A peu près de la taille d’un McDonnell Douglas DC-9, l’orbiteur de la navette spatiale ressemblait à un avion dans sa conception, avec un fuselage d’apparence standard et deux ailes doubles en delta, les deux ailes en flèche à un angle de 81 degrés à leurs bords d’attaque intérieurs et de 45 degrés à leurs bords d’attaque extérieurs. Le stabilisateur vertical de l’orbiteur avait un bord d’attaque qui était balayé vers l’arrière à un angle de 45 degrés. Quatre élevons étaient montés sur les bords de fuite des ailes delta, et la combinaison gouvernail et aérofrein était fixée sur le bord de fuite de la dérive. Ceux-ci, ainsi qu’un volet de corps mobile situé sous les moteurs principaux, contrôlaient l’orbiteur pendant les dernières étapes de la rentrée.
Système de contrôle d’attitudeEdit
Le système de contrôle de réaction (RCS) était composé de 44 petits propulseurs de fusée alimentés en liquide et de leur système de contrôle de vol électrique très sophistiqué, qui utilisait un filtrage de Kalman numérique à forte intensité de calcul. Ce système de contrôle effectuait le contrôle d’attitude habituel le long des axes de tangage, de roulis et de lacet pendant toutes les phases de vol du lancement, de la mise en orbite et de la rentrée dans l’atmosphère. Ce système a également exécuté toutes les manœuvres orbitales nécessaires, y compris tous les changements d’altitude, de plan orbital et d’excentricité de l’orbite. Ce sont toutes des opérations qui nécessitaient plus de poussée et d’impulsion que le simple contrôle d’attitude.
Les fusées avant du système de contrôle de réaction, situées près du nez de l’orbiteur de la navette spatiale, comprenaient 14 fusées RCS primaires et deux fusées RCS vernier. Les moteurs RCS arrière étaient situés dans les deux nacelles du système de manœuvre orbitale (OMS) à l’arrière de l’orbiteur, et ceux-ci comprenaient 12 moteurs primaires (PRCS) et deux moteurs verniers (VRCS) dans chaque nacelle. Le système PRCS permettait de contrôler le pointage de l’orbiteur, tandis que le VRCS était utilisé pour les manœuvres fines lors des manœuvres de rendez-vous, d’amarrage et de désamarrage avec la Station spatiale internationale, ou auparavant avec la station spatiale russe Mir. Le RCS a également contrôlé l’attitude de l’orbiteur pendant la majeure partie de sa rentrée dans l’atmosphère terrestre – jusqu’à ce que l’air devienne suffisamment dense pour que le gouvernail, les élevons et le volet de corps deviennent efficaces.
Le carburant de l’OMS et du RCS de l’orbiteur est la monométhyl hydrazine (CH3NHNH2), et l’oxydant est le tétroxyde de diazote (N2O4). Cette combinaison particulière de propergols est extrêmement réactive et s’enflamme spontanément au contact (hypergolique) les uns des autres. Cette réaction chimique (4CH3NHNH2 + 5N2O4 → 9N2 + 4CO2 + 12H2O) se produit dans la chambre de combustion du moteur. Les produits de la réaction sont ensuite détendus et accélérés dans la cloche du moteur pour fournir une poussée. En raison de leurs caractéristiques hypergoliques, ces deux produits chimiques sont facilement démarrés et redémarrés sans source d’allumage, ce qui les rend idéaux pour les systèmes de manœuvre des engins spatiaux.
Pendant le processus de conception précoce de l’orbiteur, les propulseurs RCS avant devaient être cachés sous des portes rétractables, qui s’ouvriraient une fois que l’orbiteur aurait atteint l’espace. Ceux-ci ont été omis en faveur de propulseurs encastrés par crainte que les portes RCS restent coincées ouvertes et mettent en danger l’équipage et l’orbiteur pendant la rentrée.
Cabine pressuriséeEdit
Le poste de pilotage ou cockpit de l’orbiteur comptait à l’origine 2 214 commandes et affichages, soit environ trois fois plus que le module de commande Apollo. La cabine de l’équipage se composait du pont de vol, du pont intermédiaire et de la zone utilitaire. Le pont supérieur était le poste de pilotage, dans lequel étaient assis le commandant et le pilote de la navette spatiale, avec jusqu’à deux spécialistes de mission assis derrière eux. Le pont intermédiaire, qui se trouvait sous le pont de vol, comportait trois autres sièges pour le reste des membres d’équipage.
