Véhicule automatique de transfert européen

Le Véhicule automatique de transfert européen (en anglais, «Automated Transfer Vehicle (ATV)») selon le terme utilisé par Jean-Jacques Dordain, le directeur général de l'Agence spatiale européenne, aussi nommé génériquement «Vaisseau cargo automatique», est un engin spatial conçu pour ravitailler la Station spatiale mondiale (ISS).

Fonctionnellement il prendra le relais des vaisseaux russes Progress-M — il est trois fois plus gros qu'eux — avec comme mission de ravitailler les astronautes de la base spatiale ISS en air, eau, nourriture, courrier, carburant, pièces de rechanges et matériels scientifiques...

Présentation

L'ATV se présente sous une forme cylindrique pour être positionné au sommet d'une Ariane 5 ES ATV. Il mesure 10, 3 mètres de long et 4, 85 mètres de diamètre, pour une masse totale de 20, 7 tonnes. Il est divisé en trois parties :

• le module de fret (cargo carrier)  ;
• le module d'avionique ;
• le module de propulsion.

La totalité module d'avionique et module de propulsion est nommé spacecraft. L'avant du module de fret est le module de docking russe ADA qu'on retrouve sur les vaisseaux Progress ou Soyouz.

C'est un engin de transport de fret entièrement automatisé. Suivant les besoins de la station, l'ATV peut emporter jusqu'à :

• 100 kg d'air, d'oxygène ou d'azote pour l'atmosphère de l'ISS ;
• 840 kg d'eau potable pour l'équipage ;
• 840 kg d'ergols pour le dispositif de propulsion de la station ;
• 4 500 kg de charges utiles qui se trouvent dans la zone pressurisée de l'ATV, accessible aux astronautes de l'ISS. Une fois l'ATV amarré, ils peuvent ainsi aller et venir entre ce module pressurisé et le reste de l'ISS ;
• 4 700 kg de carburant pour la fonction de remorquage (re-boost).

Le vol pour rejoindre l'orbite de l'ISS, l'approche et l'arrimage à la station sont entièrement automatisés et contrôlés à partir du Centre spatial de Toulouse (ATV-CC), lié au Centre national d'études spatiales (CNES). L'arrimage s'effectue sur le module de service russe Zvezda.

Une fois arrimé, l'ATV peut rester jusqu'à 6 mois et autorise la station de corriger sa trajectoire pour éviter les débris spatiaux et relever son orbite.

Une fois vide, l'ATV est rempli des différentes eaux usées et déchets de l'ISS, pour être ensuite détaché et détruit par une rentrée contrôlée dans l'atmosphère.

Développement et production

Le maître d'œuvre de l'ATV est EADS Astrium Space Transportation qui mène pour le compte de l'Agence spatiale européenne (ESA) un consortium composé de nombreux sous-contractants. Les bureaux du maître d'œuvre sont pour le moment aux Mureaux (France) et seront transférés à Brême (Allemagne) une fois le développement terminé et la production des exemplaires successifs entamée. Le client, l'ESA dispose pendant tout le développement d'une équipe intégrée sur le site des Mureaux.

Le premier ATV a été lancé par une fusée Ariane 5 depuis la base de Kourou en Guyane française, dans la nuit du 8 au 9 mars 2008 à 01h03min heure locale. Il a été baptisé Jules Verne, du nom du premier auteur de science-fiction des temps modernes. Les contrats et accords existants prévoient la production de quatre exemplaires supplémentaires de l'ATV, qui seront lancés au rythme d'environ un par an (Voir le paragraphe Missions). Ces lancements s'étaleront de 2009 à 2013, en vertu d'accords entre la NASA et l'ESA.

Deux principaux sous-contractants du projet sont :

• Thales Alenia Space, dans son établissement de Turin, en Italie, responsable du développement et de la production du module pressurisé ;
• RSC Energia (Russie) qui apporte le dispositif d'arrimage (RDS, Russian Docking System), le dispositif de ravitaillement (refuelling system) mais aussi divers équipements électriques.

