La navette américaine, ou l’impasse du premier vaisseau spatial réutilisable

La navette Challenger prête pour son premier départ, le 30 novembre 1982. © Nasa
Il y a quarante ans, le 12 avril 1981, décollait de Floride un étrange oiseau : la navette spatiale américaine. Ce vaisseau futuriste des Seventies a laissé de belles images dans l’épopée de l’espace. Et deux tragédies qui sonneront le glas de ce premier vaisseau réutilisable. Récit d’un programme sans doute mal-né.

Recycler les fusées est aujourd’hui la nouvelle idée en vogue chez les constructeurs. Pourtant, le premier engin spatial réutilisable fête ses 40 ans cette année. Le 12 avril 1981, vingt ans après le vol de Gagarine, Columbia s’élançait depuis la base de cap Canaveral. La première navette du Space Transportation System (STS), un programme très ambitieux de la Nasa… dont elle constituera l’alpha et l’oméga. En février 2003, Columbia se désintègre lors de sa rentrée atmosphérique au-dessus du Texas, entraînant la mort de ses sept astronautes. Après la tragédie de Challenger en 1986, ce sont le second équipage et la seconde navette que la Nasa perd. C’est aussi un symbole du rêve américain de la décennie 1980 qui sombre. L’accident, lié à une fragilité bien connue, ne tarde pas à engendrer une crise profonde de la Nasa.

Pour la première fois, le 12 avril 1981, la navette Columbia décolle vers l’espace. © Nasa
Le 12 avril 1981, vingt ans après le vol historique de Youri Gagarine, la navette Columbia décolle vers l’espace. © Nasa
Columbia se désintègre dans l’atmosphère le 1er février 2003 lors de son retour au sol. ©  Nasa
Le 1er février 2003, Columbia se désintègre dans l’atmosphère lors de son retour au sol. Cet accident, le second après celui de Challenger le 28 janvier 1986, précipite la fin du premier vaisseau spatial réutilisable de l’histoire. © Nasa/AP Photo/S. Lieberman

Une faiblesse connue dès le début

Les expertises sont en effet sans appel. Pendant le lancement, un petit morceau de mousse isolante s’est détaché du réservoir externe. Il a percuté l’aile gauche du vaisseau et a abîmé son bouclier thermique censé le protéger lors de la rentrée atmosphérique. Les gaz chauds ont pénétré dans l’aile à cet endroit et ont rapidement gagné sa structure interne, ce qui a provoqué la désintégration de la navette. C’est d’autant plus tragique que, depuis le début du programme, ces bardeaux sont considérés comme un maillon faible. En effet, dès son premier décollage en 1981, Columbia perd tant de tuiles qu’elles apparaissent même sur les images vidéo du lancement. Quelque chose qui, déjà, aurait pu lui être fatal.

À la fin des années 1970, la conception de ce bouclier thermique fait déjà couler beaucoup d’encre. Attendue pour 1977, puis 1978, 1979, la navette ne réalise sa première mission qu’en 1981 et l’une des causes principales de ce retard sont les fameuses tuiles. Dans sa version de 1981, Columbia en possède 33 000. Elles sont chargées de disperser la chaleur du nez et du fuselage du vaisseau. Chacune d’elles a une forme unique et doit être appliquée individuellement.

Ces tuiles en carbone pyrolysé conçues par Lockheed étaient révolutionnaires pour l’époque. Mais elles sont tellement fragiles que l’on peut à peine les toucher sans les briser. Elles se cassent si souvent que, dans la dernière année de la construction de la navette, le rythme moyen d’installation est d’une tuile par technicien et par semaine… La pression est forte. Si le bouclier échoue, la navette brûle à la rentrée. S’il perd trop de tuiles, l’engin peut devenir instable lors de l’atterrissage, et donc ingérable. L’inquiétude est telle que la Nasa envisage même un temps d’ajouter une grue sur Columbia afin que l’équipage puisse réparer le bouclier thermique dans l’espace.

