Space Launch System
Le  ( « système de lancement spatial »), abrégé SLS, est un lanceur spatial super-lourd américain développé par la NASA depuis 2011 et dont le premier vol a lieu le . Le SLS joue un rôle central dans le programme Artemis dont l'objectif est,  après le programme Apollo, d'envoyer de nouveau des équipages à la surface de la Lune, puis de préparer les futures missions habitées vers Mars. Cette fusée sera chargée de placer le vaisseau Orion transportant l'équipage sur une trajectoire à destination de la Lune.

Pour placer en orbite lunaire un vaisseau avec équipage d'une masse de près de , il faut disposer d'un lanceur beaucoup plus puissant que ceux actuellement disponibles. Le lanceur Saturn V du programme Apollo, d'une capacité de  en orbite lunaire, n'est plus produit depuis la fin de ce programme au début des années 1970. L'architecture du lanceur SLS, similaire à celle de l'Ares V abandonné après l'arrêt du programme Constellation en 2010, reprend en les adaptant des composants utilisés par la navette spatiale américaine (propulseurs d'appoint, moteurs-fusées SSME/RS-25) et dans sa version  l'étage supérieur du lanceur Delta IV. Plusieurs versions sont envisagées (, 1B et 2), d'une capacité de mise en orbite terrestre basse s'échelonnant entre  et . La version , pouvant lancer  vers la Lune, est caractérisée par son deuxième étage ICPS, propulsé par un unique moteur RL-10 B2. Courant 2020, seule cette version est développée. Actuellement, aucun budget n'est disponible pour finaliser les  et 2, principalement caractérisées par un deuxième étage et des propulseurs d'appoint plus puissants.

Le développement de la fusée SLS est lancé en 2011 à la demande du Congrès américain alors que la NASA n'a exprimé aucun besoin précis. Le coût initial du projet est alors évalué à  et un premier vol est prévu en 2017. Les glissements de ce calendrier, les importants dépassements budgétaires qui touchent également l'adaptation des installations de lancement du complexe de lancement 39 en Floride ainsi que le développement de lanceurs commerciaux de forte puissance remettent en question la nécessité d'un lanceur dont le coût unitaire de production atteint  de US$. Malgré tout, sous la pression du Congrès, le projet se poursuit et le lanceur est appelé à jouer un rôle central dans le programme Artemis.

Contexte

Retour des projets lunaires et du lanceur lourd 

En 2004, le président George W. Bush annonce les objectifs à long terme qu'il souhaite assigner au programme spatial habité américain alors que l'accident de la navette spatiale Columbia vient de clouer au sol la flotte de ces engins vieillissants et que le sort de la station spatiale internationale, dont l'achèvement approche, est en suspens. Le projet présidentiel Vision for Space Exploration veut replacer l'Homme au cœur de l'exploration spatiale : le retour d'astronautes sur la Lune est programmé avant 2020 pour une série de missions destinées à préparer une éventuelle présence permanente de l'homme sur le sol lunaire et mettre au point le matériel nécessaire à de futures missions habitées vers Mars fixées à une échéance beaucoup plus lointaine. Cette fois-ci, l'opinion comme le Congrès sont favorables au projet : le programme Constellation est alors mis sur pied par la NASA pour répondre aux attentes présidentielles. Il prévoit la construction de manière similaire au programme Apollo de deux vaisseaux habités - le vaisseau principal Orion et le vaisseau lunaire Altair - ainsi que de deux types de lanceurs : le lanceur lourd Ares I chargé de placer en orbite le vaisseau Orion et le lanceur super-lourd Ares V de la classe du lanceur géant Saturn V chargé de placer en orbite le module lunaire. La NASA utilise, en les adaptant, des moteurs-fusées développés pour la fusée Saturn V, les propulseurs à poudre de la navette spatiale ainsi que de nombreuses installations au sol remontant à l'époque du programme Apollo. Mais le programme prend du retard et se heurte à un problème de financement qui selon les plans initiaux, doit s'effectuer sans augmentation substantielle du budget global de la NASA.  Début , le président Obama annonce l'annulation du programme Constellation qui est confirmée par la suite.

Abandon du programme Constellation et du lanceur lourd  

À la suite de son investiture, le président américain Barack Obama fait expertiser le programme Constellation par la commission Augustine, créée à cet effet le . Celle-ci conclut qu'il manque trois milliards de dollars par an pour atteindre les objectifs fixés mais confirme l'intérêt d'une seconde exploration humaine de la Lune comme étape intermédiaire avant une mission habitée vers Mars. Début , s'appuyant sur ce rapport, le président Barack Obama annonce l'annulation du programme Constellation. Trois motifs sont mis en avant : un budget en dépassement, le retard pris sur les échéances et l'absence d'innovations intégrées dans le projet. Cette décision donne un coup d'arrêt au développement du lanceur lourd Ares V dont l'architecture devait reprendre plusieurs composants développés pour la navette spatiale et qui était conçu pour placer  en orbite basse (le lanceur  ne pouvait placer que ). Les éléments repris sont le propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine allongé par ajout d'un cinquième segment, le premier étage qui utilise la structure du réservoir externe de la navette spatiale américaine avec un diamètre passant de 8,4 à  de diamètre et qui est propulsé par six moteurs RS-68B utilisés pour la fusée Delta IV. Le deuxième étage EDS utilise, comme le premier étage, de l'oxygène et de l'hydrogène liquide. Il est propulsé par un moteur unique J-2X, dérivé du moteur J-2 du deuxième étage des lanceurs Saturn IB et Saturn V.

