Une mission spatiale, du projet au lancement

Quelles que soient les personnes ou la (les) organisation(s) qui sont à l'origine de l'idée d'une mission, tout projet de misson spatiale passe par six phases successives

->D'autres concepts à la NASA
La NASA, d'une façon générale, a adopté depuis une décennie une approche de réduction des coûts en terme de ses programmes spatiaux: différents programmes axés en ce sens (et idem pour l'industrie privée), concept de "small satellites" ("satellites de petite taille") -dont les miniatures "CubeSat" (49 lancés en date de 2017)- qui de plus, permettent les programmes de dialogue avec les universités. Les CubeSats ont été créés à l'origine par la California Polytechnic State University ("université d'Etat polytechnique de Californie") à des fins d'éducation et la plateforme a ensuite été reprise par d'autres universités. Les Cubesats sont une classe de nanosatellites scientifiques; ils sont construits à des dimensions standards (des unités ou "U" de 10x10x11) et les tailles peuvent être de 1U, 2U, etc. jusqu'à 68 (leur poids moyen est de moins de 1,33kg (3lbs) par unité. La NASA, également, en 2012, est en train de mettre au point une capacité de réparer et fournir en carburant des satellites en orbite, surtout ceux qui n'ont pas été conçu pour cela. Ce qui permettra d'allonger leur durée de vie. La navette spatiale fut l'un des premiers programmes américains à être utilisé pour procéder à de telles opérations: les satellites Solar Maximum et Syncom IV furent réparés dans les années 1980, le Compton Gamma Ray Observatory et l'Intelsat VI dans les années 1990. La navette a également mené des missions de réparation au télescope spatial Hubble

->Comment la NASA gère-t'elle ses nouveaux programmes habités?
La NASA a choisi, après la fin du programme de la navette spatiale, de répartir ses nouveaux programmes habités entre une partie laissée aux compagnies privées (l'accès à l'ISS) et une partie qu'elle va elle-même prendre en charge (les programmes plus ambitieux). Pour ce qui de comment les compagnies privées vont participer à l'envoi d'équipages à la Station Spatiale Internationale, la NASA, fin 2013, a publié son "Commercial Crew Program" ("programme habité commercial ou CCP), sollicitant des propositions des compagnies privées concernant la construction complète de systèmes de vols habités du niveau des requis de l'agence en termes de certification (phase dite "Commercial Crew Transportation Capability" ("capacité de transport habité commercial", CCtCap)). Une première phase avait commencé en 2012, une phase de certification dite "Certification Products Contracts" (CPC). La CPC demandait aux compagnies privées de proposer une série de produits servant de base pour leur certification des systèmes intégrés. La NASA, d'une façon générale, entend mêler le pouvoir innovant venant des compagnies privées avec l'expérience, les talents et les leçons de l'agence. La NASA travaillant ainsi avec l'industrie privée pour se doter de capacité de vol habité commercial en orbite basse terrestre, elle développe aussi par elle-même la capsule Orion et le système de fusées de lancement Space Launch System (SLS) lequel permettra une présence habitée au-delà de la Terre et dans le système solaire

Pré-phase A, études conceptuelles

Après qu'un "Science Working Group" ("groupe de travail scientifique", SWG) ait préparé, au quartier général de la NASA, un concept préliminaire de la mission, celle-ci est confiée à l'un des centres de l'agence. Les missions lointaines, par exemple, sont souvent confiées au Jet Propulsion Laboratory, le célèbre JPL. La NASA envoie alors aux scientifiques, aux universités et autres institutions semblables -qui sont capables de participer à une mission spatiale- une "annonce d'opportunité de mission" ("Announcement of Opportunity", AO). Ces milieux font des propositions d'expériences à embarquer sur la mission. Ces propositions font l'objet d'une discussion et une première étude des possibilités de lancement est faite. Une fois le financement du projet établi, le centre de la NASA confie celui-ci à différentes de ses sections ou divisions puis la mission est de nouveau présentée au quartier général de la NASA. La NASA, alors, donne -ou ne donne pas- l'autorisation de procéder à la phase suivante. Pour ce qui est des nouveaux véhicules à l'ISS sous l'administration Obama, cette phase est dite CCDev1 (Initial Concept)

