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Dix ans d’évolution pour les cargos spatiaux, et beaucoup de nouveautés

Eric Bottlaender
Spécialiste espace
13 décembre 2019 à 14h15
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Capsule dragon CRS-18
La capsule Dragon CRS-18 au moment de son amarrage

Une décennie plus tôt, les navettes volaient encore. Les capsules cargo américaines, en préparation, faisaient pâle figure face aux véhicules européens, japonais et russes. Mais tout a changé.

Il y a tout juste neuf ans, un cargo Dragon faisait une première mission de démonstration en orbite. C'était une nouveauté pour un partenariat public-privé de la NASA... Et cela fait écho puisque moins d'une décennie plus tard, un cargo Dragon est amarré à la station spatiale internationale, pour la mission SpaceX CRS-19.

Un Dragon recyclable

La capsule fabriquée à Hawthorne vole entre trois et quatre fois par an, et elle livre en général entre 2,5 et 3,2 tonnes de fret sur l'ISS. C'est moins que ce qu'était capable d'embarquer la navette spatiale américaine dans la décennie précédente, mais les vingt vols commandés au sein du programme CRS (pour Commercial Ressuply Services) ont coûté l'équivalent de deux vols de navette...

D'autant que depuis 2017, la chaîne de production des Dragon est arrêtée. Dragon est en effet la seule capsule en opérations aujourd'hui à revenir se poser, ou plutôt amerrir dans le Pacifique pour ramener des expériences aux laboratoires scientifiques (entre 550 kg et 2 tonnes selon les vols) et du matériel pour réparation sur Terre. Alors SpaceX réutilise Dragon. Après leur retour au port de Los Angeles, les équipes démontent le bouclier thermique, vérifient tous les systèmes, remplacent une partie des composants et peuvent préparer la capsule pour un second, voire un troisième vol. De quoi économiser pour l'entreprise à Hawthorne tout en glanant d'importantes informations sur la réutilisation et le retour à travers l'atmosphère terrestre à peu de frais... L'évolution du véhicule est donc celle de l'entreprise : pas beaucoup plus de capacités mais des possibilités d'économies avec des lanceurs réutilisées et des capsules recyclées.

La mission CRS-20, qui devrait avoir lieu au premier trimestre 2020, sera la dernière du contrat initial avec la NASA. L'agence est cependant ravie de cette collaboration et a déjà garanti au moins six vols de la prochaine version du cargo, qui partage beaucoup avec la capsule habitée également en développement, Crew Dragon.

Cygnus
Le cargo Cygnus et ses panneaux solaires circulaires

Cygnus, plus loin, plus haut plus fort

Elle a été sélectionnée en "remplaçante" lorsque la NASA s'est aperçue que Rocketplane Kistler, retenu avec SpaceX pour concevoir un cargo et livrer l'ISS ne pouvait suivre financièrement et techniquement. Mais depuis, la capsule Cygnus a fait consensus, avec une approche progressive. Lors de ses premières missions, elle livrait à peine plus d'une tonne de matériel sur la station... Tandis que la capsule NG-12 installée depuis quelques semaines a ramené plus de 3,7 tonnes dans sa soute ! Une évolution que l'on doit à la fois au véhicule avec une partie pressurisée plus grande (et toujours fabriquée en Italie), des panneaux solaires ronds et une propulsion plus efficace... Mais aussi au changement de son lanceur, Antares.

De l'accident d'octobre 2014, l'entreprise rachetée aujourd'hui par Northrop Grumman a su prouver deux choses. La première, c'est que la capsule Cygnus ne dépend pas d'un lanceur ; elle a décollé 3 fois grâce à Atlas-V depuis Cape Canaveral, autorisant au besoin un emport de charges encore plus lourdes. Et la seconde, c'est qu'Antares pouvait évoluer elle aussi, avec un meilleur moteur, une structure renforcée et quelques ajustements du profil de vol.