Renaissance du programme lunaire habité : le programme Artemis

Un lanceur lourd développé sous la pression des élus politiques 

La décision du président Obama s'accompagne d'un moratoire de cinq ans sur les développements du lanceur lourd entrepris par la NASA. Un budget de 3 milliards de dollars est toutefois alloué à la NASA pour mettre au point des technologies permettant d'abaisser le coût des systèmes de propulsion. En conséquence, le projet de budget 2011 soumis par la Maison-Blanche au vote du Congrès américain ne prévoit plus aucune ligne budgétaire pour le développement d'un lanceur lourd. Mais l'annulation du programme Constellation conjuguée avec le retrait programmé de la navette spatiale annonce une forte baisse de la charge de travail pour les industriels et les établissements de la NASA particulièrement impliqués dans le programme spatial habité et concentrés dans les États du sud des États-Unis : le centre de vol spatial Marshall dans l'Alabama, le centre spatial Johnson au Texas, le Stennis Space Center dans le Mississippi et le Centre d'assemblage de Michoud en Louisiane. Mettant en avant ce motif, la Chambre des représentants et le Sénat votent avec une large majorité début 2010 un budget de la NASA 2011 amendé imposant le développement d'un lanceur lourd HLV (Heavy Lift Launch Vehicle). Selon les souhaits de ces élus, une première version capable de placer 70 tonnes en orbite basse doit voler dès  et prendre le relais de la navette spatiale américaine. La fusée doit constituer une solution de secours pour le programme spatial habité américain au cas où la réalisation des lanceurs commerciaux financés par la NASA pour desservir la station spatiale internationale dans le cadre du même budget n'aboutissait pas. La réalisation du lanceur lourd est associée à la poursuite du développement du vaisseau Orion (ou Multi-Purpose Crew Vehicle soit MPCV). Les élus demandent également qu'une deuxième version capable de placer 130 tonnes en orbite basse soit développée. L’origine principalement politique du Space Launch System lui vaut le surnom de , qui souligne que le lanceur doit son existence davantage à la création d’emplois dans certains districts politiquement clés du Congrès qu'à la volonté de faire avancer l’exploration de l’espace.

Sélection d'une architecture réutilisant les composants de la navette spatiale 

Pour répondre aux attentes des représentants et des sénateurs américains, la NASA lance une étude destinée à définir les caractéristiques du lanceur lourd demandé. Plusieurs architectures sont évaluées :
 deux des versions étudiées comportent un premier étage propulsé par des moteurs brûlant un mélange kérosène/oxygène ;
 la version retenue est celle qui a recours de la manière la plus systématique à des composants de la navette spatiale (architecture shuttle derived ou SD) : réservoir central, propulseurs d'appoint (toutefois prolongés par un nouveau segment), cinq moteurs de la navette SSME/RS-25, plus performants que le RS-68 utilisé par l'. Cette architecture était préconisée bien avant l'annulation du programme Constellation et du lanceur lourd  par un groupe d'ingénieurs de la NASA et de passionnés sous l'appellation Direct (Jupiter). Cette configuration sans deuxième étage, baptisée , doit permettre de placer  en orbite basse et doit effectuer son premier vol en 2019. La version  se différencie de la précédente par l'ajout d'un deuxième étage, qui doit être propulsé par un unique moteur RS-25 pouvant être rallumé. Elle doit pouvoir placer  en orbite basse et être disponible en 2022. Une version  est prévue pour utiliser des propulseurs d'appoint dont l'enveloppe est en matériau composite (à la place de l'acier), ce qui permettrait de porter la capacité en orbite basse à , et effectuer un premier vol en 2026.

Lancement officiel du développement du SLS 

Le développement du lanceur, baptisé Space Launch System, est rendu officiel par l'administrateur de la NASA Charles F. Bolden le . L'architecture de la version  a été modifiée par ajout d'un étage ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) directement dérivé de l'étage supérieur de la fusée Delta IV. Le premier vol est programmé en . Le Sénat a, entre-temps, imposé que la version  ne soit utilisée que pour les deux premiers vols et que des propulseurs d'appoint améliorés (propulsion liquide ou solide) soient mis en œuvre sur les vols suivants. L'étage supérieur pourrait être l'ICPS ( en orbite basse) ou un étage plus puissant (CPS) qui permettrait de placer jusqu'à  en orbite basse. Cette version, baptisée , doit voler à compter de 2023. Le développement du lanceur, du vaisseau Orion et des équipements au sol se monte à  dont  pour le lanceur.

Développement du lanceur

Début de la construction 

Le , une première évaluation valide le concept du SLS, permettant au projet de passer de la phase de conception à la phase de réalisation. Le , la NASA a effectué le premier test d'un moteur RS-25 sur banc d'essais durant . En , la NASA signe un accord avec l'Agence spatiale européenne pour la fourniture par cette dernière du module de service du vaisseau Orion. Le développement de ce module rencontre rapidement des problèmes techniques et de masse mais l'ESA confirme à chaque fois que celui-ci sera prêt pour fin 2017. Un premier glissement de calendrier intervient fin 2014 : dans l'établissement de Michoud, la construction du VAC (Vertical Assembly Center), un gigantesque équipement qui doit permettre d'assembler les différents composants du premier étage, doit être complètement reprise car les fondations ont bougé sous le poids de cet ensemble. La nouvelle date du premier vol est fixée en . Le premier vaisseau Orion, sans son module de service, est lancé par une fusée Delta IV Heavy et effectue le  un vol sans équipage de quatre heures et demi couronné de succès. L'ESA annonce qu'elle ne pourra livrer le module de service comme prévu fin 2017. En , les spécifications du lanceur sont figées et validées dans le cadre d'une revue des spécifications (Critical Design Review ou CDS). La revue a permis de valider la capacité respective des versions  (),  () et  (). Le premier étage des trois versions doit être identique. La version  se différencie du  par son deuxième étage : l'EUS, propulsé par quatre RL10-C2 et aux caractéristiques proches du Large Upper Stage proposé par Boeing, remplace l'ICPS. La version  est une version améliorée du  qui utilise des propulseurs d'appoint plus performants (ergols liquides ou propergol solide avec enveloppe en composite carbone). La fabrication des premiers éléments du lanceur peut être lancée. Le prochain jalon est la certification des spécifications du lanceur avant son vol inaugural qui est programmée en 2017 avant le premier vol programmé en 2018.

Le propulseur d'appoint est testé à plusieurs reprises avec un dernier test le . Les installations de la plateforme de lancement mobile ML-1 et du pas de tir 39B, qui ont été modifiées pour permettre le lancement du SLS sont testés pour la première fois en .