Coûts et comparaison avec les autres moyens de transport

Cargo	Progress	ATV	HTV	Space Shuttle avec MPLM
Capacité	2, 3 t	7, 6 t	6, 0 t	10 t
Lanceur	Fusée Soyouz	Ariane 5	H-2B	Space Shuttle
Prix par lancement (1 € = 1, 5383 US) (Cargo + Lanceur)	26 M EUR 40 M USD (20 M + 20 M USD)	330 M EUR 508 M USD (150 M + 180 M EUR)	? M USD (? M + 90 M)	260 M EUR 400 M USD SD ≈ 1 Mrd USD
Prix à la Tonne (1 € = 1, 5383 US)	11, 3 M EUR 17, 4 M USD	43, 4 M EUR 66, 8 M USD	?	40 M - 100 M USD

Cette comparaison fait apparaître un lancement particulièrement économique par Soyouz-Progress, mais particulièrement limité en masse. Le niveau actuel de l'euro (comparé au dollar) ne tourne bien entendu pas à l'avantage de l'ATV, mais malgré cela l'ATV peut se révéler plus, et même bien plus, économique que l'utilisation de la navette spatiale.

Mais en particulier l'ATV permet d'éviter l'utilisation de la navette spatiale, dont la fin est programmée en 2010.

Premier lancement : l'ATV-001 Jules Verne

Le premier lancement (vol 181 d'Ariane) du Jules Verne a eu lieu le 9 mars 2008 à 01h03 (heure locale), 4h03 UTC^[1].

La fusée Ariane 5 ES a suivi une trajectoire particulièrement spécifique (départ direction France métropolitaine), et son moteur Æstus a été allumé trois fois^[2]. Après une première phase propulsée au dessus de l'océan Atlantique, l'étage supérieur EPS (pour Étage à propergols stockables) a été arrêté et après une longue phase balistique, c'est-à-dire sans aucune propulsion, au dessus de l'Europe et de l'Asie, cet étage a été rallumé pour une deuxième poussée et c'est au dessus du Pacifique Sud que l'ATV se sera scindé du lanceur.

Comme lors de tout lancement d'Ariane, les données de télémesure, faisant état du comportement du lanceur et des évènements importants survenus, émises pendant les phases propulsées, ont été reçues par un réseau de stations qualifié d'atypique car constitué de moyens et de lieux en grande partie nouveaux. Ce réseau est constitué de , hormis la station habituelle de Kourou :

• une station navalisée embarquée sur un navire au nord de l'Amérique du Sud, déjà utilisée lors de certains lancements
• une nouvelle station sur un site créé sur l'île de Santa Maria aux Açores
• une station australienne localisée à l'Université d'Adélaïde
• une station mobile sud-africaine installée sur un nouveau site, créé à Awarua, près d'Invercargill au sud de la Nouvelle-Zélande. C'est cette dernière station qui aura reçu l'information de séparation de l'ATV du lanceur.

Enfin, à l'issue d'une orbite complète, une dernière station, localisée au Sud-Ouest de l'Australie, à Dongara, aura permis de suivre un troisième allumage de l'EPS, cette dernière poussée ayant pour but de désorbiter l'étage supérieur d'Ariane 5 pour le précipiter dans l'océan Pacifique.

Réussite de la procédure d'urgence anti-collision

L'ATV dispose d'un système appelé collision avoidance manœuvre, ou CAM, qui peut être activé depuis le sol ou bien de manière automatique par le monitoring and safety unit si la situation d'amarrage présente un risque de collision.

Le mode de fonctionnement de la procédure est totalement indépendant des organes primaires de l'ATV. Le dispositif informatique est physiquement différent, les logiciels en sont de même, l'alimentation se fait par des batteries scindés.

L'objectif, en cas de risque de collision, est d'allumer des moteurs durant 3 minutes, pour provoquer un freinage d'urgence, puis éloigner le vaisseau de la station. Un calculateur de bord choisit une trajectoire pour mener l'ATV hors d'une zone appelée Keep out sphere, sphère virtuelle de 200 mètres de rayon autour du centre de gravité de la station.

Cette procédure induit l'arrêt des dispositifs de l'ATV et l'activation d'un mode de survie. La manœuvre est modélisée par l'ESA dans le lien suivant : Manœuvre anti-collision. ^[3]. Le 14 mars 2008 à 10h45 CET, le test du CAM s'est révélé positif.

