Boeing CST-100 Starliner

Après le retrait de la navette spatiale américaine, effectif depuis juillet 2011, la NASA ne dispose plus de moyens de transport pour amener ses astronautes à la Station spatiale internationale. Elle doit recourir aux Soyouz russes. Lorsque la décision de retirer la navette spatiale est prise en 2004, la NASA prévoie que le véhicule spatial Orion, développé dans le cadre du programme Constellation, la remplace pour assurer le transport des astronautes. Le développement du véhicule Orion est complexe car celui-ci doit être utilisé à la fois pour desservir l'orbite terrestre basse et pour emporter son équipage jusqu'à la Lune et éventuellement au-delà. Chaque mission de ce véhicule est également très coûteuse, car il est conçu pour l'espace lointain[1].

Les retards accumulés par ce projet décident la NASA à lancer le développement par l'industrie privée de véhicules chargés exclusivement du transport en orbite terrestre basse des astronautes. Le programme Commercial Orbital Transportation Services (COTS), mis sur pied en 2006, vise à confier à des candidats choisis à la fois pour le transport de fret et celui des astronautes (option D). Les deux candidats sélectionnés pour le programme COTS se sont concentrés sur le développement du véhicule cargo qui constitue le besoin prioritaire. La NASA lance le programme Commercial Crew Development ou CCDev (en français : Développement commercial pour équipage) pour sélectionner de nouvelles entreprises susceptibles de travailler immédiatement sur le transport d'astronautes. CCDev inaugure comme le programme COTS une nouvelle façon de travailler de la NASA avec les industriels chargés de développer les véhicules spatiaux[2].

La conjugaison des restrictions budgétaires touchant le programme commercial de la NASA et des difficultés rencontrées par les deux constructeurs (SpaceX et Boeing) dans la mise au point du CST-100 Starliner comme du Crew Dragon entraînent un report de l'entrée en phase opérationnelle. Les premiers vols opérationnels prévus initialement en 2017 sont finalement repoussés au deuxième semestre 2019. En août 2015, la NASA est contrainte d'acheter pour la relève de ses astronautes, six places à bord de véhicules Soyouz utilisables en 2018. Celles-ci lui sont facturées 490 millions de dollars américains par l'agence spatiale russe Roscosmos (81,7 millions de dollars par place mais comprend l'entrainement)[22]. En février 2017, la NASA achète de nouveau cinq places supplémentaires pour un coût unitaire de 74,7 millions de dollars[23]. Enfin, elle envisage en février 2019 d'acquérir deux autres places pour garantir la continuité entre la dernière mission Soyouz véhiculant des astronautes non russes (mission Soyouz MS-13 programmée en juillet 2019) et les premiers vols opérationnels des deux nouveaux véhicules américains[24].

Le schéma du CST-100 Starliner : A - Module pressurisé de l'équipage - 1 Cône largable protégeant le système d'amarrage à la Station spatiale internationale - 2 Capot éjectable du compartiment des parachutes - 3 Écoutille - 4 Propulseurs de contrôle d'attitude (x 25) - 5 Coussins gonflables (x 6) - 6 Bouclier thermique - 7 Système d'amarrage - 8 Parachutes (x 3) - 9 Hublot (x 3) - B - Module de service - 10 Cache des câbles et tuyaux reliant le module d'équipage avec le module de service - 11 Radiateurs (x 4) - 12 Cache protégeant les moteurs-fusées d'éjection secondaire utilisés également pour les manœuvres orbitales (4 x 5) - 13 Réservoirs d'ergols - 14 Moteur-fusée contrôlant le roulis (4 x 1) - 15 Moteurs-fusées principaux du système d'éjection (x 4) - 16 Panneaux solaires.

Le CST-100 Starliner présente une certaine ressemblance avec le véhicule Orion, développé par Lockheed Martin dans le cadre du programme Constellation de la NASA[25] dont il reprend les dimensions extérieures[9]. Mais comme il n'a pas besoin d'assurer les missions interplanétaires de celui-ci, il dispose d'un espace accru qui lui permet de transporter un équipage qui peut atteindre sept passagers.