Remise en question de la version  et de l'étage  

Il était prévu en 2016 que la version Bloc 1 du lanceur ne soit utilisée que pour le premier vol et que la version , beaucoup plus puissante et caractérisée par son nouvel étage EUS, soit utilisée pour les vols suivants. Mais le développement de l'étage EUS équipant la version  accumule les retards car Boeing, qui le construit mais est également chargé du premier étage, donne la priorité au développement de ce dernier qui rencontre de nombreuses difficultés. Le président Trump lance début 2019 le programme Artemis qui doit ramener des astronautes américains sur la Lune. La version , qui répondait uniquement à des objectifs fixés par le Congrès américain, n'est pas nécessaire pour remplir cet objectif car le lancement du module lunaire HLS doit être confié à des lanceurs commerciaux. Aussi, le budget alloué à l'étage EUS en 2019 est divisé par deux, passant de 300 à . Prenant en compte le retard pris dans le développement de l'Exploration Upper Stage (EUS), la NASA décide début 2018 d'utiliser la version  également pour le deuxième et troisième vol avec équipage ainsi que pour la version cargo qui doit lancer la sonde spatiale Europa Clipper. Pour cette dernière, les performances réduites du  par rapport au  ravivent le débat concernant l'utilisation alternative du lanceur Falcon Heavy dont le coût est annoncé de 100 millions €. Malgré le souhait de la Maison-Blanche de mettre un terme au développement de l'EUS, la NASA demande à Boeing de poursuivre ses travaux : la conception de l'étage EUS, qui avait été dimensionnée pour recevoir à terme un moteur J-2X, est optimisée en 2019 dans sa configuration à quatre moteurs RL-10, ce qui permet d'accroître ses performances. Le président Trump propose un budget 2020 interrompant le développement de l'étage EUS ainsi que tous les travaux associés (plateforme de lancement mobile ML-2) en confiant à des lanceurs commerciaux les vols du programme Artemis qui étaient envisagés pour le . Mais le Sénat s'oppose à cette décision et rétablit dans le budget 2020 les fonds consacrés à l'EUS. La Maison-Blanche propose de nouveau un budget 2021 annulant l'EUS.

Critiques du projet SLS 

Lorsque le Congrès américain avait pris la décision en 2010 de lancer le développement de la fusée géante SLS, l'offre des lanceurs commerciaux était encore balbutiante. La société SpaceX venait tout juste de réussir le premier vol de sa fusée  après les débuts calamiteux de son lanceur léger . La confiance qu'on pouvait accorder aux sociétés privées pour la desserte de la Station spatiale internationale était l'objet d'intenses débats parmi le personnel politique concerné. En 2018 la donne a changé. Les sociétés privées ont largement fait leurs preuves et SpaceX met à disposition un lanceur lourd, la Falcon Heavy (60 tonnes en orbite basse pour la version non réutilisable), pour un prix sans commune mesure avec celui du SLS (environ  contre environ ). La NASA défend désormais le projet du SLS en mettant en avant sa capacité (nettement supérieure à celle des lanceurs existants), qui, selon l'agence spatiale, est nécessaire pour les projets lunaires et martiens. Le maintien du SLS est largement lié à celui de plusieurs milliers d'emplois, en particulier dans le sud des États-Unis dans les États d'Alabama, du Mississippi, de Louisiane et de Floride. 

En raison des retards et des dépassements de budget importants ainsi que du coût d'exploitation attendu non compétitif avec les alternatives disponibles ou attendues sur le marché des lanceurs, le , Jim Bridenstine annonce devant le Comité sénatorial américain du commerce, des sciences et des transports, que la NASA envisage désormais le recours à des lanceurs commerciaux pour le lancement de la capsule Orion ainsi que pour la construction de la Lunar Orbital Platform-Gateway. En , le président Donald Trump propose une réduction du budget global de la NASA 2020 de 2 %. Le plan prévoit l'annulation du développement des versions les plus puissantes du SLS ( et 2) réduisant l'intérêt de poursuivre le développement du SLS. Mais le Congrès américain s'oppose à ce projet et décide au contraire de porter le budget de la NASA à  de dollars, soit une hausse de  par rapport à 2019. La ligne budgétaire consacrée au projet SLS est quant à elle augmentée de  de dollars.

Adaptation des installations de lancement 

Pour lancer la fusée SLS, la NASA adapte les installations du complexe de lancement 39 au centre spatial Kennedy (Floride) qui avaient été utilisées auparavant par la Navette spatiale américaine. Le lanceur géant doit être assemblé dans l'immense bâtiment du VAB sur une plateforme de lancement mobile qui doit ensuite être transportée par le crawler jusqu'au . Tous ces équipements doivent être modifiés pour tenir compte des caractéristiques propres au SLS.

À la suite du lancement du projet SLS, la NASA décide d'adapter la plateforme de lancement mobile ML-1 qui avait déjà été modifiée pour le lanceur Ares I. Cette décision est prise après avoir évalué deux autres options : la construction d'une plateforme de lancement entièrement nouvelle et l'adaptation d'une plateforme restée au standard de la navette spatiale américaine. Le chantier est lancé en 2011. Les caractéristiques très différentes de l' et du SLS  imposent de nombreuses modifications notamment des bras mobiles de la tour ombilicale et des ouvertures de la plateforme permettant aux gaz des moteurs de s'échapper. Le coût, évalué en 2014 à environ , dépasse finalement les  et la livraison prend trois ans de retard à la suite d'erreurs de conception et d'une mauvaise gestion des sous-traitants. Ces modifications qui s'achèvent en 2020 ne permettent de lancer que la version  du SLS. La version  du lanceur, plus haute, nécessite de nouvelles adaptations. Il faut  pour faire passer la plateforme du standard  à . Pour ne pas introduire de nouvelles contraintes dans le calendrier de lancement, la NASA décide en 2018  de construire une deuxième plateforme de lancement mobile (ML-2), conçue pour le lanceur SLS . Le coût des travaux, qui débutent en , est évalué à .