Phase A

Cette phase concerne le concept et la définition des éléements de base de la mission. On peut aussi l'appeler "KDP-A" ("Key Decision Point-A", "point de décision-clé-A"), formulation qu'on retrouve aussi pour les autres étapes. Un design préalable et un plan du projet sont élaborés. Y sont spécifiés quel sera le vaisseau à construire, quand il devra être lancé, quelle sera sa route, quelle sera sa date d'arrivée à la cible, ou, par exemple, quelles opérations seront réalisées. On y précise aussi quelles organisations superviseront les tests ainsi que l'opération de la mission, ou qui seront les responsables des expériences et instruments. A la fin de la phase A, la mission subit alors une discussion de confirmation, qui passe en revue les étapes les plus importantes, en terme de temps, du projet et les risques technologiques et de coût. La mission, alors, est -ou pas- confirmée pour passer à la phase suivante, la phase de développement. L'approbation de la NASA, à ce stade, signifie que l'agence pense que le vaisseau et les instruments scientifiques pourront être construits et lancés avec succès et que les objectifs scientifiques pourront être atteints. Pour ce qui est des nouveaux véhicules à l'ISS sous l'administration Obama, cette phase est dite CCDev2 (Maturing Design)

Phase B

Cette phase concerne le design préliminaire et le développement technologique. Elle traduit en termes de solutions techniques les éléments déterminés au cours de la phase A. On prépare, par le biais d'une "System Requirement Review" ("revue des requis système", SRR), les éléments requis, les emplois du temps et les spécifications techniques. On peut encore, à ce stade, concevoir de nouvelles expériences ou en ajouter à la mission. Tout instrument ou expérience embarquée est de la responsabilité d'une équipe, laquelle a pour charge de construire, puis de faire fonctionner, les instruments scientifiques qui y ont trait et, enfin, de procéder à l'évaluation des données produites en cours de mission. Un des membres de l'équipe est choisi comme chef d'équipe ("Team Leader", TL) et/ou comme le "Principal Investigator" ("expérimentateur principal", PI). Ce dernier, d'ailleurs, peut être choisi aussi dès la fin de la pré-phase A. Une revue préliminaire de design ("Preliminary Design Review, PDR) est présentée à une commission d'experts de la NASA. Ceux-ci évaluent quel est alors le statut en cours de la mission et décident si le projet peut se poursuivre ou non. Comment l'on conçoit les instruments d'une mission amène à ce que l'on envisage différents prototypes que l'on teste à la recherche du meilleur résultat fonction de l'objet à étudier. On construit, par exemple, plusieurs caméras infra-rouge et celle qui donne le meilleur résultat scientifique est retenue. On construit alors l'instrument selon ce prototype, qui passe entre les mains des "Engineering test units" ou ETU ("unités de test d'ingénirie"), qui s'assurent que l'instrument fonctionnera correctement. Des ETU sont également utilisée au stade suivant, lorsque les équipes intègrent l'instrument sur le châssis ou "bus" du satellite. Les résultats mènent à d'éventuels changements. Quand les tests sont réussis, alors on peut commencer la construction de l'instrument qui volera réellement à bord de la mission, lesquels, lors de la phase suivante, seront également testés par la compagnie fabricante, la NASA et les autres partenaires. Pour ce qui est des nouveaux véhicules à l'ISS sous l'administration Obama, cette phase est dite CCiCap (Integrated Design)

Phase C/D

l'un des deux vaisseaux de la mission STEREO en phase d'assemblage. NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

La phase C concerne le design final et la fabrication réelle alors que la phase D concerne l'assemblage des systèmes, les tests et le lancement. La phase C est la phase pendant laquelle le vaisseau spatial est conçu et construit. Une "revue critique de design" ("Critical Design Review", CDR) a lieu. Elle vérifie que le design de la mission est prêt et est tel que l'on peut passer à la fabrication. Le "Key Decision Point-D" ("point de décision-clé D" ou KDP-D) a lieu après que le projet soit passé par une série d'estimations indépendantes concernant sa technologie, son calendrier et son coût. Ce point important constitue la transition officielle de l'étape de la conception à celle de la livraison des systèmes, des tests et de la construction, qui mèneront au lancement. Si c'est le cas, on commence alors la construction du vaisseau. On construit les sous-systèmes et les expériences et instruments puis on les intègre pour ne former qu'un seul satellite. Cela se fait au sein d'une grande chambre stérile. Puis on passe aux tests: le satellite est testé pour vérifier s'il pourra supporter les conditions extrêmes de l'environnement spatial. Cela a lieu au Goddard Space Flight Center, dans la centrifugeuse et les chambres à vide acoustique et thermique. La dernière, dans le cas du futur télescope spatial Webb, qui sera un télescope dans l'infra-rouge, s'est vue ajouter un système de réfrigération à l'hélium. Certains tests de construction peuvent se faire au lieu du constructeur. Lorsque le satellite est complètement assemblé, le tout est de nouveau testé. Lorsque la mission est trop grande pour être testée au centre Goddard, elle est transporté à Houston, au Johnson Space Center où l'on utilise la chambre à vide qui avait été construite pour le module de commande des missions Apollo. On développe et on teste en parallèle les systèmes au sol qui participeront à la mission. Les derniers tests ont lieu entre 7 et 3 mois avant le lancement. Les instruments scientifiques, eux, sont testés au cours de la dernière année du projet. La phase C/D recoupe partiellement la phase suivante, la phase des opérations, car elle fait intervenir aussi des procédures de lancement, de déploiement et de vérifications. Tout au long du processus d'assemblage, chaque instruments passe aux chambres de test pour vérifier s'ils pourront supporter les contraintes du lancement et du fonctionnement dans l'espace. Lorsque le satellite est complètement assemblé, le tout est de nouveau testé

