COMPOSITION DE LA NAVETTE
Le système de la navette spatiale se compose de quatre éléments principaux: un vaisseau spatial Orbiter, deux propulseurs à poudre (SRB), un réservoir externe (ET) qui contient le carburant et trois moteurs principaux de la navette spatiale (SSMEs). La Navette peut envoyer du matériel sur une orbite basse comprise entre 185 et 577 km. La soute, quant à elle, mesure 5 mètres de diamètre sur 20 mètres de long. A noter que les deux SRB sont réutilisables.
L’Orbiter peut transporter un équipage pouvant aller jusqu’à huit personnes. De manière générale, une mission dure entre 4 et 16 jours. Le compartiment de l’équipage dispose de deux ponts pressurisés et chauffés de manière à pouvoir évoluer en vêtements de tous les jours et la charge d’accélération ne dépasse jamais les 3g. A son retour sur Terre, l’Orbiter a une capacité de manœuvre d’environ 1100 nm
PROFIL D’UNE MISSION STANDARD
Dans la configuration de lancement, l’orbiteur et deux SRB sont attachés au grand réservoir extérieur (ET) à la verticale (le nez de la Navette vers le haut sur la rampe de lancement). Chaque SRB est attaché à la base arrière de la plate-forme de lancement mobile par quatre boulons explosifs.
Les trois SSMEs sont alimentés en propergol d’hydrogène et d’oxygène liquide fournis par le réservoir extérieur (ET) et sont allumés en premier. Un calculateur teste la puissance nominale des moteurs et si les valeurs sont correctes, le signal est envoyé au SRBs et ordonne leur combustion. A noter qu’il est impossible d’arrêter les SRBs une fois allumés. Une fois les SRBs mis en route, les huit boulons explosifs qui maintenaient la Navette en place explosent et la Navette décolle. Cette opération ne dure que quelques secondes.
La pression maximale dynamique est atteinte au début de l’ascension, nominalement 30 à 60 secondes après le décollage. Environ 1 minute plus tard (2 minutes dans la phase d’ascension), les deux SRB ont consommé leur propergol et sont largués du réservoir extérieur. Ceci est déclenché par un signal de séparation de l’orbiteur. Cette opération est automatique bien que l’équipage peut ordonner cette manoeuvre manuellement.
Les boosters continuent brièvement leur ascension tandis que de petits propulseurs latéraux éloignent les SRBs vidés de leur contenu du reste de la Navette spatiale. Les boosters tombent vers l’océan et quand ils auront atteint une altitude prédéterminée, les parachutes sont alors déployés pour décélérer le taux de chute pour un amerrissage en toute sécurité. Ils touchent l’eau à environ 260 km du site de lancement. Les boosters seront récupérés et réutilisés pour une mission future.
L’orbiteur et le réservoir extérieur (ET) continuent à monter en utilisant la poussée des trois SSMEs. Environ 8 minutes et demie après le lancement, les trois moteurs s’arrêtent (MECO), et l’ET est larguée de l’orbiter. Le système par réaction avant et arrière de contrôle (RCS) fournissent des jets de gaz pour éloigner l’orbiteur du grand réservoir. L’attitude de la Navette sera également modifiée au vu de la prochaine combustion pour circulariser l’orbite via le système de manœuvre orbitale (OMS). Le réservoir extérieur se désintégrera dans l’atmosphère. Il ne sera pas réutilisé.
INSERTION EN ORBITE ET CIRCULARISATION
Le profil de montée normale, appelé «insertion directe», place le véhicule sur une orbite elliptique temporaire dès l’arrêt des moteurs (MECO). Altitude orbitale peut varier de 185 à 577 km, en fonction des exigences de la mission. L’équipage effectue ensuite une combustion d’orbitation OMS désigné comme OMS 2 pour stabiliser l’orbite. Cette combustion peut faire varier la vitesse orbitale du vaisseau entre 60 et 168 mètres/seconde en fonction des besoins.
En cas de problème lors de l’ascension, le véhicule peut se trouver bien en deçà de la vitesse attendue au moment du MECO voire même une vitesse suborbitale. Dans de tels cas, l’équipage effectue ce qu’on appelle une combustion OMS 1, ce qui soulève l’orbite à une altitude de sécurité. Ensuite, l’OMS 2 amène le vaisseau sur une orbite stable.