Fabrication du premier exemplaire du lanceur 

Les propulseurs d'appoint du premier exemplaire du SLS arrivent par voie ferrée à la gare de Titusville et sont transférés au centre spatial Kennedy mi . Les segments arrière sont assemblés dans le bâtiment RPSF (Rotation, Processing and Surge Facility) avec leur jupe et leur tuyère. Ils doivent être transférés dans le VAB et assemblés avec le premier étage sur la plateforme de lancement mobile  modifiée pour le nouveau lanceur. Le premier étage, après avoir subi différents tests pour s'assurer de la résistance de la structure, est installé sur le banc d'essais B-2 du centre spatial Stennis pour un test de fonctionnement prévu le . Le programme initial consiste à vérifier le fonctionnement simultané des moteurs durant huit minutes, correspondant à leur temps d'activité pour amener la fusée dans l'espace, mais le test est arrêté de manière prématurée après un peu plus d'une minute de fonctionnement. Une deuxième campagne de test est réalisée sur le banc d'essais en mars 2021 avec une mise à feu d'une durée de 500 secondes dont les résultats sont jugés concluants par les ingénieurs.

La NASA décide en juillet 2021 de renoncer au lanceur SLS pour la mise en orbite de la sonde spatiale Europa Clipper, pour des raisons sans aucun doute liées au coût et au retard pris dans le développement de la fusée. L'agence spatiale n'a jusque là pas été autorisée par le Congrès américain à envisager un autre lanceur. Mais courant 2021, le Congrès lève son veto et la NASA sélectionne le lanceur Falcon Heavy de SpaceX dans le cadre d'un contrat de . Le choix d'un lanceur moins puissant impose de renoncer à une trajectoire directe vers Jupiter, destination de la sonde spatiale, et nécessite le recours à l'assistance gravitationnelle de la Terre et de Mars, ce qui rallonge la durée du transit de deux ans. Pour le SLS, c'est un échec grave dans la mesure où cela remet en cause en partie son utilité, d'autant que le coût des lancements Artemis est de nouveau revu à la hausse. L'inspection générale de la NASA évalue désormais le coût d'une mission Artemis à  dont  pour le seul lanceur. Les autres postes de coût sont les équipements et infrastructures () et le vaisseau Orion ( dont  pour le module de service développé en Europe).

Assemblage, tests et répétition des opérations de lancement (juin 2021-) 

En juillet 2021, l'assemblage du premier exemplaire du lanceur SLS débute dans la baie 3 du bâtiment VAB du centre spatial Kennedy. Le premier étage et les propulseurs d'appoint sont installés sur la plateforme de lancement mobile puis un mois plus tard le deuxième étage ICPS. Débutent alors les tests d'intégration de la fusée qui s'achèvent en septembre. En octobre, le vaisseau Orion est installé au sommet du lanceur et une deuxième séquence de test d'intégration s'achève en mars 2022. La plateforme de lancement mobile supportant la fusée est alors déplacée jusqu'au pas de tir 39B d'où la mission  doit être lancée. Débute alors la répétition des opérations de lancement. Durant ces tests qui comprennent le remplissage des réservoirs de la fusée et la simulation d'un compte à rebours, plusieurs anomalies sont mises en évidence dont notamment une fuite dans une des conduites alimentant les réservoirs ainsi qu'une valve bloquée. La correction de ces problèmes nécessite que le lanceur soit rapatrié dans le VAB, ce qui remet en cause la date du lancement d programmé en . Toutefois les réparations sont effectuées rapidement et la fusée est de retour sur le pas de tir début . Une répétition du lancement est menée presque jusqu'à son terme le  avec quelques anomalies mineures. Le lanceur doit réintégrer le VAB pour la correction des dernières anomalies constatées et la préparation du lancement qui pourrait intervenir à compter de fin août.

Les deux premières tentatives de lancement du SLS les 29 août et  sont infructueuses, en raison de problèmes techniques de valves et de fuites. La prochaine fenêtre de lancement retenue par la NASA s’étend du 23 au .

Le lanceur décolle le 16 novembre 2022 dans le cadre de la mission Artemis I.

Configurations 

Quatre versions du lanceur ont été étudiées, dont trois ont été retenues : le  (annulé) puis les Blocs I, IB et II. Les trois versions retenues comportent deux étages cryotechniques (oxygène/hydrogène) et deux propulseurs d'appoint à propergol solide. Courant 2020 seule la version  est en développement :

Bloc I 

Le bloc I est la version qui sera utilisée pour lancer les missions Artemis I, II et III. Elle utilise un deuxième étage ICPS relativement peu puissant directement dérivé de l'étage supérieur du lanceur Delta IV et propulsé par un unique moteur RL-10 B2 ou C2. Cette version permet d'injecter une masse supérieure à  sur une trajectoire de transfert vers la Lune.

Bloc IB 

La version bloc IB, caractérisée par un un étage supérieur EUS plus puissant, devrait effectuer son premier vol vers 2025 si elle est financée, ce qui n'était pas le cas courant 2020. Cette version se caractérise par un deuxième étage, l (EUS), entièrement nouveau qui équipe également le  du SLS. Cet étage est propulsé par quatre RL-10C3. Cette version du moteur se distingue de la précédente au niveau de la partie basse de la tuyère qui prolonge la partie haute solidaire de la chambre de combustion. Sur la version C3, cette partie basse comprend deux parties en composite carbone et est fixe alors que sur la version B2, elle est composée de trois parties et est déployée en orbite après séparation du premier étage du lanceur. La partie haute de la tuyère du C3 est refroidie par circulation d'ergols tandis que la partie basse utilise le refroidissement radiatif. Dans cette version, le lanceur peut injecter une masse de  sur une trajectoire de transfert vers la Lune. Son développement dépend du financement de l'étage EUS toujours en suspens en . D'une masse de  et d'une hauteur de , cette version est comparable au lanceur Saturn V (respectivement  et ). Sa capacité de mise en orbite basse est de , proche du record de  de . Le diamètre du corps central est de .

Bloc 2 

La version Bloc 2, capable de placer 130 tonnes en orbite basse se différencie du bloc IB par ses propulseurs d'appoint. Ceux-ci seraient soit des propulseurs à propergol solide utilisant une enveloppe en matériau composite (carbone) beaucoup plus légère que l'acier employé jusque là, soit des moteurs à ergols liquides beaucoup plus performants qui permettent de faire passer la charge utile de plus de  sur une trajectoire de transfert vers la Lune, proche des  de . Cette version demandée par les sénateurs et les représentants au lancement du projet n'est pas financée et le premier vol ne devrait pas intervenir avant 2030. 

