Véhicule automatique de transfert européen

L'ATV est conçu pour s'amarrer à la partie russe de la station spatiale grâce au système sonde-cône qu'utilisent également les vaisseaux Progress ou Soyouz. Le gabarit de l'écoutille d'un diamètre interne de 80 cm permet de transporter toutes les pièces de rechange russes mais pas celles du reste de la station qui nécessitent un gabarit d'écoutille plus important.

Lors du dernier vol (ATV n^o 5 George Lemaitre) il est équipé du nouveau système de guidage Liris qui permettra de tester de nouveaux systèmes de guidage pour des technologies de rendez-vous dans l'espace avec des cibles dites "non-coopératives", comme des astéroïdes ou des débris spatiaux.

L'ATV peut embarquer au choix et dans la limite de 7,767 tonnes[2] :

• 100 kg d'air (oxygène et azote) pour renouveler l'atmosphère de la station spatiale ;
• 840 kg d'eau potable pour l'équipage ;
• 840 kg d'ergols pour le système de propulsion de la station qui est logé dans le module russe Zarya. Les moteurs-fusées de ce module fonctionnent avec des ergols différents de ceux utilisés par l'ATV : il s'agit d'UDMH et de peroxyde d'azote.
• 4 500 kg de fret stockable dans la zone pressurisée de l'ATV accessible aux astronautes de la station via une écoutille de 80 cm de diamètre.
• 4 700 kg de carburant utilisé par les moteurs de l'ATV pour maintenir l'orbite de la station durant son séjour dans l'espace.

Contrairement aux autres vaisseaux cargo non russes qui desservent la station, l'ATV ne dispose pas de rangements accessibles depuis l'extérieur permettant de transporter de pièces de rechange à destination de l'extérieur de la station spatiale : réservoir d'ammoniac, gyroscope, expérience scientifique, pièce détachée pour les bras télécommandés ou les panneaux solaires... Enfin les caractéristiques de l'ATV, notamment l'absence d'un module de rentrée équipé d'un bouclier thermique et d'un parachute, ne lui permettent pas de ramener du fret à Terre.

La propulsion principale est assurée par 4 moteurs-fusées d'une poussée de 490 newtons développés par la société américaine Aerojet consommant un mélange de Méthylhydrazine et de MON. Ces ergols hypergoliques sont injectés dans la chambre de combustion des moteurs-fusées en étant mis sous pression par de l'hélium stocké à 310 bars. Ces moteurs sont utilisés pour passer de l'orbite sur laquelle l'a laissé le lanceur Ariane 5 (260 km) jusqu'à l'orbite de la station spatiale (350 à 400 km) puis pour rattraper celle-ci. Environ 2 600 kg de carburant sont dédiés à cette phase du vol[1]. Une fois l'ATV amarré à la station, la propulsion principale est utilisée régulièrement pour remonter l'orbite de la station qui diminue de 40 à 100 mètres par jour.

Schéma ATV-2 : A Module cargo : B Module de service ; 1 Propulsion principale ; 2 Moteurs de contrôle d'orientation ; 3 Réservoirs eau, air et ergols ; 4 Antenne ; 5 Volume pressurisé ; 6 Système d'amarrage/écoutille ; 7 Système de guidage ; 8 Panneau solaire

Le vaisseau est stabilisé 3 axes. Son orientation est maintenue à l'aide de 4 groupes de 5 moteurs-fusées et de 4 groupes de 2 moteurs-fusées d'une poussée unitaire de 220 N et consommant les mêmes ergols que les propulseurs principaux. L'ATV utilise un système GPS pour contrôler sa position. Deux senseurs stellaires sont utilisés pour détecter les changements d'orientation.

L'ATV dispose d'une batterie d'équipements installés du côté du système d'amarrage pour les opérations de rendez-vous avec la station en mode automatique. Deux télé-goniomètres mesurent en continu la distance entre la station et le vaisseau. Deux vidéomètres émettent des impulsions laser vers des cibles installées sur la station pour déterminer la distance et l'orientation de la station spatiale. Deux cibles sont utilisées par l'équipage de la station pour contrôler l'approche finale de l'ATV[3].

