Espace
L’Europe prend ses quartiers spatiaux
En cette année 2008, l’Europe prend pleinement pied dans la station spatiale internationale avec l’arrimage de son laboratoire de recherche Columbus et les premiers pas de son cargo automatisé ATV. Une double performance qui place l’aéronautique européenne à la hauteur de celle des États-Unis et de la Russie.
Installation de Columbus: première sortie dans l’espace de Schlegel au cours de la mission STS 122. 22 mai 2006. Le module Columbus, terminé dans les laboratoires EADS de Brême, est prêt à être envoyé par container au NASA’s Kennedy Space Center, en Floride. © ESA – S.Corvaja
L’ATV Jules Verne vu de la station ISS durant leur rendez-vous du 29 mars 2008. © NASA
Fixation d’un composant au sommet de Jules Verne par un «opérateur volant». © 2007 - ESA /CNES/Arianespace/Photo optique video du CSG
Transfert de Columbus dans la navette Atlantis. © NASA
C’est pendant la guerre froide au début des années ‘80 que l’aventure de la station spatiale internationale trouve ses racines. Les Américains souhaitent alors construire leur propre station, Freedom, en réponse à celles des Russes, Salyut et surtout Mir. Mais avec l’effondrement du bloc communiste, celle-ci perd sa raison d’être. Au début des années ‘90, les États-Unis, la Russie, le Japon, le Canada et les États membres de l’ Agence spatiale européenne (ESA) entament des négociations pour la construction d’une station, internationale cette fois, initialement appelée Alpha et finalement rebaptisée International Space Station (ISS). «Ce projet a permis à l’ESA de développer une vraie politique de collaboration en faisant travailler entre eux 17 pays membres de l’Union et en contribuant à construire un pont entre Russes et Américains» raconte Franco Bonacino, porte-parole du directeur général de l’ESA.
Et à tous ceux qui pensent que la NASA a tiré la couverture à elle, il réplique que «la coopération internationale n’est jamais facile, il faut trouver un juste équilibre pour que tout le monde y trouve son compte.» La NASA ne pouvait pas tout faire toute seule et a apprécié la participation de l’Europe à l’ISS. «Avec deux éléments clés, celle-ci est considérable. D’une part le laboratoire Columbus intégré à l’ISS depuis le 11 février 2008 et d’autre part le cargo de type Automated Transfer Vehicle (ATV) qui assurera le ravitaillement de la station et dont un premier exemplaire, Jules Verne, vient de s’acquitter de sa mission avec succès le 3 avril dernier».
Columbus, un long accouchement
«Columbus et ATV sont les pierres angulaires du programme spatial de vols habités européens», explique Markus Bauer, chargé de communication à l’ESA. Pour Columbus, l’’histoire commence en janvier 1985 à Rome lorsque l’ESA approuve le programme du même nom. On envisage alors la construction de trois modules: l’APM (Attached Pressurized Module), qui s’arrimerait à la station, le MTFF (Man-tended Free-Flyer), libre dans l’espace afin d’affranchir son environnement de microgravité de la masse de la station, et une plateforme autonome en orbite polaire dédiée à l’observation de la Terre. Au final, seul le module APM aujourd’hui nommé Columbus sera confirmé. Sa construction est alors mise entre les mains de plusieurs partenaires européens. Le constructeur aéronautique italien Alenia devient, entre autres, responsable des systèmes mécaniques, thermiques et de support de vie.
L’entreprise EADS Astrium Space Transportation, elle, est chargée de la conception de Columbus et des systèmes avioniques. Le lancement du laboratoire pressurisé en forme de cylindre de 4,5 m de diamètre pour 6,8 m de longueur est initialement prévu pour fin 2004, mais l’accident dramatique de la navette spatiale américaine Columbia, désintégrée en février 2003 au-dessus du Texas, le retarde de plus de trois ans. Assemblé à Brême (DE), le module est transporté le 27 mai 2006 à bord d’un Airbus Beluga vers le centre spatial Kennedy, au cap Canaveral en Floride. Le 7 février 2008, Columbus est finalement lancé par la navette spatiale Atlantis. Une fois arrivées à proximité de la station, les 12,8 tonnes du laboratoire sont extraites de la navette d’Atlantis grâce au bras robotique de l’ISS. Quatre jours plus tard, les deux astronautes de l’ESA, Hans Schlegel (DE) et Léopold Eyharts (FR) arriment enfin Columbus à la station et effectuent sa mise en opération.
Le laboratoire est désormais dirigé au sol par le centre d’opérations spatiales basé à Oberpfaffenhofen (DE). Sans le lancement, le coût du laboratoire européen s’élève à 880 millions €, dont 51 % est assuré par l’Allemagne, 23 % par l’Italie, 18% par la France et 8% pour les USA et le Canada.