Pour chacune de ces trois versions d'abord conçues pour lancer le vaisseau Orion, il est prévu une version cargo ayant une capacité légèrement supérieure.

Utilisation

Mission avec équipage 

Le SLS est d'abord conçu pour placer le nouveau vaisseau spatial Orion, sans équipage à bord, sur une trajectoire lui permettant d'atteindre la Lune. C'est l'objectif de son premier vol  en 2022. Ce vaisseau devrait permettre des missions habitées vers la Lune, des astéroïdes et à terme doit lancer les différents modules permettant une mission habitée sur le sol martien.

Version cargo 

Le lanceur SLS pourrait également servir au lancement de missions lourdes d'exploration du système solaire, en particulier les missions vers les planètes externes qui nécessitent avec les lanceurs existants de nombreuses manœuvres d'assistance gravitationnelle qui rallongent d'autant la durée du transit. Son utilisation est fortement envisagée pour la mission Europa Clipper, une sonde spatiale de six tonnes à destination d'Europe satellite de Jupiter. Le recours au SLS permet d'adopter une trajectoire directe et de raccourcir ainsi de trois ans la durée du transit vers Europe. Toutefois ce choix s'accompagne d'un surcoût important. Alors que le lancement par une fusée commerciale (Delta IV Heavy ou Falcon Heavy) coûterait au plus , le recours à la fusée SLS est évalué à  par les officiels de la NASA ou à deux milliards US$ par les représentants de la Maison-Blanche qui incluent les coûts fixes induits par la nécessité pour Boeing de redimensionner ses installations pour produire la fusée pour un vol qui est prévu en 2023/2024. Toutefois, ce choix est poussé par le Congrès américain sans que les scientifiques et les ingénieurs de la NASA ne soient consultés.

Caractéristiques techniques de la version Bloc 1 du SLS 

La version Bloc I du lanceur SLS, qui est la seule développée courant 2020, comporte un premier étage cryotechnique propulsé par quatre moteurs RS-25D/E dérivés des moteurs SSME de la navette (RS-24) et brûlant un mélange hydrogène/oxygène, deux propulseurs d'appoint à propergol solide qui fournissent 75 % de la poussée au décollage et un deuxième étage ICPS, également cryotechnique, qui est propulsé par un moteur RL-10 B2. Cette version du SLS a une masse au décollage de  et est haut de . La poussée au décollage est de  (environ . Le lanceur peut placer sur une orbite basse de  une charge utile de  et sur une orbite de  .

Premier étage  

Le premier étage (), s'il reprend le diamètre et le revêtement extérieur du réservoir externe de la navette spatiale américaine, est entièrement nouveau contrairement aux autres composants du lanceur. C'est le plus gros étage jamais construit depuis le début de l'ère spatiale. Il a une longueur de  pour un diamètre de . Sa masse à vide est de  et, avec le plein d'ergols, de . Les deux réservoirs de l'étage peuvent contenir  d'hydrogène et d'oxygène liquide. Cet étage comprend cinq sous-ensembles : de bas en haut, la section sur laquelle sont fixés les moteurs-fusées qui contient également une partie de l'avionique de l'étage et sert de point d'attache inférieur aux propulseurs d'appoint, le réservoir d'hydrogène de  de long et d'un volume de , un anneau inter-réservoirs avec également de l'avionique et le point d'attache supérieur des propulseurs d'appoint, le réservoir d'oxygène de  et enfin la jupe avant dans laquelle se trouve également une partie de l'avionique et les ordinateurs de vol. Le corps central est construit par Boeing.

Propulsion 
 
L'étage est propulsé par quatre moteurs  (« E » pour «  », signifiant « jetable »). Ces moteurs sont fournis par la société Aerojet Rocketdyne. Le RS-25 D/E est une version légèrement modernisée des moteurs SSME de la navette spatiale américaine. Le moteur est particulièrement performant car il brûle un mélange d'oxygène et d'hydrogène liquide et il utilise un cycle d'alimentation à combustion étagée. Par rapport à la version utilisée par la navette spatiale, il dispose d'un nouveau contrôleur, une meilleure isolation de la tuyère et une augmentation de la poussée qui atteint 109 % de la poussée nominale contre 104,5 % auparavant. La poussée est de  au niveau de la mer  dans le vide, soit respectivement de  et . Contrairement à ceux de la navette spatiale, ils ne sont pas réutilisables, ce qui a permis de réduire leur poids et de diminuer leur coût. L'impulsion spécifique, moins performante que dans la version d'origine, est de  au niveau de la mer et de  dans le vide. Chaque moteur a une masse de , est haut de  pour un diamètre de . La tuyère a un rapport de section de 69 qui est typique des moteurs-fusées devant fonctionner à basse altitude. Les lanceurs SLS doivent utiliser  déjà utilisés par la navette spatiale et qui ont été stockés depuis l'arrêt de celle-ci. Ainsi le lanceur de la mission  utilise quatre moteurs qui ont tous volé plusieurs fois, le plus ancien ayant effectué son premier vol en 1998 et ayant effectué en tout . Pour pouvoir mener à bien le programme Artemis compte tenu que les moteurs du SLS ne seront pas réutilisables, la chaine de fabrication a été relancée, dans le cadre d'un contrat de  passé en , pour produire  dont le coût de fabrication devrait être 30 % plus faible et qui devraient être légèrement plus puissants. 

Le premier étage est construit par Boeing dans le centre d'assemblage de Michoud et reprend la couleur orange du réservoir externe de la navette spatiale américaine (il s'agit de la couleur de la mousse isolante, l'absence de peinture permet à la NASA de réduire le poids de l'étage et de réaliser des économies). Cet étage est commun aux différentes versions du SLS.

