Starship HLS

En avril 2017, la NASA décide de développer une station spatiale placée en orbite lunaire (Lunar Orbital Platform-Gateway) qui doit à la fois entrainer des hommes et tester des équipements pour des missions de longue durée dans l'espace interplanétaire et servir de point d'appui pour l'envoi d'équipages à la surface de la Lune et ainsi contribuer à la préparation de futures missions à destination de Mars. En avril 2019, le président américain Donald Trump décide d'accélérer ce programme au planning relativement détendu en demandant à l'agence spatiale américaine, la NASA, de faire en sorte que des astronautes puissent réaliser leur première mission à la surface de la Lune en 2024.

Pour répondre à la demande du président américain, la NASA met sur pied le programme Artemis. Celui-ci comprend le développement de plusieurs engins spatiaux : la station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway, le lanceur lourd Space Launch System (SLS), le vaisseau spatial Orion, dont la réalisation a débuté dans les années 2010, des missions robotiques, chargées de réaliser des reconnaissances et des études scientifiques complémentaires et enfin un vaisseau lunaire entièrement nouveau, le HLS (Human Landing System), chargé de transporter les hommes à la surface de la Lune, servir de base une fois au sol puis de ramener l'équipage en orbite lunaire.

Le vaisseau lunaire HLS (Human Landing System) doit déposer deux astronautes sur le sol lunaire. À la surface, il sert d'habitat durant la mission d'une durée initiale d'environ une semaine puis il ramène l'équipage à la station spatiale. Pour remplir ces objectifs, la NASA préconise une architecture comprenant trois modules qui permet de limiter la masse de chaque module à moins de 15 tonnes, ce qui la rend compatible avec le positionnement autour de la Lune par des véhicules commerciaux (la version à deux modules similaire au module Apollo aurait une masse de 9 à 12 t (module de remontée) + 32-38 t. (module de descente))[1] - [2] :

• un module propulsif qui est uniquement chargé d'abaisser l'orbite des deux autres modules. D'une masse de 12 à 15 tonnes, il permet une modification de la vitesse de 850 m/s. Il est éventuellement réutilisable dans le cas des missions « durables » ;
• un module de descente qui, après largage du module propulsif, est chargé d'annuler la vitesse horizontale et de déposer le module habitable (module de remontée) sur le sol lunaire. D'une masse de 15 à 16 tonnes, il permet une modification de la vitesse de 2 000 m/s. Il pourrait être également utilisé dans une autre configuration pour déposer du fret sur le sol lunaire ;
• un module de remontée/module habitable qui sert d'habitat à l'équipage de quatre astronautes (c'est le seul module pressurisé de l'ensemble) et qui dispose d'une propulsion lui permettant de remonter en orbite. D'une masse de 9 à 12 tonnes, il permet une modification de la vitesse de 2 850 m/s. Après la remontée du sol lunaire, il peut être réutilisé après avoir été ravitaillé en consommables.

La NASA a défini un cahier des charges précisant les principales caractéristiques du vaisseau HLS. Pour permettre le respect d'un calendrier serré, la NASA est moins exigeante pour les premiers vols. Pour ceux-ci, l'agence spatiale demande un vaisseau non réutilisable capable de transporter deux astronautes pour des missions dont la durée de séjour sur la Lune n'excède pas une journée lunaire (14 jours). La version qui devra pouvoir être utilisée à partir de 2026 pourra transporter trois à quatre astronautes et pouvoir survivre à une nuit lunaire[3].

Pour respecter les échéances serrées qui lui ont été imposées, la NASA décide de sous-traiter entièrement la conception et le développement du vaisseau lunaire en fournissant uniquement un cahier des charges répertoriant les besoins à satisfaire. Mi-mai 2019, les propositions de onze industriels sont pré-sélectionnées pour développer un module lunaire ou une partie de module lunaire : Aerojet Rocketdyne, Blue Origin, Boeing, Dynetics, Lockheed Martin, Masten, Maxar (qui fournit le module de propulsion de la Gateway), Northrop Grumman, OrbitBeyond (en), Sierra Nevada et SpaceX. Blue Origin, avec son Blue Moon, et Lockheed Martin, avec un atterrisseur dérivé du vaisseau Orion font figure de favoris[4].

Le processus de sélection est effectué en deux temps. Le 30 avril 2020, l'administrateur de la NASA Jim Bridenstine annonce que trois candidats ont été retenus pour détailler leur offre : Blue Origin qui reçoit 579 millions US$ pour détailler son offre, Dynetics qui reçoit 253 millions US$ et SpaceX qui reçoit 135 millions US$. Le finaliste doit être annoncé en février 2021. Les trois engins pré-sélectionnés fin avril sont[5] - [6] - [7] :