ORBITE
Sur l’orbite, les jets avant et arrière RCS offrent un contrôle d’attitude de l’orbiteur, ainsi que toute autre manœuvre pendant la mission. Les moteurs OMS sont utilisés pour effectuer des transferts orbitaux, comme ceux faits pour le rendez-vous avec la Station spatiale internationale (ISS). Une fois sur l’orbite souhaitée, l’équipage remplit les objectifs de la mission, tels que assemblage de l’ISS , le déploiement ou la récupération de charge utile, et encore des expériences scientifiques.
DESORBITATION
A la fin des opérations orbitales, le RCS est utilisé pour orienter l’orbiteur dans une attitude «queue en premier de l’anglais : tail-first attitude». Les deux moteurs OMS sont allumés et baissent l’orbite de telle sorte que le véhicule pénètre dans la haute atmosphère. La combustion de désorbitation diminue habituellement la vitesse orbitale du véhicule entre 60 à 168 mètres/seconde en fonction de l’altitude orbitale. Lorsque la combustion de désorbitation est terminée, le RCS est utilisé pour faire pivoter le nez de l’orbiteur en avant pour l’entrée dans l’atmosphère. Les jets RCS sont utilisés pour le contrôle d’attitude jusqu’à ce que la densité atmosphérique soit suffisante pour utiliser les surfaces aérodynamiques.
L’’ENTREE ATMOSPHERIQUE
Interface d’entrée soit le point où le véhicule pénètre dans la haute atmosphère se produit à une altitude de 400.000 pieds et une distance d’environ 7780 km du site d’atterrissage. La vitesse du vaisseau est alors d’’environ 7600 mètres/seconde. L’orbiteur est alors manœuvré à un roulis de 0° et un lacet (niveau des ailes) de 40° d’angle d’entrée atmosphérique. Sur les 40° ne sont pas respectés, l’Orbiter peut se désintégrer dans l’atmosphère (angle trop petit) ou rebondir (angle trop grand).
Le contrôle de la traînée atmosphérique est obtenu en faisant varier soit l’angle d’attaque soit l’angle d’inclinaison. En faisant varier l’angle d’attaque trop tôt lors de l’entrée, cela crée des températures au-dessus de la spécification de l’orbiteur. Augmenter l’angle d’inclinaison diminue la composante verticale de la portance, ce qui provoque un taux élevé de décélération et génère une plus grande traînée atmosphérique et donc plus d’énergie à dissiper. Cela fait aussi monter la température sur la surface de l’orbiteur, mais pas aussi radicalement que ce serait d’augmenter l’angle d’attaque.
Si l’orbiteur est trop lent soit « Low Energy » (c’est à dire que le site d’atterrissage est beaucoup plus loin que prévu, étant donné la vitesse actuelle), l’orientation d’entrée sera inférieure à l’angle nominal. Si l’orbiteur est sur «Hi Energy » soit trop d’énergie à dissiper. (C’est à dire dans le cas où le site d’atterrissage serait plus proche que prévu), l’angle d’entrée sera supérieur pour dissiper l’énergie supplémentaire.
Les jets de contrôles avant du RCS ne sont pas utilisés lors de la rentrée car ils affecteraient l’aérodynamisme du véhicule. Ainsi, seuls les jets RCS arrières sont utilisés pour manœuvrer le véhicule. Lorsque la pression dynamique (QBar) est de 10 psf (4,79 Millibar), les surfaces de contrôle de la Navette prennent la relève pour manœuvrer le roulis et les fonctions RCS de cet axe sont désactivées. Quand le QBar est de 40 psf (19,15 Millibar), les RCS qui gèrent l’axe de tangage cèdent la place aux surfaces aérodynamiques. Les aérofreins sont déployés sous Mach 10 pour aider à garder les élevons dans le vent relatif. A Mach 5, le gouvernail devient actif et est utilisé pour trimer. Enfin, à Mach 1, toute les jets RCS sont désactivés, ne laissant que les surfaces aérodynamiques pour manœuvrer le vaisseau.
