couleur orange marron de l'étage vient de la protection thermique des réservoirs comme pour le réservoir externe du STS.

La jupe inter-réservoir qui va être assemblée avec le réservoir LOX de l'étage Core

      

Assemblage du réservoir LOX de l'étage Core avec la jupe avant et la jupe inter-réservoir

Assemblage des réservoirs LH2 et LOX de l'étage Core au MAF de la Nouvelle Orléans

   

Mise en place des 4 moteurs RS 25 à la base de l'étage Core au MAF

Le bati moteur de l'étage Core où sont montés les 4 moteurs RS 25

   

6 des 15 SSME restants du programme STS photographiés en octobre 2011 au KSC avant leur départ au centre Stenis. Les 4 premiers exemplaires des moteurs RS 25E (Expendable, éjectable) qui équipent le premier lanceur SLS, des moteurs qui ont déjà tous volé sur le STS, entre 3 et 12 fois. Chaque moteur est un Block 2 RS25, qualifié pour être utilisé à 109 et 111% de sa puissance en cas de vol avorté. Il a volé la première fois sur STS 104. Pour le SLS, il fonctionne à 109% de sa puissance, contrairement au 104% du STS et développe 228 tonnes de poussée dans le vide. La NASA a en "stock" 16 moteurs RS25D/E, issus du programme STS, moteurs qui ont en partie déjà volé dans l'espace pour 14 d'entre eux. En mai 2020, la NASA signe un chèque de 1,79 milliard de dollars supplémentaires à l’entreprise Aerojet Rocketdyne de Sacramento pour produire, tester et assurer le support de 18 autres moteurs RS-25E. Le contrat vient modifier l’accord initial  restauration des 16 moteurs RS25 du STS pour 1,16 milliards $, le contrat de novembre 2015 pour la production et la certification de 6 autres moteurs 30% plus économique pour porter la commande totale à 24 unités et la facture à 3,5 milliards de dollars. Le SLS étant équipé de quatre moteurs, l’agence spatiale américaine s’assure ainsi jusqu’à 6 lancements avec ses 24 nouveaux moteurs, en plus des 4 premiers vols du SLS. 


Les 2 faces de l'étage Core assemblé: à gauche, la face vers le Sud, les TSMU, l'axe +z et à droite, l'axe vers la tour, l'axe -Z. Le bati moteur qui reçoit dans sa partie supérieure le dôme arrière du réservoir d'hydrogène liquide et le collecteur arrière au bas du dôme, le puisard, qui a une conduite de remplissage et de vidange et quatre conduites d'alimentation LH2 qui vont de là à chaque moteur. 2 grandes conduites de 16 pouces assurent l'alimentation des moteurs en LOX et le remplissage du réservoir. Elles courent le long de l'étage de chaque coté, alors que le réservoir du STS n'en avait qu'une.

   

Le bati moteur vue selon l'axe +Z; on distingue au bas, les ombilicaux des 2 TSMU LOX et LH2, la canalisation LOX qui alimente les moteurs 1 et 4 depuis le réservoir au sommet de l'étage.

Le bati moteur vue selon l'axe -Z, avec la canalisation LOX alimentant les moteurs 2 et 3. Juste à coté, à gauche, le départ du FST qui longue tout l'étage. Le Flight Termination System est destiné à détruire le lanceur en vol en cas d'anomalie. A droite, les lignes de pressurisation Hélium pour le réservoir d'oxygène.

 

Les boosters RSRB mesure 54 m de hauteur pour un diamètre de 3,7 m. Leur masse au décollage est de 1480 tonnes dont 1295 de propergols solides. La poussée atteint 3240 tonnes, soit 754% de la poussé totale. Il fonctionne durant 131 secondes. Après largage, ils ne sont pas récupérés.

   

Ecorché des SRB à 5 segments du SLS

       

Test de mise à feu d'un SRB du SLS, le Flight Support Booster-1 (FSB-1) à Promontory, Utah, le 2 septembre 2020 en prévision du vol Artémis 3 avec un nouveau propergol. 5 autres essais ont été réalisé par Northrop Grumman auparavant, les tirs de développement et de qualification (QM 1 en mars 2015 et QM 2 en juin 2016. En juillet 2022, le tir FSB 2 valide de nouveaux matériaux de conception pour les vols Artemis 4 et 5.

   

Eléments constituants les SRB du SLS avec à gauche, segment avant droit et à droite la tuyère

Juin 21020, au Booster Fabrication Facility du KSC, la jupe arrière gauche et les cônes avant droit et gauche  des SRB du vol Artemis 1

   

 Opérations de "staking", montage des SRB dans la baie 3 du VAB en 2021

Le LVSA du premier SLS en cours de finition. Cette structure de 4500 kg est construite par Teledyne Brown. Elle sert à relier l'étage Core au vaisseau Orion, en abritant partiellement l'étage ICPS.