Les 33 000 tuiles du bouclier thermique, indispensables pour permettre un retour dans l’atmosphère à 28 000 km/h, sont fragiles. Elles nécessitent un entretien constant qui se révélera très lourd. © Nasa
Les 33 000 tuiles du bouclier thermique, indispensables pour permettre un retour dans l’atmosphère à 28 000 km/h, sont fragiles. Elles nécessitent un entretien constant qui se révélera très lourd. © Nasa

En mars 1979, le montage des tuiles aurait dû être terminé chez Rockwell, l’entreprise chargée de la réalisation du vaisseau. Mais pour donner l’impression que les préparatifs s’accélèrent, Columbia quitte la Californie pour cap Canaveral alors qu’elle n’est construite qu’à 75 %. Sur le dos de son Boeing, elle perd beaucoup de tuiles pendant le transfert, et la Nasa doit installer en Floride une véritable usine pour achever les travaux. Plus tard, l’entretien du bouclier thermique sera l’une des principales causes de l’impossibilité à tenir le rythme d’un décollage par semaine. Le coût en main-d’œuvre explique aussi en partie pourquoi chaque vol était si cher. Loin du vaisseau Enterprise de la série Star Trek dont le prototype de la navette emprunte le nom, l’avion spatial pourtant iconique d’un certain “âge d’or” n’était-il pas tout simplement mal né ?

Prolonger l’engouement suscité par le programme Apollo

À la fin des années 1960, la Nasa et le gouvernement américain cherchent à prolonger l’engouement suscité par Apollo. Quel sera le prochain rêve ? Mars ? Un complexe orbital ? Une navette réutilisable ? Cette dernière ne fait alors pas l’unanimité. Wernher von Braun, le concepteur de la fusée Saturne 5 qui a emmené Apollo 11 vers la Lune, penche pour une station spatiale comme étape vers Mars. À la Nasa, beaucoup misent sur l’exploration des confins du Système solaire avec les sondes Pioneer 10 et 11 et Voyager. Sauf que peu à peu, dans un contexte de crise sociale dans le pays, d’enlisement au Vietnam, le climat économique et politique se fait moins favorable à l’espace. “Le programme Apollo avait tenu la promesse du président Kennedy en atteignant la Lune au cours des années 1960, mais uniquement parce qu’il avait noyé ses problèmes dans l’argent”, analyse Thomas Heppenheimer, historien des navettes pour la Nasa (1). L’heure n’est plus aux dépenses pharaoniques. Dès l’automne qui suit Apollo 11, le budget de la Nasa est réduit d’un milliard de dollars. L’agence met donc ses rêves de Mars au placard et se focalise sur le tandem navette-station.

Discovery en approche de la station spatiale internationale en juillet 2006. © Nasa
Discovery en approche de la station spatiale internationale (ISS) en juillet 2006. © Nasa
Sur leur fin de vie, les navettes servent enfin à leur fonction initiale : celle d’un cargo. Ici, Ron Garan et Mike Fossum déchargent l’une d’elles à l’aide du bras robot de la station spatiale internationale. © Nasa
Sur leur fin de vie, les navettes servent enfin à leur fonction initiale : celle d’un cargo. Ici, Ron Garan et Mike Fossum déchargent l’une d’elles à l’aide du bras robot de l’ISS. © Nasa

Pour la Nasa, une navette est la promesse d’un soutien logistique à faible coût pour une station spatiale. Cela en fait une spéculation nichée dans une spéculation, car la station est encore au stade du dessin. Autant dire que pour le gouvernement américain, ce n’est pas une priorité. Sauf que l’armée, elle, est intéressée… « Au cours des années 1960, l’Air Force a poursuivi deux objectifs majeurs et distincts qui visaient à placer des militaires en orbite : la navette X-20 Dyna-Soar, puis la station MOL, Manned Orbiting Laboratory. Mais elle a terminé la décennie avec les deux projets annulés et rien à présenter pour justifier ses efforts. De toute évidence, si elle devait envoyer des astronautes dans l’espace, elle ne le ferait pas seule, mais devrait coopérer avec la Nasa », note Thomas Heppenheimer.