La science de Columbus
L’espérance de vie de ce troisième laboratoire de l’ISS (après ceux des États-Unis et de la Russie) est estimée à dix ans. «Après cette période, Columbus sera désorbité et subira une entrée destructive dans l’atmosphère terrestre au-dessus du Pacifique» (1). Depuis la Terre, des chercheurs pourront réaliser des milliers d’expériences en microgravité via des centres utilisateurs, ou même depuis leur bureau. Son volume interne de 75 m3, peut contenir trois personnes ainsi que dix bâtis de charges utiles standardisés (International Standard Payload Racks – ISPR), des sortes d’armoires-laboratoires dédiées aux expériences scientifiques (cinq pour la NASA, cinq pour l’ESA). «La NASA fournit à Columbus l’énergie, les télécommunications, la robotique et le refroidissement. En échange, elle a le droit d’utiliser 49% du laboratoire.» Quelles expériences seront menées dans les ISPR européens? Le premier est un laboratoire dédié à l’étude du comportement des fluides en microgravité.
Habituellement, la gravité provoque des effets de convection, de sédimentation et de stratification dans les fluides, masquant des phénomènes dynamiques comme par exemple les transferts de masses dans les processus de cristallisation. On attend de ces recherches une amélioration de la fabrication de produits comme les semiconducteurs. Un second ISPR concernera la physiologie humaine. Si l’Homme souhaite s’aventurer au-delà de la Lune, il faut savoir comment son corps réagit à un séjour prolongé en apesanteur. Cette expérience renforcera aussi notre compréhension des problèmes dus à l’âge comme la perte musculaire ou encore l’ostéoporose. Le troisième ISPR permettra de réaliser des expériences sur des micro-organismes, de petites plantes ou des invertébrés. Le but est de mieux connaître les effets de la microgravité sur toute l’échelle de complexité de la vie, de la cellule à l’être humain. Des résultats sont attendus en immunologie ou en biologie cellulaire, pour les processus de réparation des cellules par exemple.
Le quatrième ISPR contient des tiroirs qui pourront accueillir diverses expériences dans des emplacements standardisés et le cinquième servira de rangement et de plan de travail. En plus des ISPR, deux autres charges utiles ont été montées à l’extérieur du module, l’une pour observer le Soleil et son flux de rayonnement à diverses longueurs d’ondes, l’autre pour exposer des expériences au vide spatial. Malgré ces alléchantes perspectives scientifiques, des voix se sont élevées pour dénoncer le fait que les expériences menées à bord de l’ISS pourraient tout aussi bien l’être sur Terre à moindre coût grâce à des vols paraboliques reproduisant la microgravité pendant quelques secondes ou encore de simples fusées. «Columbus ne remplace pas ces moyens terrestres, il les complète. Certaines expériences réclament des conditions stables de microgravité ou celles régnant dans le vide spatial. Aucun avion ou fusée ne peut réaliser ces conditions expérimentales. Comment étudier l’adaptation de l’Homme à la microgravité ailleurs que dans l’espace?». Les arguments de Franco Bonacino sont tout aussi convaincants: «l’ISS ne représente que 15% du budget annuel de l’ESA et il y a déjà plus de demandes d’expériences que nous ne pourrons probablement en réaliser. La majorité de la communauté scientifique semble donc satisfaite.»
ATV, le cordon ombilical
Bien sûr, astronautes et expériences ne pourraient subsister sans un cordon ombilical reliant la station à la Terre. Ce cordon, c’est l’ATV. Le véhicule de transfert automatisé est la contribution en nature de l’Europe aux dépenses d’exploitation de l’ISS. «C’est un projet 100% européen nous donnant une indépendance que nous n’avions pas auparavant. Nous sommes désormais autonomes dans l’espace – mais prêts à collaborer lorsque c’est nécessaire.» L’ATV permet aussi à l’Europe de faire travailler son industrie au lieu de transférer de l’argent à ses partenaires. «Grâce à l’ATV, nous avons acquis et développé des technologies clés comme celles des rendez-vous spatiaux et des amarrages automatiques. Ceci positionne l’industrie européenne à la pointe de l’industrie spatiale et permet de créer et de maintenir une main-d’oeuvre qualifiée pendant des décennies. De plus, ces technologies trouvent des applications sur Terre, dans les secteurs des télécommunications ou de la robotique par exemple.
En ce sens, elles sont un moteur pour d’autres secteurs que l’espace.» Le maître d’oeuvre de l’ATV est EADS Astrium Space Transportation. Nicolas Chamussy, directeur du programme ATV Astrium précise le rôle de l’entreprise: «Après un appel d’offres, l’ESA a confié à Astrium le développement du véhicule ATV, sa fabrication et les tests du premier exemplaire. Cela consiste entre autres, sur la base de spécifications données par l’ESA, à imaginer un concept de véhicule, réaliser les plans détaillés et former un consortium industriel auquel nous avons confié le développement et la réalisation de sous-parties (équipements ou sous-systèmes). Restait à faire les dernières opérations sur le véhicule à Kourou pour l’amener le jour du lancement dans une configuration ‘bon pour vol’, et à apporter l’expertise nécessaire à l’ESA pour le vol. Une expérience opérationnelle qui peut être réutilisée pour de futurs projets plus ambitieux, comme aller sur la Lune ou sur Mars.»