Propulseurs d'appoint 

Le lanceur utilise deux propulseurs d'appoint à propergol solide RSRMV qui fournissent 80 % de la poussée totale au décollage. Ces propulseurs dérivent des propulseurs d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine (SRB). Ils sont toutefois plus longs (la poussée est supérieure de 20 %) grâce à l'ajout d'un segment. Les autres modifications portent sur la suppression du système de récupération (suppression du parachute situé dans la pointe avant), l'agrandissement de la tuyère, l'amélioration du système hydraulique d'inclinaison de la tuyère et la modification du point d'attache inférieur au corps du lanceur. La plupart de ces modifications ont été implémentées pour la mise au point du lanceur Ares V. Chaque propulseur d'appoint a une longueur de  pour un diamètre de . Sa masse au lancement est de  pour une masse à vide de . La poussée au décollage est de  au sol, ce qui pour les deux propulseurs représente une poussée totale de . La durée de combustion est de . Chaque propulseur d'appoint est composé de cinq segments dont trois segments centraux, le segment supérieur de forme aérodynamique dans lequel est logé le système de mise à feu et les systèmes électroniques et un segment inférieur qui comprend la tuyère qui peut être inclinée de cinq degrés grâce à des vérins hydrauliques. Ces derniers s'appuient sur une jupe prolongeant le propulseur d'appoint. Le propulseur d'appoint est constitué d'une enveloppe en acier dans lequel a été coulé un bloc de poudre (un mélange constitué principalement d'aluminium et d'oxydant) dont l'axe central est évidé. La mise à feu est déclenchée par un petit bloc de propergol solide, lui-même allumé par une charge pyrotechnique, qui produit une longue flamme. Celle-ci déclenche la combustion du bloc de poudre tout au long de l'orifice central. Contrairement à un moteur à ergols liquides, la poussée d'un moteur à propergol solide ne peut pas être modulée en réduisant directement la quantité d'ergols brûlés. On y parvient toutefois en donnant une géométrie particulière à l'orifice central. La poussée maximale est nécessaire au décollage mais elle doit être réduite par la suite pour que l'accélération ne devienne pas trop forte au fur et à mesure de l'allègement de la fusée. Pour y parvenir, l'orifice central du bloc de poudre des deux segments d'extrémité a une section en étoile : la surface brûlant au début est bien supérieure que dans les segments centraux à l'orifice cylindrique mais diminue rapidement. Les propulseurs d'appoint du lanceur SLS sont produits par Northrop Grumman dans son usine située au nord de Salt Lake City dans l'Utah puis convoyés par voie ferrée jusqu'au centre spatial Kennedy en Floride pour y être assemblés entre eux puis avec le lanceur. Il était envisagé de les remplacer par des propulseurs d'appoint à ergols liquides, afin d'améliorer la poussée produite.

Étage supérieur : l'ICPS 

La version Bloc 1 utilise l'étage ICPS ( en français « Étage de Propulsion Cryogénique Provisoire »), dérivé du second étage du lanceur Delta IV. Long de  pour un diamètre de , l'ICPS a une masse à vide de  et de  une fois les ergols chargés. Il est propulsé par un moteur-fusée à ergols liquides RL-10B2 unique de  de poussée développé par la société Aerojet et brûlant un mélange d'hydrogène liquide et d'oxygène liquide. L'étage est fabriqué par ULA (le constructeur de la fusée ) dans son usine de Decatur dans l'Alabama. L'IPSC est en fait une version légèrement modifiée de l'étage utilisée par la . Le réservoir d'hydrogène est rallongé de , un deuxième réservoir d'hydrazine (utilisé par les moteurs de contrôle d'attitude) a été ajouté et le système de navigation a été modifié. Un système de purge utilisant de l'hélium a été ajouté au moteur RL-10 pour le redémarrage du moteur en vol.

Une structure conique haute de  et d'une masse de , le LVSA (Launch Vehicle Stage Adapter), relie le premier étage à l'ICPS. La forme conique permet de rattraper la différence de diamètre entre le premier étage () et l'ICPS (). Le LVSA entoure la longue tuyère du moteur-fusée RL-10 et le réservoir d'oxygène de l'étage (partie inférieure de l'étage ICPS). Une partie de l'avionique du premier étage y est fixée sur sa paroi interne. Le LVSA est constitué de panneaux d'aluminium soudés entre eux encadré par deux anneaux dans le même matériau. Comme le premier étage, la structure est recouverte à l'extérieur d'une couche d'isolant thermique orange qui la préserve de l'échauffement découlant du frottement de l'atmosphère que la fusée traverse à grande vitesse. Lors de la séparation du second et du premier étage, cette structure reste solidaire de ce dernier et est donc larguée. Le LVSA est fabriqué par Teledyne Brown Engineering.

Charge utile : le vaisseau Orion 

 

Le lanceur SLS est d'abord conçu pour lancer le vaisseau spatial lourd Orion qui doit transporter des équipages sur une trajectoire lunaire voire interplanétaire. Le vaisseau est composé d'un module de commande où se tient l'équipage et d'un module de service qui regroupe les équipements servant de support : propulsion, production d'énergie, une partie du système de support de vie. Le vaisseau est complétement encapsulé d'une part par la tour de sauvetage qui le coiffe, chargée d'arracher la capsule au lanceur pour préserver l'équipage en cas de défaillance de la fusée durant les premières minutes de vol, et d'autre part (au niveau du module de service) par des panneaux qui sont largués après avoir franchi les couches épaisses de l'atmosphère. Un adaptateur légèrement conique haut de  et fabriqué par le centre de vol spatial Marshall relie Orion à l'étage supérieur ICPS. L'ensemble a une masse de  dont  pour le vaisseau,  pour la tour de sauvetage et  pour l'adaptateur et les panneaux. Le module de commande qui contient l'équipage est fabriqué par Lockheed Martin dans l'établissement de la NASA de Michoud. Le module de service est quant à lui fourni par l'Agence spatiale européenne et dérive du véhicule automatique de transfert européen, le véhicule de ravitaillement autonome de la Station spatiale internationale. 

L'énergie est produite par des panneaux solaires rectangulaires déjà utilisés sur l'ATV qui remplacent les panneaux circulaires envisagés initialement par la NASA et Lockheed Martin.