Le CST-100 est un véhicule spatial destiné au transport d'équipage aux caractéristiques classiques. Il comprend un module de descente pressurisé dans lequel se tient l'équipage et un module de service dans lequel sont rassemblés tous les équipements qui ne sont pas nécessaires pour le retour sur Terre. Seul le module de descente revient sur Terre. Le module de descente reprend la forme conique du module Apollo avec un angle de cône identique mais avec un diamètre supérieur (4,56 mètres). Le CST-100 Starliner est optimisé pour l'emport d'un équipage de 4 astronautes mais il peut être aménagé pour véhiculer sept passagers. Il peut transporter à l'aller comme au retour jusqu'à 163 kilogrammes de fret ou d'expériences scientifiques qui sont stockés dans la partie pressurisée. Une fois lancé, le véhicule spatial dispose d'une autonomie de 48 heures mais est conçu pour rejoindre la Station spatiale internationale en 8 heures. Une fois amarré à la Station spatiale, il peut séjourner 210 jours dans l'espace. Le CST-100 Starliner est conçu pour être réutilisé 10 fois après remise en condition opérationnelle[26].

La coque pressurisée du module d'équipage est constituée de deux demi-coques réalisées à partir de pièces d'aluminium assemblées en utilisant le procédé de soudage par friction malaxage dont on a ensuite enlevé la matière excédentaire pour aboutir à la forme finale. Ce procédé employé de manière relativement courante dans le secteur spatial présente l'avantage par rapport à la soudure par fusion de réduire à la fois la masse et le temps de fabrication. Les aménagements intérieurs sont fixés avant de joindre les deux demi-coques[27].

Cette vue d'artiste permet de bien distinguer les sorties des différents moteurs de contrôle d'attitude.

Le volume intérieur de la cabine est de 11 m³. La cabine peut accueillir un équipage de 7 passagers mais il est utilisé en temps normal pour transporter 4 astronautes. La cabine pressurisée permet de transporter du fret avec l'équipage. Boeing utilise pour le tableau de bord et l'instrumentation des équipements déjà commercialisés. Le constructeur a essayé de développer un système très proche de celui mis en oeuvre à bord du véhicule Orion pour réduire les coûts d'entraînement des astronautes lorsqu'ils passeront d'un véhicule à l'autre. Contrairement à Crew Dragon, le tableau de bord comprend de nombreux boutons pour réaliser des opérations critiques comme les ouvertures/fermetures de vannes mais ceux-ci constituent un système de secours, toutes les commandes pouvant être passées à l'aide d'écrans tactiles. Par ailleurs, le CST-100 Starliner est conçu pour fonctionner de manière complètement autonome[28].

Le véhicule spatial CST-100 Starliner utilise trois types de moteurs-fusées qui brûlent tous des ergols hypergoliques[27] :

• 4 moteurs RS-88 d'une poussée unitaire de 178 kN fixés à l'arrière du module de service, leur tuyère faisant largement saillie. Leur seul rôle est de pallier une défaillance du lanceur en écartant le véhicule spatial de celui-ci et en lui faisant suivre une trajectoire ascendante. Durant cette phase d'accélération, chaque moteur brûle 317 kilogrammes d'ergols par seconde.
• 20 moteurs d'une poussée unitaire de 6,22 kN, également situés dans le module de service regroupés par 5, sous des capots faisant saillie sur le pourtour du module de service. Quatre d'entre eux agissent en roulis tandis les 16 autres impriment des mouvements de lacet et de tangage. Ces moteurs sont utilisés pour permettre au véhicule d'atteindre l'orbite visée après la séparation avec le lanceur. Ils sont également sollicités en cas de défaillance du lanceur conjointement avec les RS-88.
• 28 moteurs de contrôle d'attitude d'une poussée de 38 N de poussée répartis sur le module d'équipage et le module de service et qui sont utilisés pour de petites corrections d'orientation en particulier lors de l'amarrage avec la Station spatiale internationale.

• Système de propulsion
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  Le moteur-fusée RS-88 sur un banc d'essais en 2003.
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  Les panneaux de commande du véhicule spatial utilisent les dernières technologies mises en oeuvre dans l'aviation avec un mélange d'écrans d'affichage et de boutons (il s'agit ici d'une maquette utilisée pour l'entraînement).

L'énergie est produite par des panneaux solaires d'une puissance électrique de 2 900 watts qui recouvrent la face arrière du module de service.