 

Le deuxième étage Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS), également cryotechnique, est propulsé par un moteur RL-10B2. Long de 13,7 m et d'un diamètre de 5 m, sa masse à vide est de 7300 kg et emporte 27 tonnes d'ergols. La poussée est de 11 tonnes, impulsion spécifique de 462. L'étage fonctionne durant 1130 secondes (8mn 16s).

L'étage IPCS du vol Artemis 1 à Decatur chez ULA.

L'étage ICPS propulsera la cabine Orion vers la lune. Il est dérivé de l'étage de 5 m de diamètre du lanceur Delta, le DCSS (Delta Cryogenic Second Stage) qui a 42 vols à son actif avec 100% de succès. Il est équipé d'un réservoir LH2 étiré et d'une seconde bouteille d'hydrazine pour le contrôle d'attitude. L'équipement électrique et les interfaces mécaniques ont été adaptés au SLS. La poussée de son moteur RL 10 est de 110 tonnes pour accélérer le vaisseau à 39 422 km/h

 

 

Au dessus du Core Stage, l'adaptateur Launch Vehicle Stage Adapter, l'étage ICPS, Interim Cryogenic Propulsion Stage et la cabine Orion, avec son module de service et de commande. Entre les 2, un anneau supporte les charges auxiliaires cubesats et expériences scientifiques du premier vol Artemis 1

Ecorche du Command & Service Module Orion. Si le CM est typiquement "made USA, le module de service est Européen. L'ESM, European Service Module est fabriqué par Airbus Defense & Space grâce à l'héritage de l'ATV qui a desservit la station ISS par 5 fois entre 2008 et 2015. Assemblé à brème, en Allemagne, il se présente comme un cylindre de 4 m sur 4 pesant près de 13 tonnes. Il est constitué de plus de 20 000 pièces et composants, allant de l'équipement électrique aux propulseurs (1 moteur principal, 8 moteurs auxiliaires et 24 moteurs d’attitude), en passant par les panneaux solaires à quatre plans (qui atteignent 19 m de diamètre lorsqu’ils sont déployés et qui pourraient alimenter deux foyers), les réservoirs d’ergols (8,6 t de contenance), le matériel de survie, et plus de 11 km de câbles et de tuyaux. Son role est de faire fonctionner le module de commande Orion et de le manœuvrer dans l’espace, contrôler son attitude, fournir les principaux éléments de survie (air et eau), et réguler le contrôle thermique. Enfin, la partie non pressurisée du module peut être utilisée pour transporter des charges utiles supplémentaires. 10 états membre de l'ESA sont impliqués dans le programme pour un budget total de 2 milliards d'euros pour 6 exemplaires.

       

Orion est "made in USA". C'est Lockeed martin, ancien Martin Marrietta fabriquant du réservoir externe du STS qui le fabrique, héritage du CEV des années 2000. De forme conique, il accueille 4 astronautes avec leurs équipements. haut de 3,3 m pour 5 m de diamètre, il est 50% plus grand qu'Apollo. Outre les commandes et un habitat, la cabine dispose d’un espace de stockage pour les consommables et les équipements scientifiques, et abrite le port d'amarrage pour les transferts d'astronautes vers la futur station lunaire Gateway. La cabine Orion est le seul éléments du SLS qui retourne sur terre après sa mission et pourra être réutilisé. Comme Apollo, au décollage, en cas d'anomalie, la cabine pourra être éjecté du lanceur grâce à son tour de sauvetage, le LAS (Launch Abort System), équipée de moteurs à propergol solide. L'ensemble Orion et LSA représente 25 tonnes au lancement.

   

Préparation d'Orion CM002 #1 pour le vol Artémis 1 au KSC

Le lanceur peut placer en orbite basse une charge utile de 70 tonne et 27 tonnes vers la lune (46 tonnes pour le Saturn 5). Son premier vol inhabité, EM1 envoie en septembre 2022 une cabine Orion autour de la lune, 50 après l'épopée Apollo.

   

Opération d'assemblage du SLS dans le VAB

La barge "Pegasus" assure le transport de l'éléments principal du SLS, l'étage Core, long de 64 m pour 8 m de diamètre. Avant le premier exemplaire de vol, la barge a embarqué 4 modèle d'essai vers le centre Marshall, en Alabama.

Qui fabrique le SLS: Boeing en est le maitre d'oeuvre, les moteurs RS25 sont développés par Aerojet-Rocketdyne (fusion de Aerojet et P&W Rocketdyne en 2013), l'étage Core est fabriqué par Boeing, les SRB sont développé par Northrop Grumman, l'étage supérieur est développé par Boeing ULA, le LVSA fabriqué par Teledyne, la cabine Orion développé par Martin Lockheed, let le module de servic par Airbus Défence & Space

COUT DU SLS Block1, 35 milliards $, cout du programme Artemis 93 milliards entre 2012 et 2025
SLS mission Artemis 1
RS25
CSM Orion
SM Orion Artemis 1		 4 milliards $
120-146 millions $
1 milliards $
650 millions $ (300 pour les autres 5 modules)

   

3 vues du SLS sur le pad 39B. Le lanceur repose sur le ML avec la tour ombilicale derrière lui, au Nord. L'axe +Z-Z passe par le Sud-Nord et l'axe +Y-Y passe par les SRB, direction 'Ouest-Est.