La phase d'opérations

Comme son nom l'indique, cette dernière phase est celle des opérations. Le vaisseau spatial est lancé et il se dirige vers son but; les missions scientifiques se déroulent. Ainsi, une fois les tests terminés, le satellite est transporté, par camion ou par avion, au site de lancement. Là, il subit des tests additionnels ainsi que d'autres préparations. Tout cela, alors, se centre sur les aspects opérationnels tels les communications, les revêtements thermiques, les systèmes de vol, les panneaux solaires, le carburant, etc. Le vaisseau, ensuite, est fixé au sommet du dernier étage du lanceur et le tout est hissé sur le corps principal de celui-ci. On place alors les deux parties de la coiffe, qui protège la mission. On arrive, ainsi, à l'heure du lancement et aux séquences de pré-lancement et de lancement. Les systèmes de communications permettent de transmettre aux équipes au sol les données de télémétrie. Après le lancement, les systèmes de suivi appropriés, tels le Deep Space Network de la NASA, acquièrent la sonde. Un tel système prend ainsi le relais de la station suiveuse du site de lancement. Enfin, selon la mission, soit le satellite reçoit une dernière poussée qui le place en orbite terrestre ou qui l'injecte sur une trajectoire interplanétaire. Pendant la "phase de commissionnement", d'une durée variable, le satellite est exposé à l'environnement de l'espace, les divers systèmes sont déployés et activés; on mesure aussi la fiabilité des données scientifiques collectées

Un autre exemple: les processus en usage à l'ESA, l'agence européenne

A l'ESA, le processus de sélection d'une mission commence lorsque l'agence européenne lance un appel à la communauté scientifique pour que celle-ci suggère des thèmes scientifiques; les propositions sont reçues et évaluées par un "Senior Survey Committee" ("comité d'évaluation supérieur") et, suite à une interaction intensive avec la communauté scientifiue, un thème de mission est recommandé au directeur de la Science and Robotic Exploration. L'année suivante, un appel à concepts concernant la mission est émis pour demander des propositions (ce qui peut avoir lieu dès 15 ans avant la date prévue de lancement)

Un autre exemple de planning est donné, à l'ESA, dans le domaine de la mise en oeuvre de la future nouvelle fusée de lancement Ariane. Des activités préparatoires ont d'abord été définies en novembre 2012 par le Conseil de l'ESA à un niveau ministériel. Le concept Ariane 6 a ensuite été sélectionné 7 mois plus tard et, le 1er octobre, la "Preliminary Requirements Review" ("revue préliminaire des requis") a commencé. Les plans de gestions, les spécifications préliminaires ainsi que les fichiers techniques et programmatiques ont été aussi soumis à examen, lequel s'est conclu le 6 novembre 2012; il a impliqué des experts européens d'Arianespace, de l'agence spatiale italienne ASI, du CNES français, du DLR allemand et de l'ESA. Les clients européens ont également participé et ont contribué à l'élaboration du "Mission Requirement Document" ("document des requis de la mission"), lequel encadrera l'évolution du projet. D'autres requis techniques du système ont été définis à la fin 2013, tels la structure des étages et les systèmes de propulsion. En février 2014, un premier "Design Analysis Cycle" ("cycle d'analyse de design") sera achevé, comprenant des arbitrages au sujet de plusieurs sous-systèmes et un second Design Analysis Cycle commencera en mars de la même année. Ses résultats viendront alimenter la prochaine System Requirements Review ("revue des requis système), prévue pour octobre-novembre 2014. L'ESA, en parallèle, a également consulté l'industrie pour réunir des idées différentes sur les éléments-clés de la fusée, permettant ainsi la mise en place progressive de l'organisation industrielle du projet, le choix de sous-contractants pour le deuxième Design Analysis Cycle et recevant une proposition des partenaires industriels concernant le développement entier de l'Ariane 6 en vue de la prochaine réunion à l'échelon ministériel du Conseil de l'ESA