Mais Cygnus s'est aussi améliorée en véritable petite extension de station spatiale. Notamment en 2018, elle embarquait de quoi installer à l'intérieur plusieurs « racks » scientifiques identiques à ceux opérés dans les modules laboratoires de l'ISS. Ce qui tombe bien, puisque le cargo a prouvé qu'il pouvait rester en orbite plusieurs mois d'affilée sans poser de problème. De quoi se transformer d'un simple « camion » en laboratoire provisoire...quand même apte à aider au déplacement de la station grâce à son moteur au besoin (testé en 2018). Capable, tout comme Dragon, de recevoir un chargement de dernière minute la veille de son décollage, Cygnus peut aussi rester plus de six mois opérationnel, même après son passage sur l'ISS. C'est la capacité qu'a testé Cygnus NG-11 jusqu'au 6 décembre 2019 : le véhicule avait décollé en avril, avant de se désamarrer avec les « poubelles » de la station et de tester sa capacité à manœuvrer et à changer d'orbite plusieurs mois plus tard.

Progress M-27M
Un cargo Progress, vu de face

Progress éclair

A force d'opérer des cargos, ces derniers s'améliorent, par petites touches. Et la Russie, qui opère les capsules pressurisées Progress depuis la fin des années 70, ne fait pas exception. Déjà, elle les fait évoluer pour conserver les mêmes caractéristiques de vol que les capsules Soyouz habitées : elles sont donc passées à une version « MS » plus fiable, avec une meilleure électronique et liaison au sol en 2016. Mais leur gros avantage, c'est la précision des rendez-vous. Avec de petites corrections de trajectoire de l'ISS et un lanceur Soyouz qui l'envoie très précisément à l'endroit voulu, la capsule Progress peut arranger un rendez-vous avec la station en seulement deux orbites. Le record pour un amarrage a été battu en 2019 : seulement 3h18 !

Les cargos automatisés Progress, qui sont au nombre de trois par an (quatre lorsque la Russie aura repris une cadence à trois cosmonautes par an) sont absolument indispensables à l'ISS. En effet à chaque vol ils transportent plusieurs centaines de litres d'eau car celle-ci n'est pas entièrement recyclée, mais surtout plusieurs tonnes de carburant destiné à modifier l'orbite de l'ISS, soit en allumant ses moteurs soit en transférant son carburant sur le module russe Zvezda qui est équipé pour le faire. Ces manœuvres ont lieu tous les deux ou trois mois pour contrôler l'orbite de l'ISS (sans quoi elle finirait par être trop freinée par les particules atmosphériques) ainsi qu'en cas de danger rapproché avec des débris catalogués. Un projet de long terme consisterait à transformer quelques cargos Progress pour rendre possible la rentrée atmosphérique et ramener des expériences à terre. Un peu... comme une capsule Soyouz.

HTV cargo
Un cargo HTV et sa soute externe

Kounotori, capsule et batteries

Les cargos japonais HTV, aussi appelés Kounotori, ont pris la relève des ATV européens pour devenir les plus gros véhicules à ravitailler la station spatiale internationale, embarquant presque chaque année plus de 5 tonnes de matériel dans ses deux soutes, pressurisée et externe. Depuis HTV-6, les cargos japonais (qui décollent sur un lanceur spécialement dessiné pour eux, H2-B) ramènent une palette de six batteries lithium-ion, dans un compartiment ouvert sur l'extérieur. Ces dernières remplacent les anciennes batteries nickel-hydrogène de l'ISS qui n'avaient pas été conçues pour survivre aussi longtemps en orbite terrestre... Mais il faut pour cela sortir et manipuler les éléments sur cette palette de 1,9 tonnes, changer les unités de batteries, remplacer les anciennes et utiliser des plaques d'adaptation. Le bras robotisé Canadarm2 de l'ISS ayant des capacités limitées, il faut effectuer une partie de ces tâches en sortant en scaphandre.

Le 10 novembre 2018, l'agence japonais JAXA testait une nouveauté avec son cargo HTV-7 : une capsule fixée sur l'écoutille et permettant d'embarquer jusqu'à 20 kg pour les ramener sur Terre. Une initiative originale qui suit en fait un long programme pour ramener des expériences grâce au cargo HTV sans avoir à le modifier en profondeur. Et un succès, puisque la capsule a été récupérée intacte près de l'île Minamitori. Le Japon compte bien sur cette nouvelle expertise pour proposer à l'avenir de nouvelles missions avec récupération...