Le premier exemplaire du SLS pour la mission Artemis 1 vers la lune sur le pad 39B en septembre 2022. Noter les marquages des différents éléments, les SRB, le CS, le vaisseau Orion et l'intérieur de l'étage ICPS. Ces marquages de couleur noirs sur fond blanc ou orange assurent le suivie des caméras de poursuite chargées de filmer le vol du décollage jusqu'à la séparation des éléments supérieurs, LAS, Orion. Des marquages spéciaux ont été placés sur les SRB afin d'évaluer l'écart au moment de la séparation avec l'étage Core, de même que dans l'ISPE Integrated Spacecraft/Payload Element, au moment de la séparation entre l'étage ICPS et l'adaptateur LVSA.

Les marquages sont de 2 types, grands (90 cm de coté) et petits damiers (20 cm de coté), noirs sur fond blanc disposés sur des endroits lisses, plates ou courbes en évitant les bords ou les protubérances.

Les 4 faces du SLS montrant les marquages sur le lanceur (axmpaperspacescalemodels.com)

Les 2 SRB possèdent plusieurs types de marqueurs:
Le SRB gauche est le seul à avoir au somment sous le cône, une bande noire de 60 cm de large permettant aux caméras de différencier le SRB gauche du droit ainsi qu'un marqueur de type 1 de 91 cm carré. Le SRB droit n'a que ce marqueur. On trouve sur les segments avant 3 types de marqueurs, le damier de 91 cm carré, le damier type 2 disposé sur une bande de 60 cm sur 3,3 m ainsi que une série de 2 rectangles verticaux. Sur l'axe +Z, sur les segments centraux avant, on trouve 2 autres rectangles et une série de damiers de type 2 de 20 cm carré. Sur les segments centraux, on trouve 2 série de rectangle noir et les segments centraux arrière reprennent le schéma des segments avant en symétrie. Pas de marquages sur les segments arrières. Sur l'axe -Z, seul les segments avant et les segments arrières ont un marquage damiers de type 1 de 91 cm carré. Les jupes arrières ont chacune 5 marquages damiers de type 1 de 90 cm carré, disposés de part et d'autres des moteurs de séparation, à 90° et en symétrie sur l'axe -Z.

   

Le CS a 8 marqueurs type 1 de 91 cm de coté, 4 sur la jupe avant, espacé de 90° par rapport à l'axe +Z , 2 au milieu de l'étage (sous la jupe inter-réservoir) à +10° et 170° et 2 sur le bati moteur à 0° et 180°.

4 marqueurs de type 1, 91 cm carré entourent l'ISPE, à 45°, 135°, 225° et 315°.

D'autres marqueurs sont uniquement visible pour les caméras à l'intérieur du véhicule filmant les séparation des éléments en vol. Le LVSA a 8 marqueurs internes, l'étage ICPS, 12 marqueurs, la baie avant du module de service d'Orion, 30 marqueurs, l'adaptateur d'Orion 12 marqueurs et le LAS, 12 marqueurs sur les panneaux d'éjection

 

 

 

BLOCK 1A Crew et Cargo

Le SLS Block 1B crew ou Cargo reprend les caractéristiques du Block 1 avec un nouvel étage supérieur, le Exploration Upper Stage EUS du même diamètre que le "core" mais de longueur accrue (18 m) équipé de 4 moteurs RL 10. La hauteur totale atteint 110 m autant que le Saturn 5 avec la cabine Orion. Son premier vol, EM2 en 2021 sera habité et enverra une cabine Orion en orbite rétrograde autour de la lune. Le vol EM3 en 2026 enverra des astronautes autour d'un astéroïde pour le capturer et le ramener en orbite lunaire.

Le lanceur pèsera alors 2950 tonnes. La charge utile atteint alors 110 tonnes. La version "Cargo" utilisera à la place de la cabine Orion une coiffe de 8 m de diamètre.

Comparaisons des étages supérieurs du SLS ICPS et EUS

 

 

 

BLOCK 2

L'étage de base "core" reste le même. Les boosters sont à ergols liquides, Advanced Boosters. L'étage supérieur est le même, l'EUS avec 4 moteurs RL 10. Un étage EDS avec un moteur J2X du Saturn 5 envisagé pour Ares 5 et les premières études a été remplace par le RL 10. Une coiffe de 10 m recouvre l'ensemble. La charge utile atteint 130 tonnes en LEO, 47 vers la lune pour 111 m de hauteur.