L’US Air Force entre en jeu

La Nasa défend depuis plusieurs années déjà son projet de navette réutilisable en mettant en avant la réduction du prix du kilogramme de charge utile placé en orbite, par rapport aux fusées classiques. Le Department of Defense (DoD), l’Air Force et la CIA ont besoin d’une reconnaissance spatiale en temps réel pour lutter contre la menace soviétique. L’Air Force voit avec intérêt la possibilité d’une grande soute à bord de la navette, car ses satellites de reconnaissance sont en fait des télescopes en orbite, et ceux-ci doivent être longs pour produire les images les plus nettes. De son côté, la Nasa a besoin à la fois des charges utiles de l’Air Force et de son soutien politique pour faire passer le projet. Et elle veut pouvoir emporter les modules d’une éventuelle station spatiale.

De plus, la soute doit répondre à des attentes telles que l’augmentation de la taille des futurs satellites de communication. La possibilité de missions ponctuelles rapides, voire de récupérer des satellites en orbite, séduit également l’Air Force. Cela rend plausible une coopération Nasa-Air Force, axée sur un vaisseau à large soute, conçu pour satisfaire les besoins des deux agences. En 1970, le comité scientifique consultatif du président, l’Air Force et l’AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics) adhèrent au projet de navette. Bien que les trois institutions rejettent d’emblée le projet de complexe orbital — ce n’est qu’en 1984 que le président Reagan donnera le feu vert pour la future station spatiale internationale (ISS) —, leur unanimité apporte un soutien politique critique à la Nasa de l’époque.

Dans ses concepts initiaux, la navette américaine devait décoller sur un vaisseau porteur. Les limites budgétaires restreindront à réutiliser uniquement l’orbiteur. © Nasa

Mais quelle navette construire ? Depuis le début des années 1960, une multitude de concepts peuvent tous revendiquer ce nom. Il s’agit à l’époque de modèles propulsés par superstatoréacteurs, moteurs Lace (Liquid Air Cycle Engine), s’appuyant sur des boosters consommables avec des étages supérieurs réutilisables, des configurations partiellement réutilisables telles que le Star Clipper de Lockheed, des produits entièrement réutilisables à deux étages tels que le DC-3 de Maxime Faget et North American Aviation, ou encore le Triamese de General Dynamics (2). Des recherches qui remontent aussi loin que le projet de bombardier suborbital Silbervogel imaginé par l’Autrichien Eugène Sänger pendant la Seconde Guerre mondiale ; le missile supersonique à ailettes Navaho des années 1945-1950, lui-même inspiré des V2 allemandes ; l’avion-fusée hypersonique X-15 de la fin des années 1950 et d’autres aéronefs à fuselage porteur des années 1960.

Nouvelles restrictions budgétaires

Si les versions entièrement réutilisables concentrent d’abord les faveurs de la Nasa, le Bureau du Budget (OMB) annonce en mai 1971 de nouvelles coupes. L’agence doit se contenter pour les prochaines années d’un budget annuel de 3,2 milliards de dollars. Compte tenu des autres programmes spatiaux en cours, cela réduit à 1 milliard de dollars l’enveloppe annuelle consacrée à la navette. Or, le coût de développement d’une navette entièrement réutilisable culmine à 2 milliards de dollars par an. En juin, la Nasa décide d’opter pour un réservoir externe non réutilisable, puis en novembre pour des propulseurs d’appoint à propergol solide, qui permettent d’économiser 500 M$.

Fin 1971, elle transmet à la présidence l’évaluation des coûts de conception et d’exploitation de la navette pour des capacités allant de 14 à 30 tonnes. Sa préférence va à la version la plus lourde, avec orbiteur à aile delta. Selon l’agence, c’est la seule à répondre aux besoins de l’Air Force, tout en permettant d’embarquer les éléments d’une future station spatiale. Richard Nixon, qui ne veut pas être celui qui a mis fin aux missions habitées américaines, n’est pas insensible au lobbying de l’industrie en récession et aux considérations électorales. Il donne son feu vert pour la version la plus ambitieuse de la navette le 5 janvier 1972, dans sa version semi-réutilisable, avec orbiteur (la navette), réservoir externe géant et deux boosters.