TAEM
TAEM (Terminal Area Energy Management ou gestion d’énergie de la zone terminale) dirige l’orbiteur sur l’un des deux cônes invisible d’un rayon de 6 km le (HAC), qui sont situés à la tangente et de chaque côté de l’axe de la piste. L’excès d’énergie est dissipé par des manœuvres en S. Cela réduit la vitesse de l’orbiteur jusqu’à son alignement du HAC qui commence généralement à 10000 pieds (3000 m). Le vaisseau ralentit à la vitesse subsonique à une altitude d’environ 49 000 pieds (15 000 m) et environ 50 km du lieu de l’atterrissage.
À l’acquisition TAEM, l’orbiteur est orienté jusqu’à ce qu’il soit sur une tangente du HAC et se poursuit jusqu’à ce qu’il atteigne le point (WP) 1. Au WP-1, la phase d’alignement TAEM commence. La trajectoire du HAC est maintenue jusqu’à l’alignement de piste d’atterrissage, à +20° la phase pré-finale du TAEM commence et la Navette pique du nez pour tenir une trajectoire de descente raide (G/S) et la vitesse augmente. Le pilote garde l’axe de la piste. La phase de guidage d’approche et d’atterrissage commence à l’achèvement de la phase TAEM pré-finale et se termine lorsque le vaisseau spatial s’arrête complètement sur la piste.
ATTERRISSAGE
La phase d’approche et d’atterrissage commence à la phase pré-finale du TAEM c’est à dire environs 20° de l’axe de la piste au point NEP qui se trouve à 10 000 pieds et à 12,8km du début de la piste (6,9 nm). A ce point précis, la Navette va piquer du nez pour maintenir une vitesse équivalente de 300 nœuds (KEAS). L’angle de décente sera de -20° et ensuite de -18°. Le taux de chute sera de 10000fts par minute (environ 3000 m). À 2000 pieds au-dessus du sol (AGL), une manœuvre preflare est amorcée pour amener la Navette sur un plan d’approche inférieur à 1,5° en vue de l’atterrissage en utilisant les aérofreins pour gérer les plages de vitesse. L’équipage déploie le train d’atterrissage à 300 pieds AGL. L’arrondi final réduit le taux de chute de l’engin à une valeur cible de 3 ips. Le toucher se produit à environ 2500 pieds (762 m) au-delà du seuil de piste et à une vitesse de 195 KEAS (orbiteurs légers) ou 205 KEAS (orbiteurs plus lourds).
SITES DE LANCEMENTS ET D’ATTERRISSAGES
Le Kennedy Space Center (KSC) en Floride est utilisé pour tous les lancements de la Navette. Le centre KSC est également utilisé pour certains atterrissages de la navette. La base aérienne d’Edwards Air Force Base en Californie est aussi utilisée pour les atterrissages. Elle fut même la principale base de retour des Navette pendant le début du programme. Mais pour des raisons de coût d’acheminement de la navette, ce site fut de moins en moins utilisé sauf en cas d’urgence. Des sites d’atterrissage d’urgences sont utilisés comme par exemple Zaragoza en Espagne. La piste d’atterrissage de Zaragoza est l’une des principales pistes d’atterrissage d’urgence utilisée par Houston en cas de mauvais temps ou de problèmes orbitaux. Cette longue parcelle de terrain du nord de l’Espagne qui abritait le 406ème Tactical Fighting Wing de l’US Air Force , est normalement la destination habituelle d’une Navette en cas d’un échec TAL, c’est à dire à une vitesse suffisante pour dépasser la Floride. Heureusement, elle ne fut jamais utilisée. L’autre base d’urgence en Espagne est Rota, au sud de l’Espagne. D’autres pistes d’urgences sont utilisées comme par exemple White Sands au Nouveau Mexique. Elle fut même utilisée pour la mission STS-3 le 22 Mars 1982 à cause d’une très mauvaise météo sur la base d’Edwards. A Noter qu’au début du programme, la Navette n’était pas certifiée pour se poser sur une piste bétonnée. Il faudra attendre la mission STS-41-B pour voir la Navette se poser sur une piste en dur.