La cuisine, les toilettes, les emplacements pour dormir, les casiers de rangement et la trappe latérale pour entrer et sortir de l’orbiteur étaient également situés sur le pont intermédiaire, ainsi que le sas. Le sas était doté d’une trappe supplémentaire donnant sur la soute. Ce sas permettait à deux ou trois astronautes, portant leur combinaison spatiale EMU (Extravehicular Mobility Unit), de dépressuriser avant une sortie dans l’espace (EVA), et aussi de repressuriser et de réintégrer l’orbiteur à la fin de l’EVA.
La zone utilitaire était située sous le plancher du pont intermédiaire et contenait des réservoirs d’air et d’eau en plus du système d’épuration du dioxyde de carbone.
PropulsionEdit
Trois moteurs principaux de la navette spatiale (SSME) étaient montés sur le fuselage arrière de l’orbiteur selon le modèle d’un triangle équilatéral. Ces trois moteurs alimentés en liquide pouvaient être pivotés de 10,5 degrés verticalement et de 8,5 degrés horizontalement pendant l’ascension de l’orbiteur à l’aide de la fusée, afin de changer la direction de leur poussée. Ainsi, ils dirigeaient l’ensemble de la navette spatiale, tout en fournissant la poussée de la fusée vers l’orbite. Le fuselage arrière abritait également trois groupes auxiliaires de puissance (APU). Les APU convertissaient chimiquement le carburant hydrazine de l’état liquide à l’état gazeux, alimentant une pompe hydraulique qui fournissait la pression pour tout le système hydraulique, y compris le sous-système hydraulique qui dirigeait les trois principaux moteurs-fusées à carburant liquide, sous contrôle de vol informatisé. La pression hydraulique générée était également utilisée pour contrôler toutes les surfaces de contrôle de vol de l’orbiteur (les élevons, le gouvernail, le frein de vitesse, etc.), pour déployer le train d’atterrissage de l’orbiteur et pour rétracter les portes de connexion des tuyaux ombilicaux situées près du train d’atterrissage arrière, qui alimentaient les SSME de l’orbiteur en hydrogène et en oxygène liquides à partir du réservoir externe.
Deux propulseurs du système de manœuvre orbitale (OMS) étaient montés dans deux nacelles amovibles distinctes sur le fuselage arrière de l’orbiteur, situées entre les SSME et le stabilisateur vertical. Les moteurs OMS fournissaient une poussée importante pour les manœuvres orbitales de parcours, notamment l’insertion, la circularisation, le transfert, le rendez-vous, la désorbitation, l’abandon de l’orbite et l’abandon de l’orbite. Au moment du décollage, deux propulseurs d’appoint à poudre (SRB) ont été utilisés pour amener le véhicule à une altitude d’environ 140 000 pieds.
Énergie électriqueEdit
L’énergie électrique pour les sous-systèmes de l’orbiteur était fournie par un ensemble de trois piles à combustible hydrogène-oxygène qui produisaient du courant continu de 28 volts et qui étaient également converties en courant électrique triphasé de 115 volts 400 Hz (pour les systèmes qui utilisaient le courant alternatif). Ces piles ont alimenté l’ensemble de la navette (y compris les SRB et l’ET) de T moins 3m30s jusqu’à la fin de la mission. L’hydrogène et l’oxygène destinés aux piles à combustible étaient conservés dans des paires de réservoirs cryogéniques situés au milieu du fuselage, sous le revêtement de la soute, et un nombre variable de ces réservoirs pouvait être installé (jusqu’à cinq) en fonction des exigences de la mission. Les trois piles à combustible étaient capables de générer 21 kilowatts de puissance en continu (ou un pic de 36 kilowatts en 15 minutes), l’orbiteur consommant en moyenne environ 14 kilowatts de cette puissance (laissant 7 kilowatts pour la charge utile).
En outre, les piles à combustible fournissaient de l’eau potable à l’équipage pendant la mission.
Systèmes informatiquesModification
Le système informatique de l’orbiteur était composé de cinq ordinateurs avioniques IBM AP-101 identiques, qui contrôlaient de manière redondante les systèmes embarqués du véhicule. Le langage de programmation spécialisé HAL/S était utilisé pour les systèmes de l’orbiteur.
Protection thermiqueEdit
Les orbiteurs étaient protégés par des matériaux du système de protection thermique (TPS) (développés par Rockwell Space Systems) à l’intérieur et à l’extérieur, de la surface extérieure de l’orbiteur à la soute. Le TPS l’a protégé de la trempe froide de -121 °C (-186 °F) dans l’espace à la chaleur de 1 649 °C (3 000 °F) de la rentrée dans l’atmosphère.