En 1976, la distribution de la série télévisée Star Trek pose fièrement devant Enterprise, le prototype de la navette américaine, avec la promesse d’un espace accessible à tous. © Nasa
En 1976, la distribution de la série télévisée Star Trek pose fièrement devant Enterprise, le prototype de la navette américaine. © Nasa
La navette devait pousser au rebut les lanceurs classiques. Ici, en 1989, c’est Atlantis qui lance la sonde Galileo vers la planète Jupiter. © Nasa Smithsonian Institution
La navette devait pousser au rebut les fusées classiques. Ici, en 1989, c’est Atlantis qui lance la sonde Galileo vers Jupiter. © Nasa Smithsonian Institution

Lors des évaluations du projet, le modèle économique est soumis au renommé cabinet Mathematica fondé par Oskar Morgensen, le co-auteur avec John von Neumann de la Théorie des jeux et du comportement économique à Princeton en 1944. Le rapport Mathematica stipule que « le système TAOS (Thrust Assisted Orbiter Space Shuttle System) est la configuration de la navette spatiale la plus économique parmi les systèmes étudiés. [Son développement] est économiquement justifié dans le cadre d’un niveau d’activités compris entre 300 et 360 vols au cours de la période 1979-1990, soit 25 à 30 vols par an, bien dans le cadre du programme spatial américain, y compris des missions de la Nasa et du DoD. Si l’on prend les modèles de la Nasa et du DoD à leur valeur nominale (624 vols), les bénéfices sont estimés à 13,9 milliards de dollars […]. Si le programme prévu est modifié à 514 vols (dans la période 1979-1990), les bénéfices sont estimés à 10,2 milliards de dollars. » (3)

Le crépuscule de l’oiseau spatial

En lançant le projet, la Nasa assure que celui-ci est plus économique à long terme, et qu’un tir de satellites par la navette équivaut à l’envoi de trois fusées Delta non réutilisables pour bien moins cher. Or, si les coûts prévisionnels du programme STS restent dans les premières années dans les marges budgétaires annuelles d’un total de 5,15 milliards alloués en 1971, son coût d’exploitation projeté apparaît, à la fin de la décennie, très éloigné des calculs de Mathematica ! D’après l’estimation revue en 1980 par le Government Accountability Office des États-Unis (4), la facture pour le développement et la fabrication des quatre navettes prévues à l’origine atteint en réalité 13 milliards de dollars…

Par ailleurs, la vision optimiste de 1971 selon laquelle cette flotte spatiale assurerait au moins 50 vols par an s’estompe avec les problèmes de maintenance. Impossible de tenir la cadence avec l’attention qu’il faut porter aux tuiles, aux moteurs, etc. Il faut se rendre à l’évidence : un vol de navette ne sera jamais concurrentiel par rapport aux fusées. La fréquence des tirs n’atteint que 5 % de celle prévue initialement. En trente ans, le programme STS réalise 135 missions pour une facture totale de 208 milliards de dollars (de 2010), avec un coût de 1,5 milliard de dollars par vol en fin de carrière. La dernière mission d’Atlantis ferme le ban en juillet 2011.

La navette américaine est aujourd’hui considérée comme une impasse dans le domaine du vol spatial habité. Restent de belles images et des moments historiques, notamment pour les Français : la génération née avec la navette se souvient encore du vol auquel participa Patrick Baudry en 1985. Le premier vol d’un Français dans une mission de la Nasa, qui enthousiasma le pays.

Le 21 juillet 2011, pour la 135e et dernière fois, une navette revient de l’espace. Atlantis se pose de nuit sur la piste du Centre spatial Kennedy, en Floride. © Nasa
Le 21 juillet 2011, pour la 135e et dernière fois, une navette revient de l’espace. Atlantis se pose de nuit en Floride. © Nasa

(1) et (2) T. A. Heppenheimer, “The Space Shuttle Decision”, Nasa SP-4221, Série d’histoire de la Nasa, 1999.

(3) K. P. Heiss, “The Mathematica economic analysis of the Space Shuttle System”, Conference proceedings, janvier 1973.

(4) Gregg Easterbrook, “Beam Us Out Of This Space Trap, Scotty !”, The Washington Monthly, avril 1980.

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