La navette spatiale de la NASA a fonctionné en orbite terrestre basse pendant 30 ans avant de prendre sa retraite en 2011. Cependant, le remplaçant de ce véhicule par l'agence spatiale américaine, Orion, est revenu à la conception de capsule conique familière des missions Apollo. En effet, la NASA souhaitait que ce nouvel engin soit utilisé pour explorer des cibles dans l'espace lointain, comme la Lune.
Mais ces dernières années, nous avons assisté à un retour de la conception des avions spatiaux. Depuis 2010, l’US Space Force (et anciennement l’US Air Force) lance un avion spatial robotisé appelé X-37B en orbite terrestre basse dans le cadre de missions classifiées. La Chine possède son propre avion spatial militaire appelé Shenlong.
Cette année pourrait voir un vol d'essai du Dream Chaser de la société Sierra Space, le premier avion spatial commercial capable de voler en orbite. Si tout se passe bien, le véhicule pourrait être utilisé pour réapprovisionner la Station spatiale internationale (ISS) en fret et, éventuellement, en équipage.
Les avions spatiaux peuvent voler ou planer dans l'atmosphère terrestre et atterrir sur des pistes plutôt que d'utiliser des parachutes pour atterrir dans l'eau ou sur un sol plat comme des capsules. Ils sont également plus maniables lorsque le vaisseau spatial rentre dans l'atmosphère, augmentant ainsi la zone de la surface de la Terre où l'atterrissage est possible à partir d'un point de rentrée spécifique.
Les avions spatiaux permettent également une trajectoire de vol plus douce mais plus longue lors de la rentrée et un atterrissage plus doux, ce qui est plus facile pour l'équipage et le fret que les capsules, qui peuvent atterrir avec un bruit sourd. Une piste permet également aux équipes d'assistance au sol et aux infrastructures d'être prêtes sur le lieu d'atterrissage.
Mais les avions spatiaux sont plus complexes et plus lourds qu’une capsule équivalente. La forme du corps ailé pose un défi particulier pour la conception de systèmes de protection thermique (TPS), des matériaux résistants à la chaleur qui protègent l'engin des températures torrides à la rentrée. Ces coûts supplémentaires rendent impossible la conception d'un avion spatial pour un seul vol. Ils doivent être utilisés encore et encore pour être viables.
Les avions spatiaux suscitent un intérêt depuis les premiers jours des vols spatiaux habités. Un projet d’avion spatial militaire appelé Dyna-Soar a été lancé aux États-Unis en 1957, puis annulé juste après le début de la construction. Le véhicule était sophistiqué pour l'époque, construit à partir d'un alliage métallique capable de résister à des températures élevées et doté d'un bouclier thermique à l'avant qui pouvait être détaché après son retour de l'espace, afin que le pilote puisse voir clairement lors de l'atterrissage.
La navette spatiale, entrée en service en 1981, a été le premier avion spatial opérationnel. Il était censé être lancé plus souvent et être plus réutilisable, mais il s'est avéré qu'une rénovation approfondie était nécessaire entre les lancements. Il a cependant démontré la capacité de renvoyer des astronautes et de grosses marchandises hors de l'orbite.
D'autres agences spatiales ont investi dans les années 1980 et 1990, en Europe, avec l'avion spatial Hermes, et au Japon, avec le véhicule HOPE. Les deux programmes ont été annulés en grande partie à cause du coût. L'Union soviétique a développé son propre véhicule semblable à une navette appelé Bourane, qui a volé avec succès dans l'espace une fois en 1988. Le programme a été annulé après l'effondrement de l'Union soviétique.
Les avions spatiaux ont des exigences spécifiques pour la dernière partie de leur voyage, à leur retour de l’espace. Lors de leur rentrée atmosphérique, ils sont chauffés à plus de mille degrés Celsius alors qu’ils se déplacent à des vitesses hypersoniques supérieures à sept kilomètres par seconde, soit plus de 20 fois la vitesse du son. Un nez émoussé (où le bord du vaisseau spatial est arrondi) est une forme idéale car il réduit l'accumulation de chaleur au niveau de la partie avant du véhicule.
