Boeing X-37

En 1998, la NASA lance le développement d'un démonstrateur volant de navette sans équipage pour valider de nouvelles technologies susceptibles de profiter au transport spatial[1]. Les domaines de recherche prospectés sont la conception des réservoirs d’ergols, le bouclier thermique, l'avionique et les aspects structurels. En décembre 1998, la société Boeing est sélectionnée pour développer le X-37 qu'elle propose de développer à partir du dessin du X-40A qu'elle conçoit pour la USAF : le coût, estimé à 173 millions de dollars américains, est partagé à 50-50 % entre la NASA et Boeing. Au cours des quatre années suivantes la NASA, augmente sa participation de 24 millions de dollars, et la USAF apporte 16 millions de dollars pour financer l’ajout de panneaux solaires et d’un système de contrôle d’attitude requis pour une utilisation militaire[2] - [3].

Essais de roulage en 2007 à Vandenberg.

Le X-37 est le troisième démonstrateur avancé développé par la NASA. Il prend la suite du X-33 de Lockheed-Martin et du X-34 de Orbital Sciences mais contrairement à ceux-ci, qui sont uniquement capables d'effectuer des vols atmosphériques, il peut être injecté sur une orbite, puis effectuer une rentrée atmosphérique. Le X-37 doit permettre de valider 41 nouvelles technologies. La forme du X-37 dérive de celle du X-40A, dont il est une copie à l'échelle de 120 %. Le X-40A est d'ailleurs utilisé dans le cadre du projet X-37 pour tester les procédures d'atterrissage automatiques au Dryden Flight Research Center de la NASA[2].

Le premier vol en orbite du X-37 est prévu initialement en 2002 : le X-37 doit être lancé par la navette spatiale américaine, ce qui conditionne l'envergure maximum des ailes. En novembre 2002, Boeing reçoit un nouveau contrat de 301 millions de dollars pour continuer à travailler sur le X-37 dans le cadre du projet Space Launch Initiative de la NASA. Deux prototypes doivent être construits :

• le X-37 Approach and Landing Test Vehicle (ALTV) est utilisé pour valider la phase du vol atmosphérique et l'atterrissage. Il permet de tester la stabilité aérodynamique, l'intégrité structurelle et les opérations de contrôle depuis le sol.
• Le X-37 Orbital Test Vehicle (OTV) est utilisé pour valider les phases de lancement, les opérations en orbite, la rentrée atmosphérique et l'atterrissage. Il permet de tester notamment l'avionique, le bon fonctionnement du bouclier thermique et sa réutilisation [2].

Le premier test du véhicule ALTV est programmé pour 2004, tandis que le vol orbital doit avoir lieu en 2006[3].

En 2004, le lancement du programme Constellation entraîne une révision des priorités de l'agence spatiale. La NASA recentre ses travaux sur le vaisseau Orion. Le 13 septembre 2004, le projet X-37 est transféré à la DARPA, l'agence de recherche de la Défense chargée des projets avancés, puis à la USAF (Air Force's Rapid Capabilities Office) en 2006[4] - [5]. Il devient un projet classé confidentiel[6].

Depuis sa création le 24 juillet 2020, les engins sont mis en œuvre par le Space Delta 7 (en), une unité du Space Operations Command (en) du US Space Command.

Les tests atmosphériques débutent en utilisant le X-40A. Ce dernier, après avoir été hissé à une altitude de 4,5 km par un hélicoptère, est largué et effectue un atterrissage en mode automatique. Les 7 tests effectués en 2001 sont tous des succès. Les tests d’atterrissage sont confiés à la société Scaled Composites et à son avion White Knight. Après plusieurs vols captifs effectués en 2005, le X-37B est lâché le 7 avril 2006 mais il subit quelques dommages durant l'atterrissage. Les vols suivants permettent de qualifier le X-37B[3].

• Décollage et retour de mission
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  Décollage du lanceur Atlas V avec la navette lors de sa troisième mission (11 décembre 2012).
• Vidéo de l'atterrissage du X-37B en juin 2012.
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  Le X-37B après son premier vol orbital vu de profil (décembre 2010).

Le X-37 est la première navette spatiale militaire développée par les États-Unis depuis l’annulation du projet Boeing X-20 Dyna-Soar. La navette est conçue pour se placer en orbite basse et effectuer des manœuvres orbitales. Le X-37 peut se placer sur une orbite comprise entre 230 et 1 064 km d'altitude. Il dispose en 2019 d'une autonomie augmentée à 780 jours en orbite. La rentrée atmosphérique s'effectue comme pour la navette spatiale américaine en position cabrée à 40,0°. Le X-37 poursuit ensuite sa descente avec une pente de 20,0° en volant à 400 km/h, avant de se poser de manière automatique sur une piste d'atterrissage classique[23].

Structure

Le X-37 est long de 8,90 m pour une envergure de 4,5 mètres. Selon la NASA, la masse à vide ne dépasse pas les 3,5 tonnes[2], pour une masse totale de 5,45 tonnes. La structure, qui est isolée de l'extérieur par un bouclier thermique, utilise, contrairement à la navette spatiale, des panneaux en composite plus léger que l'aluminium qu'il remplace[23].

Charge utile

Le X-37 dispose d'une baie cargo fermée par deux portes selon une disposition similaire à celle de la navette spatiale. La baie fait 1,2 × 2,13 mètres[23].

Propulsion

Le X-37B a un moteur-fusée unique, le AR-2/3 de Rocketdyne, alimenté par des ergols hypergoliques : l'hydrazine et le peroxyde d'azote remplacent le peroxyde d'hydrogène et le JP-8 prévus initialement. Les réserves d'ergols disponibles donnent au X-37 une grande capacité de manœuvre[23].