Tour de sauvetage 

La tour de sauvetage est un équipement aux caractéristiques bien maîtrisées puisqu'il a été utilisé par les vaisseaux Mercury, Apollo et qu'il est toujours employé sur les vaisseaux russes Soyouz. La tour de sauvetage du vaisseau Orion a été développée et mise au point comme le vaisseau Orion dans le cadre du programme Constellation. Elle prend la forme d'un long cylindre fixé par une jupe au sommet de la capsule Orion. Ce cylindre abrite un système de propulsion à propergol solide chargé d'arracher la capsule au lanceur et de l'en éloigner en cas de défaillance de celui-ci. Une poussée de  est exercée durant trois secondes et éloigne le vaisseau Orion de la fusée à une vitesse de  en imposant une accélération maximale d’environ . L'ensemble formé par la capsule et la tour de sauvetage est instable et durant le fonctionnement du système propulsif, huit petits générateurs de gaz sont utilisés en permanence pour maintenir son orientation. Le dispositif est conçu pour pouvoir être utilisé alors que la fusée est encore au sol : la tour de sauvetage élève la capsule de plus de deux kilomètres avant que celle-ci ne retombe, ce qui laisse le temps aux parachutes de se déployer et de permettre un atterrissage en douceur. Lorsque le vol se déroule normalement, la tour de sauvetage est larguée dès que la fusée se trouve au-dessus de la couche atmosphérique épaisse soit  et  après le décollage.

Installations de lancement 

Le lanceur SLS doit décoller du pas de tir 39B utilisé autrefois par la navette spatiale américaine. Il s'agit d'un des deux pas de tir du complexe de lancement 39 situé au centre spatial Kennedy en Floride. La fusée est assemblée dans le bâtiment VAB sur sa plateforme de lancement mobile de lancement puis transportée jusqu'au pas de tir par le transporteur à chenilles.

Le bâtiment d'assemblage (VAB) 

Le lanceur Space Launch System est assemblé dans le VAB (Vehicle Assembly Building) à partir des éléments qui sont transférés par rail ou voie maritime (premier étage). Il est bordé par un canal qui permet à des navires d'accéder à la mer. Le VAB est l'un des plus grands bâtiments existant au monde : haut de , il fait  de long sur  de large. Il comprend deux bâtiments de hauteurs inégales accolés l'un à l'autre. La partie la plus haute est compartimentée en quatre sous-ensembles (les baies d'assemblage) dotés chacun d'une porte extérieure haute de  permettant de faire passer la fusée assemblée sur sa plateforme de lancement mobile. Chaque baie comprend plusieurs ponts roulants, dont certains ont une capacité de levage de , et onze plateformes rétractables permettant d'accéder au lanceur à différentes hauteurs (la plateforme A située à  de haut au-dessus du sol permet d'intervenir sur le vaisseau Orion tandis que la plateforme K située à  de haut permet d'accéder à la partie basse des accélérateurs d'appoint. Le SLS est assemblé dans la baie .

Le centre de contrôle 

Le centre de contrôle (Launch Control Center LCC) abrite les installations qui permettent d'effectuer les répétitions des lancements et de contrôler le lancement effectif. Il est abrité dans un grand bâtiment ( de long pour  de large) de quatre étages situé à l'angle sud-est du bâtiment d'assemblage des lanceurs (le VAB). Il contient les installations électroniques et informatiques qui permettent de contrôler le fonctionnement du lanceur au sol et en vol. Au troisième étage se trouvent quatre salles de contrôles de tir qui permettent chacune de suivre les opérations de préparation et de lancement d'une fusée. Chaque salle contient un ensemble d'équipements permettant aux opérateurs de contrôler et suivre les opérations : le Checkout, Control and Monitor Subsystem (CCMS). Le bâtiment contient également des bureaux et des salles de conférences.

La plateforme de lancement mobile 

 

La plateforme de lancement mobile (Mobile Launcher Platform MLP) est une structure métallique à deux étages sur laquelle le lanceur est assemblé dans le bâtiment VAB, puis transporté jusqu'à la zone de lancement, et enfin lancé. La plateforme est évidée à trois endroits situés sous les moteurs du premier étage du lanceur et sous les deux propulseurs à poudre pour laisser passer les flammes et les gaz chauds expulsés par les moteurs au décollage. La plateforme est haute de  et fait  de long pour  de large. Elle pèse  à vide. Lorsqu'elle est située sur l'aire de lancement ou dans le VAB, elle repose sur six pieds métalliques haut de sept mètres. La table de lancement comprend une tour ombilicale haute de 105 mètres. Celle-ci comporte tous les  une plateforme qui permet aux techniciens d'intervenir sur la fusée. Une passerelle est conçue pour que les techniciens et l'équipage puisse pénétrer dans le vaisseau Orion. Des fourreaux contenant des câbles acheminant l'électricité et des données informatiques passent par la plateforme puis le mât ombilical pour aboutir à trois niveaux de la fusée (étage ICPS, partie supérieure du premier étage, jupe inter-réservoirs du premier étage). Par ailleurs, des bras, chargés de stabiliser le lanceur, se fixent au sommet du premier étage. Ces liaisons sont montées sur des mécanismes qui, en pivotant, les écartent du corps de la fusée immédiatement avant le décollage. Celle-ci est solidement arrimée à la plateforme par huit mâchoires métalliques qui saisissent la base des propulseurs d'appoint et sur lesquelles reposent tout le poids de la fusée.

Une fois le lanceur SLS assemblée et testé, la plateforme de lancement surmontée du lanceur est transférée à l'aide d'un transporteur à chenilles depuis le VAB jusqu'au site de lancement via une route longue de , le Crawlerway. Ce dernier ainsi que le transporteur ont été renforcés pour supporter la charge du SLS et du mât de service (Mobile Launcher) dont la masse est nettement supérieure à celle de la navette spatiale américaine (la masse supportée par le transporteur passe de  à ).