La tour de sauvetage qui surmonte habituellement les véhicules transportant des équipages (Soyouz, Apollo, Orion) dans le but de préserver la vie de l'équipage en cas de défaillance du lanceur est remplacée sur le CST-100 Starliner par quatre moteurs-fusées RS-88 par Aerojet Rocketdyne intégrés dans le module de service. Cette composante du véhicule fait partie du module de service et n'est donc pas éjectée à haute altitude contrairement à une tour de sauvetage. Les ergols brûlés par ces moteurs sont stockés dans des réservoirs également situés dans le module de service alimentant également les propulseurs de contrôle d'attitude. Les RS-88 sont conçus pour fournir rapidement une poussée maximale. En cas de défaillance du lanceur au décollage ou durant son vol, ces moteurs fonctionnent durant 3,5 à 5 secondes en fournissant une poussée suffisante pour écarter le véhicule spatial du lanceur et permettre le déploiement des parachutes et un amerrissage en douceur dans l'océan. Ce dispositif fonctionne même si la défaillance a lieu au sol[29].

Les deux ports d'amarrage de la Station spatiale internationale (IDA-2 et IDA-3) au format NDS peuvent être utilisés par les véhicules spatiaux Crew Dragon et CST-100 Starliner.

Le CST-100 Starliner peut s'amarrer de manière autonome à la Station spatiale internationale. Le système d'amarrage est de type NASA Docking System (NDS) au lieu du système Common Berthing Mechanism (CBM) utilisé par les cargo spatiaux. Les deux véhicules Crew Dragon et CST-100 Starliner sont les premiers à utiliser ce système d'amarrage androgyne international mis au point par la NASA. Le diamètre interne de l'écoutille de forme circulaire est de 80 cm (contre un carré de 127 cm de côté pour le CBM) et il permet le transfert d'énergie, de données, de commandes, d'air, de communications et potentiellement d'ergols, d'eau, d'oxygène et de gaz pressurisant. Pour permettre aux véhicules spatiaux de s'amarrer, la Station spatiale internationale est équipée avec deux adaptateurs IDA (IDA-2 et IDA-3). Ceux-ci sont installés sur les ports d'amarrage des modules d'accouplement pressurisés (Pressurized Mating Adapter - PMA), eux-mêmes fixés sur les ports avant et zénithal du module Harmony. Les modules d'accouplement étaient utilisés auparavant par la navette spatiale américaine qui disposait d'un système d'amarrage périphérique androgyne de type APAS-95. L'adaptateur IDA-2 est installé le 19 août 2016 durant une sortie extravéhiculaire de l'équipage de la Station spatiale internationale[30] tandis que la mise en place de l'adaptateur IDA-3 est effectuée en août 2019[31].

• Système d'amarrage
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  Un adaptateur d'amarrage IDA installé sur la Station spatiale internationale.
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  La démonstration au sol d'un amarrage avec le système NDS.

Une maquette du véhicule CST-100 après un test d'atterrissage en 2012. Des coussins gonflables sont utilisés pour réduire le choc subi par l'équipage au moment du contact avec le sol.

Le véhicule spatial revient sur Terre après avoir largué le module de service qui n'est donc pas récupéré. Le bouclier thermique qui doit protéger la capsule de la chaleur générée durant la rentrée atmosphérique par l'atmosphère est réalisé avec un revêtement ablatif de type Boeing Rigid Insulation-18 (BRI-18, matériau issu du Phenolic Impregnated Carbon Ablator ou PICA) sous forme de tuiles et de BLA (Boeing Lightweight Ablator) développé par Boeing pour la protection latérale. Le CST-100 Starliner sera la première capsule spatiale américaine capable de se poser sur Terre. Cinq sites d'atterrissage sont prévus : le Polygone d'essais de missile de White Sands au Nouveau-Mexique (deux sites, sélectionné par défaut), Edwards Air Force Base en Californie, Willcox Playa en Arizona et Dugway Proving Ground en Utah[32]. Le véhicule, durant sa descente, déploie d'abord un parachute pilote puis un parachute de freinage et enfin, à une altitude 3 650 mètres trois parachutes principaux qui sont extraits d'un compartiment qui fait le tour du système d'amarrage à la Station spatiale internationale. À une altitude de 1 500 mètres, le bouclier arrière est largué et six coussins gonflables logés sous celui-ci sont gonflés avec un mélange d'air et d'azote deux minutes avant l'atterrissage. Ces coussins gonflables sont fournis par ILC Dover et utilisent la même technologie que celle utilisée par les missions Mars Pathfinder et Mars Exploration Rover[15]. Le véhicule atterrit en douceur grâce à ces coussins gonflables qui autorisent une vitesse d'arrivée verticale de 30 km/h et horizontale de 50 km/h. Le véhicule est également capable de se poser en mer.