Le X-37B de la 4^e mission est équipé pour la première fois d'un propulseur à effet Hall[16], permettant de réduire la consommation et le coût, ou d'augmenter la durée des missions suivantes.

Bouclier thermique

Le bouclier thermique bénéficie des résultats des recherches postérieures à la conception de la navette spatiale américaine. Il utilise des tuiles en céramique de type Toughened Uni-Piece Fibrous Insulation (TUFI), en particulier pour protéger la partie ventrale, très exposée. Ce type de tuile, qui est utilisé en remplacement sur la navette, offre plus de résistance aux chocs. Pour les parties moins exposées, le X-37B utilise également des revêtements thermiques, à la fois plus performants, et générant moins de traînée que ceux utilisés sur la navette. Enfin, le bord d’attaque des ailes n'est plus protégé par du carbone-carbone renforcé, mais par des tuiles de type TUFROC (Toughened Uni-piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite) traitées pour résister aux mécanismes d'oxydation à l'œuvre durant la rentrée atmosphérique[23].

Gouvernes

La queue de l’appareil en V est constituée de gouvernes qui agissent à la fois sur la profondeur et la direction, ce qui permet de réduire l'énergie nécessaire pour contrôler l'avion durant les phases de vol à grande vitesse ; cette disposition libère de la place pour un aérofrein utilisé au moment de l'atterrissage. Les gouvernes ne sont plus manœuvrées comme sur la navette par des systèmes hydrauliques, mais par des commandes de vol électromécaniques[23].

Énergie

Le X-37B abandonne les piles à combustible de la navette spatiale américaine au profit de panneaux solaires, déployés en orbite depuis la soute cargo, et qui permettent d’accroître la durée des séjours en orbite en rechargeant les batteries d’accumulateurs[23].

Lancement

Le X-37 doit initialement être transporté dans l'espace par la navette spatiale. Il est finalement modifié pour être lancé par un lanceur classique Delta IV ou Atlas V. Pour ne pas endommager l'aérodynamisme du lanceur durant la traversée de l'atmosphère lors du décollage, une coiffe de 5 mètres de diamètre, taille standard pour le lanceur, recouvre la navette au lancement[23].

• Gros plans de la navette
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  Face avant du X-37B.
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  Face avant vue de profil.
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  Vue de la face supérieure peu avant la fermeture de la coiffe.

La USAF ne dévoile pas quelles sont les missions envisagées pour les navettes automatiques de type X-37B. Le coût opérationnel et l'absence de flexibilité opérationnelle de la navette spatiale américaine semblent pourtant avoir démontré que le concept ne présente pas les avantages attendus. Les spécialistes du domaine de la reconnaissance militaire s'interrogent sur l'utilité d'un tel engin dont les missions potentielles peuvent être prises en charge par des moyens moins coûteux[24].

Compte tenu de ses caractéristiques, le X-37B peut remplir les missions suivantes par ordre de pertinence décroissante[25] :

• Banc de test en orbite et plate-forme pour capteurs de reconnaissance et d'écoute militaire

Il s'agit de l'usage le plus vraisemblable. La baie cargo de la navette peut recevoir différents capteurs utilisés pour la reconnaissance radar, optique, infrarouge ou la collecte d'émissions radio (ELINT). L'efficacité de ceux-ci peut être testée en vol puis les résultats dépouillés après le retour au sol. La navette peut également être lancée rapidement pour répondre à une crise et prendre en charge un besoin précis en matière de reconnaissance militaire grâce à la capacité de reconfiguration de sa baie cargo et à sa manœuvrabilité en orbite. Mais la réactivité de la navette dépend du temps de préparation de son lanceur et son coût de lancement est élevé (100 millions de dollars).

• Déploiement de petits satellites de reconnaissance pour répondre à une situation de crise

Pour répondre à une situation de crise, les petits satellites de reconnaissance peuvent être plus rapidement installés dans la soute de la navette que sur un lanceur. Mais le coût élevé de lancement d'une seule navette et sa faible capacité d'emport ne sont pas concurrentiels par rapport à l'utilisation de petits lanceurs. Par ailleurs, le délai de lancement est également tributaire du temps de préparation du lanceur Atlas.

• Véhicule de réparation et de maintenance en orbite

La navette est utilisée pour réparer ou réapprovisionner en ergols les satellites en orbite ou pour ramener des satellites tombés en panne afin de déterminer l'origine de l'anomalie. Des morceaux d'engin spatiaux sont ramenés au sol pour étudier l'incidence de l'exposition à l'espace, aux débris spatiaux et aux micrométéorites. Mais les caractéristiques du X-37B le cantonne aux orbites terrestres basses (1 100 km maximum) et sa baie cargo a une contenance limitée.

• Véhicule d’inspection et plate-forme antisatellite

Il existe déjà des satellites d'inspection en orbite (XSS-11, MiTex) mais ils ne disposent que d'une gamme fixe de capteurs. Le X-37B peut emporter des capteurs adaptés à chaque mission et contrairement aux satellites d'inspection existants, il a la capacité de changer d'inclinaison orbitale, de ramener un satellite ou de neutraliser un satellite hostile sans créer un nuage de débris. Mais, il existe de nouveaux satellites d'inspection plus agiles que ceux cités, le X-37B est très visible et son approche est facilement détectable par tout satellite hostile ; enfin sa baie cargo n'a pas la capacité de ramener la plupart des satellites existants.

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  Le X-37B en configuration de lancement en 2009.
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  Vue d’artiste du X-37A de la NASA.
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  Vue d’artiste du X-37A de la NASA.
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  Le X-37A dans la soute de la navette, moyen de lancement envisagé initialement.