StructureEdit
La structure de l’orbiteur était principalement faite d’alliage d’aluminium, bien que la structure de poussée du moteur ait été faite d’alliage de titane. Les orbiteurs ultérieurs (Discovery, Atlantis et Endeavour) ont substitué l’époxy graphite à l’aluminium dans certains éléments structurels afin de réduire le poids. Les hublots étaient fabriqués en verre de silicate d’aluminium et en verre de silice fondue, et comprenaient une vitre de pression interne, une vitre optique de 33 mm d’épaisseur et une vitre thermique externe. Les vitres étaient teintées avec la même encre que celle utilisée pour fabriquer les billets de banque américains.
Train d’atterrissageEdit
L’orbiteur de la navette spatiale avait trois jeux de trains d’atterrissage qui émergeaient vers le bas par des portes dans le bouclier thermique. Par mesure d’économie de poids, le train ne pouvait pas être rétracté une fois déployé. Comme toute sortie prématurée du train d’atterrissage aurait très probablement été catastrophique (car il s’ouvrait à travers les couches du bouclier thermique), le train d’atterrissage ne pouvait être sorti que par des commandes manuelles, et non par un système automatique.
De même, comme la navette atterrissait à grande vitesse et ne pouvait pas interrompre sa tentative d’atterrissage, le train devait se déployer de manière fiable du premier coup à chaque fois. Le train d’atterrissage était déverrouillé et déployé par un système hydraulique à triple redondance, les trappes du train d’atterrissage étant actionnées par des liaisons mécaniques avec la jambe de force du train. Si les trois systèmes hydrauliques ne parvenaient pas à libérer les verrous du train d’atterrissage dans la seconde suivant la commande de déverrouillage, des charges pyrotechniques coupaient automatiquement les crochets de verrouillage et un jeu de ressorts déployait le train.
Lors de l’atterrissage, la roue avant de la navette pouvait être dirigée avec les pédales de direction dans le cockpit. Au cours de la construction de la navette spatiale Endeavour, un système amélioré de direction de la roue de nez a été mis au point, ce qui a permis de diriger plus facilement et mieux la roue de nez. Après le déploiement d’Endeavour, le système a été installé sur les autres navettes lors de leurs révisions au début des années 1990.
L’orbiteur de la navette spatiale ne portait pas de feux anticollision, de feux de navigation ou de feux d’atterrissage, car l’orbiteur atterrissait toujours dans des zones spécialement autorisées par la Federal Aviation Administration et l’Air Force. L’orbiteur a toujours atterri soit sur la base aérienne d’Edwards (Californie), soit sur le site d’atterrissage de la navette du centre spatial Kennedy (Floride), à l’exception de STS-3 qui a atterri sur le port spatial de White Sands au Nouveau-Mexique. Des autorisations spéciales similaires (zones d’interdiction de vol) étaient également en vigueur sur les sites potentiels d’atterrissage d’urgence, comme en Espagne et en Afrique de l’Ouest pendant tous les lancements.
Lorsqu’un atterrissage d’orbiteur était effectué de nuit, la piste était toujours fortement éclairée par la lumière des projecteurs et des projecteurs au sol, ce qui rendait les feux d’atterrissage sur l’orbiteur inutiles et aussi une charge de poids de vol spatial inutile. Un total de 26 atterrissages ont eu lieu de nuit, le premier étant STS-8 en septembre 1983.
Marquages et insignesEdit
La police de caractères utilisée sur la navette spatiale Orbiter était Helvetica.
Le prototype de l’orbiteur Enterprise avait à l’origine un drapeau des États-Unis sur la surface supérieure de l’aile gauche et les lettres « USA » en noir sur l’aile droite. Le nom « Enterprise » en noir était peint sur les portes de la soute juste au-dessus de la charnière la plus avant et derrière le module d’équipage ; sur l’extrémité arrière des portes de la soute se trouvait le logotype « ver » de la NASA en gris. Sous l’arrière des portes de la soute, sur le côté du fuselage juste au-dessus de l’aile, se trouvait le texte « United States » en noir avec un drapeau des États-Unis devant lui.
Le premier orbiteur opérationnel, Columbia, avait à l’origine les mêmes marquages que Enterprise, bien que les lettres « USA » sur l’aile droite étaient légèrement plus grandes et plus espacées. Columbia avait également des tuiles noires dont Enterprise était dépourvue sur son module RCS avant, autour des fenêtres du cockpit, et sur son stabilisateur vertical. Columbia avait également des chines noires distinctives sur la partie avant de ses surfaces d’ailes supérieures, qu’aucun des autres orbiteurs n’avait.