Le pas de tir 

Le pas de tir 39B, qui était autrefois utilisé pour les lancements de la navette spatiale américaine, a été en partie modifié et en partie rénové pour accueillir les tirs de SLS. C'est le seul pas de tir pouvant prendre en charge le nouveau lanceur. La plateforme de services fixe a été supprimée car celle-ci est remplacée par la tour ombilicale placée directement sur la plateforme de lancement mobile. Désormais les seules installations fixes émergeant au-dessus du pas de tir sont les trois paratonnerres hauts de  reliés par des câbles métalliques qui encadrent le lanceur durant son tir ainsi qu'un château d'eau. Les , énormes fosses longues de  placées sous la plateforme dans lesquels les gaz des moteurs sont expulsés au décollage, ont été modernisés et renforcés. Au fond de ceux-ci, un nouveau déflecteur de flammes métallique capable de supporter une température de  a été installé. La rénovation a également concerné le système de déluge, qui en noyant les orifices de la plateforme et les carneaux sous des tonnes d'eau, permet de réduire les vibrations engendrées par l'allumage des moteurs. Un réservoir pouvant contenir  de litres d'hydrogène liquide est construit à la périphérie du pas de tir, mais il ne sera pas prêt pour la mission Artemis I.

Déroulement d'un lancement 

Les réservoirs d'hydrogène et d'oxygène du premier étage et de l'étage ICPS sont remplis plusieurs heures avant le décollage. Les deux ergols sont transférés depuis des réservoirs sphériques situés en bordure du pas de tir (au nord-ouest pour l'oxygène, au nord-est pour l'hydrogène). Les canalisations qui alimentent le lanceur se connectent à la base de la fusée pour le remplissage du premier étage via les TSMU (Tail Service Mast Umbilicals) et passent par un des bras de la tour ombilicale pour l'étage ICPS. Des capteurs à l'intérieur des réservoirs de la fusée permettent de déterminer le niveau de remplissage et d'adapter la vitesse d'alimentation.

Environ six secondes avant le lancement, un système de déluge inonde d'eau le pas de tir pour limiter les vibrations et protéger de la chaleur certains équipements. Plusieurs HBOI (Hydrogen Burn-Off Igniters) placés à proximité de la sortie des tuyères du premier étage génèrent des étincelles destinées à brûler l'hydrogène en excès qui sort des moteurs-fusées du premier étage. Ceux-ci sont allumés en premier. Une fois que les ordinateurs ont vérifié qu'ils ont atteint leur puissance nominale, les propulseurs d'appoint sont à leur tour mis à feu (une fois ceux-ci allumés, ils ne peuvent plus être arrêtés). Au décollage, ils fournissent 75 % de la poussée.

Le lanceur place le vaisseau Orion sur une orbite terrestre basse huit minutes et demi après le décollage. Les deux propulseurs d'appoint retombent dans l'Océan Atlantique tandis que le premier étage retombe dans l'Océan Pacifique. Aucun de ces composants n'est récupéré. Deux heures après le décollage, l'étage supérieur est rallumé à deux reprises pour placer le vaisseau Orion sur une orbite de transit vers la Lune puis il est largué.

Missions programmées 

Le lanceur SLS joue un rôle clé dans la réalisation du programme Artemis d'exploration habitée de la Lune car il sera chargé de placer le vaisseau Orion emportant l'équipage sur l'orbite lunaire. Par contre, bien que permettant des gains importants sur le temps de transit, il n'a pas été retenu pour le lancement de missions spatiales lourdes à destination des planètes externes comme Europa Clipper du fait de son coût et des incertitudes concernant sa disponibilité.

Vol inaugural Artemis I 

Pour son premier vol, la mission Artemis I du programme Artemis, le lanceur SLS doit emporter le vaisseau spatial Orion. L'objectif de cette mission est de tester le fonctionnement en vol du lanceur et de valider toutes les configurations du vaisseau Orion, ce dernier n'embarquant toutefois pas d'équipage mais des mannequins. Elle doit en outre permettre de démontrer la capacité à envoyer des êtres humains jusqu'à la Lune et à les faire revenir sur Terre. La NASA entend se réapproprier les technologies et techniques développées à l'époque dApollo mais restées inutilisées depuis cinquante ans. Au cours de cette mission d'une durée comprise entre 26 et , toutes les étapes d'une mission Artemis avec équipage seront exécutées : injection du vaisseau Orion sur une trajectoire de transit vers la Lune, insertion en orbite autour de celle-ci, modification de l'orbite, injection sur une orbite de retour vers la Terre, rentrée atmosphérique à grande vitesse du vaisseau Orion et amerrissage dans le Pacifique au large de San Diego. Le lanceur emporte également une dizaine de nano-satellites de type CubeSat (charge utile secondaire) qui seront placés sur une orbite lunaire. 

La première fenêtre de lancement permettant d'atteindre la Lune s'est ouverte le  à  et a duré deux heures. Deux autres fenêtres de lancement se sont ouvertes les jours suivants, les 2 et . Passé cette date, le SLS doit réintégrer le VAB car les fenêtres de lancement suivantes se situent entre le  et le  ainsi qu'entre les 17 et . À la suite d'un problème rencontré sur un des moteurs du premier étage, le lancement est reporté une première fois au  suivant, puis au 23 et au . L'ouragan Ian entraine un nouveau report, au 14 puis au . Le SLS s'envole finalement le  à  (heure UTC), avec quelques minutes de retard sur l'heure prévue.

Comparaison avec les autres lanceurs lourds/super lourds existants ou en cours de développement

Notes et références

Notes

Références

Bibliographie 
  
 
  
  
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Voir aussi

Articles connexes 
 Lunar Orbital Platform-Gateway (projet de station orbitale lunaire)
 Orion (vaisseau spatial à l'étude, en vue du programme Artemis)
 Programme Artemis (projet de vols habités vers et sur la Lune à partir de 2022)
 Artemis I (première mission spatiale mettant en œuvre le lanceur ; sans équipage, réalisée fin 2022)
 Artemis II (envoi d'un équipage autour de la Lune, prévu pour 2024)
 Artemis III (envoi d'un équipage sur la Lune, prévu pour 2025)
 Artemis IV (envoi d'un équipage à la future station orbitale lunaire Gateway, planifié pour 2027)
 RS-25 (moteurs principaux de la navette spatiale)
 RL-10 (moteur-fusée à ergols liquides)
 Propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine
 Ares V (autre lanceur américain projeté dans le cadre du programme Artemis)
 Longue Marche 9 (lanceur à l'étude en Chine et de capacité comparable à SLS)

Liens externes 
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Lanceur spatial des États-Unis
Programme Orion
Programme Artemis
Lanceur super lourd