ATV
Un cargo européen ATV, reconnaissable grâce à ses panneaux en X

Et les européens ?

Depuis le mois de février 2015, l'agence spatiale européenne a terminé sa contribution à l'ISS sous forme de cargo, avec la rentrée et la destruction dans l'atmosphère du 5è ATV (Automated Transfer Vehicle). Eux aussi automatisés et capables de rehausser la station, ils étaient d'une taille et d'une masse inégalée, avec plus de 20 tonnes sur la balance (dont plus de 6,5 tonnes de fret). Une expérience réussie que l'ESA a réussi à transférer sur un projet différent : le module de service de la capsule Orion ! Si cette dernière parvient un jour à rejoindre la Lune, ce sera grâce à un matériel européen... Très lié à notre expérience avec l'ISS. Malgré tout, de nombreux projets de cargos continuent de voir le jour pour l'avenir, notamment grâce à la future petite navette cargo européenne, Space Rider. Pour l'instant, il n'est pas prévue de l'amarrer à la station internationale, mais qui sait... En attendant, grâce à leurs vols fréquents, ce sont les véhicules des autres agences qui s'améliorent.

DreamChaser
La petite navette DreamChaser en cours de préparation aux USA

Un avenir "à la carte"

Avec des véhicules plus nombreux et plus capables, les options futures pour envoyer du matériel vers l'ISS (et en orbite en général) continuent d'évoluer. Pour les décennies à venir, impossible de se prononcer... Mais pour le début de la prochaine décennie, nous savons déjà à quoi nous attendre. Cygnus continuera d'être plus capable, de voler plus longtemps, et sera proposé pour ravitailler la future station lunaire Gateway. Dragon évoluera en 2020 pour reprendre la même forme que la capsule Crew Dragon : plus spacieuse (30 % de volume), avec plus d'options pour le cargo, y compris celle de venir s'amarrer automatiquement à la station comme le font les véhicules russes (ce qui implique un autre port d'amarrage). Et bien sûr la très attendue petite navette DreamChaser fera ses premiers voyages pour le compte de la NASA en 2021. Comme à l'âge d'or des navettes STS, elle aura l'énorme avantage de pouvoir rentrer se poser directement sur la piste du Kennedy Space Center... Puisqu'elle n'embarque aucun carburant toxique les équipes pourront alors directement ouvrir sa soute et s'occuper des expériences, moins de 3h après leur départ de l'ISS.