Challenger a établi un schéma de marquage modifié pour la flotte de navettes qui serait égalé par Discovery, Atlantis et Endeavour. Les lettres « USA » en noir au-dessus d’un drapeau américain étaient affichées sur l’aile gauche, avec le logotype « ver » de la NASA en gris centré au-dessus du nom de l’orbiteur en noir sur l’aile droite. De plus, le nom de l’orbiteur n’était pas inscrit sur les portes de la soute, mais sur la partie avant du fuselage, juste en dessous et derrière les fenêtres du cockpit. Le nom était ainsi visible lorsque l’orbiteur était photographié en orbite avec les portes ouvertes. Challenger avait également des tuiles noires sur l’extrémité de son stabilisateur vertical un peu comme Columbia, ce dont les autres orbiteurs étaient dépourvus.
En 1983, Enterprise a vu ses marquages d’ailes modifiés pour correspondre à Challenger, et le logotype « ver » de la NASA sur l’extrémité arrière des portes de la soute a été modifié du gris au noir. Certaines marques noires ont été ajoutées au nez, aux fenêtres du cockpit et à la queue verticale pour ressembler davantage aux véhicules de vol, mais le nom « Enterprise » est resté sur les portes de la soute, car il n’a jamais été nécessaire de les ouvrir. Columbia a vu son nom déplacé sur le fuselage avant pour correspondre aux autres véhicules de vol après STS-61-C, pendant le hiatus de 1986-88 où la flotte de navettes a été clouée au sol après la perte de Challenger, mais a conservé ses marquages d’aile d’origine jusqu’à sa dernière révision (après STS-93), et ses mentons noirs uniques pour le reste de sa vie opérationnelle.
À partir de 1998, les marquages des véhicules de vol ont été modifiés pour intégrer l’insigne « meatball » de la NASA. Le logotype « worm », que l’agence avait supprimé progressivement, a été retiré des portes de la soute et l’insigne « meatball » a été ajouté à l’arrière du texte « United States » sur la partie inférieure du fuselage arrière. L’insigne « meatball » était également affiché sur l’aile gauche, avec le drapeau américain au-dessus du nom de l’orbiteur, justifié à gauche plutôt que centré, sur l’aile droite. Les trois véhicules de vol survivants, Discovery, Atlantis et Endeavour, portent toujours ces marques et sont exposés dans des musées. Enterprise est devenu la propriété de la Smithsonian Institution en 1985 et n’était plus sous le contrôle de la NASA lorsque ces changements ont été effectués, c’est pourquoi l’orbiteur prototype a toujours ses marquages de 1983 et porte toujours son nom sur les portes de la soute.
RetraitEdit
Avec la fin du programme de la navette, des plans ont été faits pour placer les trois orbiteurs de la navette spatiale restants sur une exposition permanente. L’administrateur de la NASA, Charles Bolden, a annoncé l’emplacement des orbiteurs le 12 avril 2011, date du 50e anniversaire du premier vol spatial humain et du 30e anniversaire du premier vol de Columbia. Discovery est allée au Centre Steven F. Udvar-Hazy du Smithsonian, remplaçant Enterprise qui a été déplacée au Musée Intrepid Sea, Air & Space à New York. Endeavour est allée au California Science Center à Los Angeles, où elle est arrivée le 14 octobre 2012. Atlantis est allée au Kennedy Space Center Visitor Complex le 2 novembre 2012. Des centaines d’autres artefacts de la navette seront mis en exposition dans divers autres musées et établissements d’enseignement aux États-Unis.
L’un des matériels d’entraînement de vol et de milieu de pont du Crew Compartment Trainer est exposé au Musée national de l’armée de l’air américaine, tandis que l’autre est exposé au JSC. Le Full Fuselage Trainer, qui comprend la soute et la section arrière mais pas les ailes, est exposé au Museum of Flight de Seattle, dans l’État de Washington. Le simulateur à base fixe du centre de simulation et d’entraînement aux missions de la navette était initialement destiné au planétarium Adler de Chicago, dans l’Illinois, mais a ensuite été transféré au Stafford Air & Space Museum de Weatherford, dans l’Oklahoma. Le simulateur de base de mouvement a été transféré au département d’ingénierie aérospatiale de l’A&M du Texas à College Station, Texas, et le simulateur de guidage et de navigation est allé au Wings of Dreams Aviation Museum à Starke, Floride. La NASA a également mis environ 7 000 tuiles TPS à la disposition des écoles et des universités.