• La proposition de Blue Origin est la plus classique. Elle s'inspire du module lunaire Blue Moon et reprend l'architecture à deux étages du module lunaire Apollo. Les deux étages sont propulsés par un moteur BE-7 du constructeur. Un troisième module de transfert est chargé d'abaisser l'orbite du vaisseau lunaire de l'orbite NRHO (sur laquelle se trouve la station spatiale lunaire et le vaisseau Orion) vers l'orbite lunaire basse. Cette version du HLS doit être placée en orbite par le lanceur lourd New Glenn de Blue Origin ou à défaut par le lanceur Vulcan.
• Dynetics propose un engin comprenant deux modules dont le module de transfert et le module lunaire proprement dit combinant le rôle de l'étage de descente et de l'étage de remontée. Le DHLS comporte deux réservoirs largables, ce qui simplifie la conception. Les réservoirs sont placés de part et d'autre de la cabine pressurisée, ce qui permet de réduire la hauteur au-dessus du sol. Les sociétés Sierra Nevada et Thales Alenia Space participent en tant que sous-traitants.
• SpaceX propose un vaisseau lunaire mono-module (pas d'étage de descente et de remontée séparés) dérivée de son vaisseau Starship. Celui-ci doit être placé sur une orbite terrestre par un étage Starship Super Heavy sur une orbite basse puis ravitaillé sur cette orbite par plusieurs vaisseaux Starship avant de gagner sans équipage la Lunar Gateway en orbite lunaire, où le vaisseau récupère l'équipage. Le vaisseau Starship lunaire se pose sur la Lune puis redécolle également par ses propres moyens. Le vaisseau se distingue des deux autres par le fait qu'il remplit immédiatement les exigences de réutilisabilité prévue par la NASA dans le cadre de la deuxième phase du programme Artemis. Mais cela s'accompagne d'une grande complexité[8].

Le 16 avril 2021, la NASA sélectionne la proposition de SpaceX pour le développement et le lancement des deux premières missions. L'évaluation de la NASA a porté sur trois critères : dans l'ordre d'importance décroissante, les aspects techniques (conception, développement, risques, tests, opérations de lancement et déroulement de la mission...), le coût et la gestion du projet (organisation, gestion du planning, risques...). Sur le plan technique, les solutions de SpaceX et Blue Origin sont considérées comme acceptables (niveau moyen 3/5 dans l'échelle de la NASA qui comporte cinq niveaux) tandis que celle de Dynetics est considérée comme peu pertinente (2/5). Le coût de la proposition de SpaceX (2,89 milliards US$) est beaucoup moins élevée que celui de ses concurrents (deux fois moins que celle de Blue Origin et quatre fois moins que celle de Dynetics. En matière de gestion de projet, la proposition de SpaceX est évaluée comme remarquable (5/5) alors que celle de ses deux concurrents est considérée comme très bonne (4/5). Il était initialement envisagé de sélectionner une deuxième proposition à ce stade du développement mais la proposition de Blue Origin, évaluée comme recevable sur le plan technique et de la gestion de projet, n'a pas été retenue compte tenu de son coût et du budget limité dont dispose la NASA pour ce volet du programme Artemis[9] - [8] - [10].

À la suite de la sélection de la proposition de SpaceX, Blue Origin émet une protestation officielle contre la décision de la NASA. Les arguments avancés par Jeff Bezos, le patron de Blue Origin, sont que contrairement à ce qui était indiqué dans l'appel d'offres, la NASA n'a retenu qu'un seul constructeur au lieu de deux. Par ailleurs, il conteste la pertinence du choix technique de la proposition de SpaceX. Il souligne que le lancement du HLS de SpaceX vers la Lune nécessite le lancement à une cadence très élevée (tous les 12 jours) de 16 cargos transportant des ergols cryogéniques, puis le transfert de ces ergols dans le vaisseau HLS, une opération jamais testée et qui ne sera testée pour la première fois qu'en 2023. Il souligne la complexité de la mise au point du lanceur géant de SpaceX avec ses 32 moteurs-fusées propulsant le premier étage et sa masse de 1000 à 2000 tonnes supérieures à celle de la fusée Saturn V. Il met également en avant le fait que le vaisseau qui atterrira sur la Lune n'est qu'un deuxième étage de lanceur adapté qui imposera aux astronautes de descendre d'une hauteur de 38 mètres sur le sol lunaire. Jeff Bezos propose en juillet de réduire de deux milliards US$, soit de un tiers, le coût de sa proposition. Blue Origin est débouté successivement par le GAO (la cour des comptes américaine) le 30 août puis par le tribunal fédéral (4 novembre) devant lequel il a porté l'affaire après ce premier échec. Son action bloque les travaux de SpaceX jusqu'à la décision du GAO[11] - [12] - [13].

La NASA décide en mars 2022 de revenir sur sa décision de ne sélectionner qu'un seul fournisseur pour le vaisseau lunaire. L'agence spatiale américaine prévoit de lancer un appel d'offres au cours de l'année qui doit permettre de choisir un deuxième constructeur. Ce vaisseau lunaire sera utilisé pour la mission Artemis V dont la date de lancement est programmé en août 2028[14] - [15].

En novembre 2022 la NASA annonce qu'elle a sélectionné le Starship HLS de SpaceX pour la deuxième mission qui doit se poser à la surface de la Lune (Artemis IV). Cette version du vaisseau HLS devra satisfaire aux exigences de l'option B du cahier des charges contrairement au vaisseau HLS utilisé par Artemis III qui ne doit satisfaire qu'à l'option A. Les caractéristiques supplémentaires attendues sont la capacité à s'amarrer à la station Lunar Gateway, emport de quatre astronautes au lieu de trois, charge utile déposée à la surface de la Lune accrue. Pour ce nouveau développement la NASA versera 1,15 milliards US qui viendront s'ajouter aux 2,9 milliards US$ du contrat initial du HLS[16].

• Programme Artemis
• Starship
• Module lunaire Apollo Vaisseau du programme Apollo ayant joué le même rôle que le HLS.