Réussite de l'amarrage pour l'ATV Jules Verne

L'amarrage de l'ATV Jules Verne à la station spatiale mondiale (ISS) s'est déroulé le 3 avril 2008 comme prévu, en mode automatique.

La séquence d'approche finale a débuté à 10h32 (TU), le vaisseau se trouvait alors à 39 km derrière ISS. Il a alors navigué par GPS et s'est approché jusqu'à un point localisé à 3, 5 km où il s'est arrêté pendant 30 minutes, le temps que l'équipage de la station fasse des test d'arrêt et de recul. Il est ensuite reparti à une vitesse de 40 cm/s avant de s'arrêter pendant 37 minutes à 249 m de la station. À 13h53, les instruments laser sont mis en marche puis il entame une approche à la vitesse de 7 cm/s pour s'arrêter 15 minutes à 19 m d'ISS, il est alors 14h14 (TU). Il reprend ensuite sa course s'arrêtant une dernière fois à 11 m pendant 6 minutes. Arrivé à 1 m, les astronautes ne pouvaient plus intervenir et finalement le contact eut lieu à 14h45min30s (TU) et la fermeture des crochet de jonction à 14h52 (TU) ^[4].

Ce n'est que le 4 avril que les astronaute ont ouvert la porte de l'ATV pour y placer un appareil de filtrage de l'air. Le lendemain à 8h30 (TU), l'équipage a pu allumer la lumière, débrancher l'appareil de filtrage, amener des appareils respiratoires portables et un extincteur^[4]. Le premier voyage de l'ATV a amené 9 357 kg de charges dont 3 556 kg d'ergols. La charge cargo était constituée de 1 150 kg de vêtements, équipements et nourriture, 269 kg d'eau, 21 kg d'oxygène^[4].

Cet amarrage «marque l'entrée de l'ESA dans le club fermé des partenaires capables d'accéder par leurs propres moyens au complexe orbital», et c'est par conséquent une étape importante pour l'Europe. ^[5]

«Une page complètement nouvelle s'ouvre dans l'histoire de l'Agence spatiale européenne» (Esa), a souligné son directeur général, Jean-Jacques Dordain, au centre spatial guyanais de Kourou, désormais troisième «port» pour des liaisons avec l'ISS, après Cap Canaveral aux États-Unis et Baïkonour au Kazakhstan.

Le convoyage du fret dans l'espace est démontré depuis longtemps par les Européens avec le lanceur Ariane. Mais injecter une charge sur une orbite à quelques mètres près est particulièrement différent de s'approcher d'une station habitée, puis de s'y greffer avec une précision centimétrique. Le tout à 30 fois la vitesse du son et sans intervention humaine puisque le pilotage de l'ATV a été entièrement automatique.

Outre cette prouesse technologique, les Européens ont dû aussi relever une gageure imprévue, celle-là, dans la mesure où elle est diplomatique. L'ATV a été un chemin de croix dont se souvient toujours EADS Astrium, son maître d'ouvrage. Lancé en 1998, le développement du véhicule a dû être complètement remis à plat en 2000. «Nous avons dû respecter les règles de sécurité dictées par les Russes et les règles imposées par les Américains. Cela a entraîné une complexité invraiidentique du véhicule», explique Robert Lainé, directeur technique d'EADS. ^[6]

Missions, programmées ou non

#	Date de lancement	Désignation	Résultat
1	9 mars 2008, 4 :03 UTC	Jules Verne	Arrimé le 3 avril 2008
2	2010	Johannes Kepler[7]	Planifié
3	2011	ATV-3	Planifié
4	2012	ATV-4	Planifié
5	2013	ATV-5	Planifié
6	à déterminer	ATV-6	Possible
7	à déterminer	ATV-7	Possible

^[8][9]

Perspectives et applications futures

«L'ATV forme aussi une étape dans le développement des futurs dispositifs de transport spatial. Capable d'exécuter des manœuvres de transfert orbital et de rendez-vous, l'ATV prolonge et complète les possibilités d'Ariane 5. Il représente les premiers pas de l'Europe dans le domaine de la technologie de la rentrée contrôlée, même si en l'occurrence c'est une rentrée atmosphérique destructive.»