À l'intérieur du véhicule, l'équipage est équipé d'une combinaison spatiale étanche qui permet aux astronautes de faire face à une dépressurisation de la cabine. Cette combinaison mise au point pour ces vols a une masse de 9 kg, inférieure de 50% à celle des versions utilisées jusque là. Le casque et la visière sont incorporées à la combinaison et non détachables comme de tradition. Les gants sont compatibles avec le recours à des écrans tactiles. La combinaison est étanche tout en étant poreuse à la vapeur d'eau générée par le corps. La combinaison arbore la couleur bleue traditionnelle de Boeing[33].

La phase de qualification du véhicule comprend un vol sans équipage, un test du système d'éjection du véhicule et enfin un vol avec un équipage réduit. À la suite de la découverte d'une fuite dans le circuit d'alimentation du système de propulsion au cours de l'été 2018, Boeing a dû repousser les premiers essais à 2019[38].

Un essai du système de sauvetage (4 novembre 2019).

Le système de sauvetage est testé avant le premier vol de qualification dans la configuration la plus difficile, c'est-à-dire alors que le lanceur n'a pas décollé. Dans ce type d'essai, dit 0-0 (altitude nulle, vitesse nulle), le système de sauvetage doit faire monter le véhicule suffisamment haut pour que ses parachutes puissent se déployer et qu'il se pose à une distance suffisante de l'aire de lancement. Le test est effectué le 4 novembre 2019 sur le Polygone d'essais de missile de White Sands[39]. Au cours de l'essai, seuls deux des trois parachutes installés se déploient[40]. L'essai est néanmoins considéré comme un succès ; il prouve par ailleurs que le véhicule peut effectuer un atterrissage en douceur avec seulement deux parachutes, comme prévu. La source de la défaillance du troisième parachute est découverte par la suite à l'aide de photos réalisés avant le vol et de constats effectués sur le véhicule après l'essai (assemblage de la liaison entre le parachute-pilote et le parachute principal). Des vérifications sont effectués sur les autres véhicules de ce type (dont celui destiné au vol du 20 décembre 2019) afin de s'assurer de l'absence d'erreur d'assemblage[41].

Le vol sans équipage Boe-OFT (Boeing-Orbital Flight Test) constitue le premier vol du véhicule CST-100 Starliner ; il doit également inaugurer les nouvelles installations du complexe de lancement 41 de la base de lancement de Cap Canaveral et l'utilisation du lanceur Atlas V dans sa version N22. La mission a pour objectif de valider le fonctionnement de l'avionique du système d'amarrage, des communications et des télémesures, des systèmes de contrôle de l'environnement, des panneaux solaires et du système de propulsion. Il doit également permettre de vérifier les performances du système de guidage du lanceur Atlas V et du véhicule durant le lancement, le séjour en orbite et la rentrée atmosphérique. Le niveau acoustique et de vibrations ainsi que les accélérations subies sont déterminées dans toutes les phases de vol. Le véhicule doit s'amarrer à la Station spatiale internationale avant de revenir sur Terre[42].

Le lanceur Atlas V décolle le 20 décembre 2019 et place le véhicule sur la trajectoire suborbitale prévue, mais la manœuvre de mise en orbite, qui doit être effectuée à l'aide des moteurs du CST-100, échoue à la suite d'une erreur du logiciel embarqué. Lorsque le véhicule réussit enfin sa manœuvre, il a consommé 25% d'ergols supplémentaires. Son constructeur Boeing renonce au rendez-vous avec la Station spatiale internationale et décide de faire atterrir le véhicule 48 heures après le décollage, le dimanche 22 décembre 2019 à 13 h 58 TU, au lieu des 8 jours prévus[26]^,[43].

À la suite de l'échec partiel de OFT-1, Boeing décide d'effectuer un deuxième vol sans équipage, Boe-OFT 2[44]. La NASA a établi une liste de 80 modifications avant la poursuite du programme[45]. L'objectif de la prochaine mission est, comme pour le premier vol, de s'amarrer à la Station Spatiale Internationale avant de revenir sur Terre.