Néanmoins, les températures attendues par l'engin peuvent encore atteindre 1 600 °C, ce qui nécessite un système de protection thermique à l'extérieur du véhicule. Le TPS de la navette spatiale comprenait des carreaux de céramique particulièrement résistants à la chaleur et une matrice carbone-carbone renforcée capable de résister à des températures allant jusqu'à 2 400 °C.
La perte de la navette Columbia lors de sa rentrée en 2003, causant la mort de sept astronautes, était le résultat d'une brèche dans le TPS situé sur le bord d'attaque de l'aile. Cela résulte du fait qu'un morceau de mousse isolante s'est envolé du réservoir externe de la navette lors du lancement de Columbia et a heurté l'aile.
Ce problème de mousse était récurrent sur la navette en raison de la façon dont elle se lançait du côté du réservoir d'ergol externe. Mais les nouveaux modèles d'avions spatiaux voleront au sommet de fusées conventionnelles, où la chute de mousse ne posera pas de problème.
Un TPS efficace reste vital pour le succès futur des avions spatiaux, tout comme les systèmes qui surveillent les performances du TPS en temps réel.
Il existe actuellement deux avions spatiaux opérationnels, un chinois et un américain, qui peuvent atteindre l'orbite. Peu d'informations sont disponibles sur le Shenlong chinois, mais le X-37B de l'armée américaine est mieux connu. Pesant près de cinq tonnes au lancement, le véhicule sans équipage de neuf mètres de long est lancé à l'aide d'une fusée conventionnelle et atterrit de manière autonome sur une piste à la fin de sa mission.
Le TPS du X-37B utilise des tuiles similaires à la navette sur la surface inférieure avec une alternative moins coûteuse au carbone-carbone renforcé appelé Tufroc, développé pour le X37B, sur le nez et les bords d'attaque.
Ils devraient bientôt être rejoints par Dream Chaser, développé par la société pour transporter à la fois des marchandises et des astronautes, mais la NASA veut prouver sa sécurité avant de transporter des personnes en l'utilisant d'abord pour transporter des marchandises jusqu'à la station spatiale. La capacité de ramener à la surface des marchandises relativement fragiles grâce à un atterrissage plus doux est une capacité clé. Les tuiles qui protègent Dream Chaser sont fabriquées à partir de silice et chacune a une forme unique adaptée à la zone du véhicule qu'elles sont conçues pour protéger.
Les avions spatiaux suscitent un intérêt constant en raison de leur capacité à ramener l’équipage et le fret sur une piste. La demande pour cette capacité est actuellement limitée. Mais si les coûts de lancement dans l'espace continuent de baisser et que l'expansion de l'industrie spatiale augmente la demande, elles deviendront une alternative de plus en plus viable aux capsules.
À plus long terme, il existe également un potentiel pour des avions spatiaux capables d’atteindre leur orbite après avoir décollé d’une piste. Les défis liés au développement de ces véhicules à un seul étage en orbite (SSTO) sont considérables. Cependant, des concepts tels que le véhicule Skylon conduisent à des développements techniques qui pourraient éventuellement soutenir le développement d'un vaisseau SSTO.
Dans un avenir prévisible, les avions spatiaux semblent prometteurs pour les raisons suivantes :de nouvelles techniques de conception, des matériaux améliorés pour le TPS, des outils informatiques avancés de modélisation et de simulation pour optimiser différents aspects de la conception et des paramètres de vol et des améliorations continues des systèmes de propulsion.
Étant donné que plusieurs gouvernements, agences spatiales et entreprises privées du monde entier investissent massivement dans la recherche et le développement d'avions spatiaux, nous pourrions envisager un avenir où les vols avec ces véhicules deviendraient monnaie courante.
Fourni par The Conversation
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