En tout, ce sont 30 entreprises de dix pays européens – plus huit autres entreprises russes et américaines – qui sont impliquées dans l’ATV. L’ATV est un cylindre blanc de 10,3 m de longueur pour 4,5 m de diamètre, muni de panneaux solaires formant un X. À son bord, il peut emporter 7,7 tonnes de cargaison vers la station située à 400 km d’altitude, suppléant ainsi le cargo russe Progress dont la capacité est deux fois moindre. La cargaison de l’ATV peut comporter jusqu’à 100 kg d’air (oxygène et azote) pour l’atmosphère de l’ISS, 840 kg d’eau potable pour l’équipage ou d’ergols pour le système de propulsion de la station ainsi que 4,7 tonnes de carburant, le tout stocké dans des réservoirs. À cela il faut ajouter 4,5 tonnes de charges utiles enfermées dans un module pressurisé. À l’aide de ses quatre moteurs principaux et 28 plus petits propulseurs, l’ATV a également pour mission de rehausser l’orbite de l’ISS à des intervalles de temps compris entre 10 et 45 jours. En effet, freinée par l’atmosphère de la Terre, la station perd de l’altitude – jusqu’à plusieurs centaines de mètres par jour – d’où la nécessité de la remonter. De plus, elle doit parfois être manoeuvrée afin d’éviter les débris qui errent dans l’espace.
Jules Verne dans l’espace
Le premier ATV a été lancé depuis la base de Kourou en Guyane française le 9 mars 2008 par une fusée Ariane. Quatre exemplaires supplémentaires seront construits, permettant un lancement tous les 17 mois environ. Après sa séparation avec le lanceur, les moteurs de l’ATV s’allument et ses systèmes de navigation sont activés. Pour s’approcher de la station, l’ATV possède un système de guidage ultra précis fourni par la société russe RSC Energia. Après trois à cinq jours en orbite (quinze pour Jules Verne), le cargo arrive en vue de la station et tente de s’en approcher en suivant deux orbites supplémentaires. Alors que la station et l’ATV filent à la vitesse de 28 000 km par heure, leur vitesse relative n’est que de quelques cm par seconde. En cas de risque de collision, une procédure d’urgence peut être déclenchée, soit depuis le sol, soit de manière automatique. Les moteurs sont alors allumés pendant trois minutes pour un freinage d’urgence puis l’éloignement du vaisseau hors d’une zone de 200 m autour de la station, un système testé avec succès le 14 mars 2008 avec Jules Verne.
Ce dernier s’est amarré à la station le 3 avril 2008 comme prévu. Le cargo restera attaché à l’ISS pour six mois, au bout desquels il sera chargé d’un maximum de 6,4 tonnes de déchets. Après fermeture de ses écoutilles, il se séparera automatiquement de la station. Ses moteurs l’orienteront pour qu’il pénètre l’atmosphère de la Terre selon un angle très prononcé et il ira se consumer audessus d’une zone prédéterminée de l’océan Pacifique.
L’ATV du futur
Au-delà des cinq exemplaires programmés, l’ATV présente un grand potentiel évolutif. L’ATV pourrait, par exemple, être transformé en un laboratoire automatique pour lequel la microgravité serait encore meilleure que celle de la station, vu sa masse comparativement faible. Il s’arrimerait à l’ISS pour les opérations de maintenance, un concept qui n’est pas sans rappeler celui du MTFF. Pressurisé, il pourrait aussi servir de refuge à l’équipage de l’ISS en cas d’accident et en attendant les secours sous la forme d’une navette spatiale ou d’un Soyouz. Plus audacieuse encore, l’idée d’accrocher plusieurs ATV comme des wagons qui formeraient une mini-station spatiale. Mais la possibilité qui laisse la plus rêveuse est de faire de l’ATV un véhicule de transport pour l’exploration spatiale. En effet, il est le plus puissant remorqueur spatial jamais construit et deviendrait ainsi un véhicule de transfert de marchandises vers les orbites de la Lune ou de Mars. «En participant à l’ISS, nous apprenons beaucoup en termes de collaboration, un point important pour de futures missions d’exploration spatiales internationales, et qui démontre à nos partenaires notre fiabilité.» La contribution européenne à l’ISS via le module Columbus ou l’ATV est au final une bonne affaire.
Outre les nombreuses expériences en microgravité qui seront conduites dans Columbus d’une manière continue, la construction de l’ATV donne à l’Europe des capacités qu’elle n’a pas aujourd’hui, comme celle d’envoyer des hommes dans l’espace. Reste à mettre en oeuvre suffisamment de moyens pour que cette course de fond vers le progrès spatial parvienne à son terme et que l’Europe en retire tous les bénéfices.
Stéphane Fay
- Toutes les citations non précisées sont de Markus Bauer.
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