De plus, «avec l'expérience ARD, l'Europe dispose des compétences techniques pour concevoir un dispositif de transport spatial habité. L'ultime évolution d'Ariane 5 serait par conséquent de la qualifier pour le vol habité. Manque juste la volonté politique de jeter les bases d'un tel programme qui s'affichera peut-être lors de la prochaine réunion du Conseil de l'Agence spatiale au niveau ministériel qui se tiendra en fin d'année (2008), à La Haye, au regard des 2 succès européens de ce début d'année (Columbus et ATV)». ^[10]

L'utilisation de l'ATV à des fins lunaires est envisagée. Le module pressurisé serait remplacé par une capsule habitable, avec un dispositif de rentrée atmosphérique identique dans son concept au Module de commande Apollo ^[11].

Le rendez-vous spatial automatisé, avec un amarrage à l'ISS sans intervention humaine, est un banc d'essai «pour de futurs vols spatiaux humains et pour des missions de retour d'échantillons» de Mars, s'est félicité Jean-Jacques Dordain, directeur général de l'Agence spatiale européenne. ^[12]

Les adaptations et évolutions envisageables de l'ATV sont nombreuses, parmi lesquelles^[13] :

• Amarrage de l'ATV pas uniquement sur la partie russe, mais également sur la partie américaine de l'ISS, grâce à un dispositif d'amarrage universel, avec une ouverture plus large pour le transfert de fret.
• Capsule de rentrée atmosphérique, non habitée
• Un véhicule de transport d'équipage (Crew Transport Vehicle ou CTV). Le module pressurisé de l'ATV serait transformé en capsule de sauvetage des équipages de l'ISS tout d'abord.
• Laboratoire scientifique, autonome, non piloté pouvant évoluer librement et capable de s'amarrer périodiquement à l'ISS pour réapprovisionnement et appui logistique. Cette idée est séduisante car le niveau de microgravité pourrait être bien meilleur que sur l'ISS elle-même. [7] Un vaisseau spatial en vol libre pourrait aussi servir de chaloupe de secours à l'équipage en cas d'extrême urgence.
• Mini-station spatiale, en réunissant plusieurs ATV au moyen de deux mécanismes d'amarrage.

Références

1. ↑ Jules Verne ATV launch rescheduled to 9 March, ESA (3 mars 2008).
2. ↑ Quelques détails du lancement de l'ATV Ariane et l'ATV : le lancement de l'ATV, la famille Ariane 5, les vols habités, Galileo...
3. ↑ (fr) http ://www. esa. int/esaCP/France. html
4. ↑ ^{a  b  c}  Christian Lardier, «Amarrage nominal pour l'ATV», dans Air et cosmos, n^o 2120, 11 avril 2008, p.  36-37 (ISSN 1240-3113)  
5. ↑ (fr) http ://www. esa. int/esaCP/France. html
6. ↑ Outre une prouesse technologique, un chemin de croix diplomatique... Le succès de l'amarrage de l'ATV à l'ISS
7. ↑ L'ESA baptise Johannes Kepler le second ATV, dans Air & Cosmos, N° 2161, 27 février 2009
8. ↑ Space. com, «European Cargo Ship Begins Maiden Space Voyage», 9 mars, 2008
9. ↑ NASA, «Multi-Program Integrated Milestones», 25 janvier, 2008
10. ↑ Vers les vols habités Ariane et l'ATV : la famille Ariane 5, les vols habités, Galileo...
11. ↑ (fr) Vols habités : l'Europe vise la Lune
12. ↑ La Lune et Mars en perspective... Le succès de l'amarrage de l'ATV à l'ISS
13. ↑ Trois succès majeurs de l'Europe spatiale : Ariane 5 ES, amarrage de l'ATV et de Colombus à la station spatiale mondiale (ISS)

Liens externes

• (fr) Présentation de l'ATV sur le site de EADS SPACE Transportation
• (fr) Dossier de vol 181 Ariane 5ES ATV
• (fr) Tout savoir sur l'ATV, Ciel & Espace radio, avec Robert Lainé et Jean-François Clervoy
• (en) Site officiel de l'ESA sur l'ATV
• (en) ESA : ATV Evolution Scenarios
• (en) Rendez-vous orbital de l'ATV avec la Station Spatiale Mondiale (ISS) sur le site de la NASA
• (fr) Le cosmonaute Oleg Konenko dans l'ATV

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