Le vol OFT 2 est lancé le 19 mai 2022 depuis la Base de lancement de Cap Canaveral. La mission s'est déroulée telle que prévue, hormis un dysfonctionnement provenant de deux des propulseurs de Starliner lors de la manœuvre d'insertion orbitale, ce qui n'eut cependant pas d'impact sur le bon déroulement du vol. Un peu plus de 24 heures après le lancement, la capsule s'est amarrée à l'ISS et y est restée six jours. Au terme de la mission, le vaisseau a effectué son désamarrage puis a atterri quatre heures plus tard, sur le site de White Sands au Nouveau-Mexique le 25 mai[46].

• Préparation du vol sans équipage du 20 décembre 2019
• 
  L'installation du véhicule au sommet de son lanceur Atlas V pour le vol de qualification sans équipage.
• 
  Une vue plongeante du véhicule CST-100 fixé au sommet de son lanceur Atlas V.

Le dernier vol de qualification est effectué avec un équipage.

Les cinq astronautes américains sélectionnés en août 2018 pour les premiers vols à bord du CST-100.
De gauche à droite : Sunita Williams, Josh Cassada, Eric Boe, Nicole Mann et Christopher Ferguson.

Une fois en orbite, l'équipage doit vérifier entre autres le système de contrôle de l'environnement, le fonctionnement des systèmes d'affichage et les systèmes de contrôle manuel. Après une journée consacrée à ces essais, l'équipage doit effectuer des manœuvres de rendez-vous et s'amarrer à la Station spatiale internationale. Le véhicule effectue ces manœuvres de manière autonome, mais l'équipage contrôle leur déroulement. Une fois amarré, l'équipage doit séjourner de deux semaines à six mois en fonction de la rotation des équipages. Il doit s'assurer que le véhicule peut fonctionner après un séjour de 210 jours dans l'espace. À la fin de la mission, le véhicule doit effectuer de manière autonome les manœuvres de largage puis de rentrée dans l'atmosphère avant de se poser sur le sol des États-Unis. Une équipe du constructeur Boeing doit récupérer le véhicule et l'équipage et les ramener à Houston.

En août 2018, les astronautes désignés pour ce vol, baptisé Boe-CFT (Boeing-Crew Flight Test), sont Christopher Ferguson (commandant de bord), Eric Boe (pilote) et Nicole Mann (spécialiste de mission). Ancien astronaute de la NASA, Ferguson intervient cette fois en tant que membre de la société Boeing, constructeur du vaisseau.

Mais cet équipage est par la suite remanié à plusieurs reprises :

• le 22 janvier 2019, pour des raisons médicales, Boe, déclaré inapte par les médecins[47], est remplacé par Michael Fincke et lui-même remplace Fincke en tant qu'assistant du directeur des équipages commerciaux au bureau des astronautes du Johnson Space Center de la NASA.
• en octobre 2020, pour des raisons cette fois familiales, Ferguson laisse sa place à Barry Wilmore.
• en octobre 2021, Mann est affectée à SpaceX Crew-5 avec Cassada, autre astronaute sélectionné en août 2018 pour les premiers vols du Starliner.
• le 18 avril 2022, la NASA annonce qu'elle n'a pas décidé lesquels des membres du groupe d'astronautes Starliner, Barry Wilmore, Michael Fincke et Sunita Williams, seront affectés à la mission CFT ou à la suivante, Boeing Starliner-1, la première mission opérationnelle du vaisseau[48].
• En juin 2022, la NASA affecte Barry Wilmore, commandant, Sunita Williams, pilote, et Michael Fincke pilote de sauvegarde[49].

Hormis Cassada et Mann, qui auraient dû effectuer leur première mission dans l'espace à l'occasion des premiers vols du Starliner, tous les autres astronautes, Boe, Ferguson, Fincke, Williams et Wilmore sont des vétérans.

Une fois les vols de qualification achevés, les vols opérationnels, qui assurent la relève des équipages de la Station spatiale internationale, doivent démarrer. Un contrat pour 12 vols est passé par la NASA en 2017 dont 6 sont effectués par le véhicule CST-100 Starliner entre 2020 et 2024 (prévisions). Chaque vol transporte un équipage pouvant comprendre jusqu'à 4 personnes, les véhicules Soyouz continuant à assurer le transport des cosmonautes russes.

• (en) Keith Reiley et al., « Design Considerations for a Commercial Crew Transportation System », American Institute of Aeronautics and Astronautics,‎ 2011, p. 1-6 (lire en ligne)

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• Dossier de presse de la NASA
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