Et ce n'est pas tout. D'autres véhicules pourront faire leur apparition. Il y a les ambitions de la Chine bien sûr, qui dispose de ses propres cargos Tianzhou pour sa future station spatiale, mais il n'est pas interdit de penser que ses capacités évolueront également dans la décennie à venir, ou que les ambitieux acteurs du spatial privé chinois ne voudront pas s'y essayer. Il y a aussi d'autres futurs opportunités pour transformer des véhicules cargos en véhicules de service ou en plateformes d'éjection de nano-satellites... Sans oublier les promesses de SpaceX et de son Starship qui, s'il voit effectivement le jour, pourrait se transformer en un véritable porte-conteneur spatial. Et vous, qu'aimeriez-vous voir sur les véhicules cargos de demain ?
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Fulmlmetal
Ce qui est dommage c’est qu’en europe on avait le meilleur ravitailleur, le plus gros et totalement autonome, un beau vaisseau qu’on aurait pu continuer à faire voler pour maintenir un savoir faire mais aussi pour le faire évoluer et garder une maitrise des systemes de navigation spatiale. Mais non, l’europ, comme d’hab s’est contenté du minimum, remplir notre obligation de 5 ATV et basta on abandonne ensuite. C’est dommage. On se limitera donc à une participation éphémère, il en restera juste une partie utilisé pour des missions potentielles d’Orion, la capsule US. Les japonais eux au moins ont continué leur HTV et l’ont fait évolué.<br /> Pour l’article il aurait été bon de rappeler que seuls les vaisseaux Progress et ATV sont capables de s’amarrer automatiquement, tous les vaisseaux de ravitaillement US ont besoin du bras SSRMS d’ISS pour s’amarrer. C’est à dire que si ce dernier tombe en panne, c’est fini, les américains ne peuvent plus se faire ravitailler.<br /> Cela dit, ce point faible est aussi un point fort puisque leur sas d’amarrage qui est plus large permet de passer de gros objets comme les racks scientifiques, qui ne peuvent pas passer par le sas russes trop petit qu’utilisent le Progress et l’ATV autrefois.<br /> Il aurait été bon de signaler que les ravitailleurs US et japonais sont les seuls à avoir un compartiments externes permettant l’apport de charge utile pour l’extérieur d’ISS<br /> Au fil il aurait été judicieux de proposer à la fin un tableau comparatif de poids, CU interne et externe, autonome ou pas<br /> Mais dans l’ensemble un bon article sans erreur et tres informatif
ebottlaender
Merci, et je vous rejoins sur un tableau ça aurait pu être bien à la fin (je verrais peut-être pour en ajouter un).<br /> A noter qu’à partir de 2020 (cargo SpaceX CRS-21), je le dis dans l’article, Dragon pourra être envoyé pour s’amarrer de façon totalement automatisée comme le font Progress et feu l’ATV. SpaceX a déjà démontré cette capacité avec Crew Dragon. Dans le cadre du contrat CRS-2 c’est la NASA qui décide à chaque vol (ou plutôt chaque commande) quel port elle veut utiliser, puisqu’effectivement il y a des avantages et des inconvénients à chaque méthode d’amarrage.
Fulmlmetal
Oui tu as raisons les Dragon pourront avoir la capacité automatique, mais uniquement en utilisant un autre port (IDA) avec un sas un peu plus petit. Les autres port CBM (un peu plus grand) ne permettant pas un amarrage automatique.
Niverolle
« les vingt vols commandés au sein du programme CRS (pour Commercial Ressuply Services) ont coûté l’équivalent de deux vols de navette » ==&gt; Pas certain que la navette soit si chère: combien faut-il lancer de Dragons, de Progress et de Soyouz pour remplacer une seule navette ?
ebottlaender
La navette, post 2003 est évaluée à plus d’un milliard de dollars par vol.
Niverolle
Certainement. Mais combien (à services équivalents et donc sans même parler des missions d’assemblage de la station) avec les solutions actuelles ?
ebottlaender
Eh bien par exemple les 5 dernières missions de cargo CRS de SpaceX sont valorisées à 700 millions de dollars (CRS-16 à 20 compris). Cela inclut à chaque vol environ 2,5 tonnes de cargo (pressurisé et non pressurisé), des vols réguliers et des retours dans la partie pressurisée sur Terre. Donc en soi pas tout à fait la capacité de la navette qui pouvait emmener de grandes et lourdes charges de plus de 15 tonnes en orbite, mais plus de souplesse, des vols réguliers et des retours d’expérience.<br /> Evidemment, ce ne sont pas des équivalences pures, mais c’est pour donner un ordre de grandeur des coûts des missions CRS vis à vis de celles des navettes. D’autant que le programme a permis aussi le développement d’Antares et de Falcon 9.
Niverolle
Évidement, cela revenait à mettre tous ses œufs dans le même panier (même si le taux d’échec de la navette était finalement relativement bas, cela n’a pas pardonné). Mais tes chiffres montrent que même en se limitant à la fonction cargo (pressurisé ou non), ce n’est pas si facile d’attaquer la navette sur le plan comptable. Sachant que pour que la comparaison soit honnête, il faudrait en plus rajouter les rotations d’équipage !
GRITI
J’ai toujours autant de plaisir à lire tes articles Eric. Merci! Pour faire écho aux commentaires d’un autre sujet, tes articles seraient top en podcast!
ebottlaender
Merci (je rentre de vacs, ça fait plaisir à lire )<br /> On pourra réfléchir à le faire en 2020, qui sait !
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