Pour faire fonctionner les équipements chargés de la navigation et du guidage ainsi que maintenir la partie pressurisée à des températures suffisantes, l'ATV a besoin de 400 watts lorsqu'il est passif c'est-à-dire amarré à la station spatiale et 900 watts lorsqu'il est en transit. Il dispose à cet effet de 16 panneaux solaires répartis sur 4 ailes : les cellules solaires, qui couvrent une superficie totale de 33,6 m², fournissent 4,8 kW d'énergie électrique (3,8 kW en fin de mission). Lorsque les panneaux solaires sont déployés en orbite, l'envergure du vaisseau atteint 22,28 mètres. L'énergie électrique produite est stockée dans quatre batteries NiCd et quatre batteries LiMnO2 de 40 Ah chacune pour permettre d'alimenter en énergie les équipements lorsque le Soleil est masqué et que les panneaux solaires ne sont plus éclairés[1].

L'ATV communique avec les stations à Terre en bande S en utilisant comme relais le réseau de satellites de télécommunications géostationnaires TDRS de la NASA. Les télécommunications avec la station spatiale sont assurées également en bande S. Pour la navigation le vaisseau cargo utilise un système GPS.

La coque du vaisseau est réalisée en alliage d'aluminium (Al-2219 pour la partie pressurisée). La protection contre les micro météorites est assurée classiquement par une succession de barrières chargées d'absorber l'énergie cinétique puis de l'arrêter. La couche externe est constituée par une feuille d'aluminium Al-6061-T6 sous laquelle se trouvent plusieurs couches de Nextel et de Kevlar. La protection thermique est réalisée par un revêtement multi-couches en Kapton recouvert d'une couche d'or. Ce système est complété par un réseau de caloducs chargé de transporter la chaleur excédentaire vers des radiateurs. La partie pressurisée dispose d'un système de ventilation qui assure la circulation de l'air [N 1] et d'un système de détection d'incendies[1].

Le vaisseau ATV est lancé depuis la base de lancement de Kourou en Guyane française par une fusée Ariane 5. Le vaisseau cargo est transporté par bateau depuis l'Europe. À son arrivée, le fonctionnement des différents sous-systèmes est contrôlé. La campagne de lancement proprement dite débute environ deux mois avant le tir. Les réservoirs contenant les différents types de carburant sont remplis puis le fret est chargé. L'ATV est mis en place au sommet du lanceur deux à trois semaines avant la date de lancement et recouvert d'une coiffe destinée à assurer l'aérodynamisme de l'ensemble dans les couches basses de l'atmosphère.

Lancement d'Ariane 5 emportant l'ATV-4, en juin 2013.

L'Ariane 5 ES, chargée de placer l'ATV en orbite est une version du lanceur dédiée à ce type de lancement qui comporte une structure renforcée pour supporter la masse du vaisseau. Le deuxième étage EPS (pour Étage à propergols stockables) propulsé par un moteur Aestus peut être rallumé plusieurs fois[4]. Le début du vol est similaire à celui des autres vols Ariane. Après le décollage du lanceur, celui-ci se sépare des accélérateurs à poudre au bout de 2 minutes 22 secondes de vol. La coiffe est larguée au bout de 3 minutes 30 de vol puis c'est le tour du premier étage EPC au bout de 8 minutes 58 secondes. Le second étage EPS est alors allumé pour une durée d'environ 8 minutes[5]. À son extinction, l'ATV se trouve placé sur une orbite de 260 × 146 km avec une inclinaison de 51,6°. Après une phase balistique (c'est-à-dire non propulsée) de 40 minutes au-dessus de l'Europe et de l'Asie, le deuxième étage est rallumé brièvement pour placer le vaisseau sur une orbite circulaire de 260 km × 260 km . L'ATV se sépare du lanceur au-dessus du Pacifique Sud environ 63 minutes après le lancement. Les panneaux solaires sont déployés ainsi que les antennes de télécommunication. Le système de navigation et de guidage est activé et le vaisseau passe en mode de vol autonome.

L'ATV doit ensuite rejoindre la station spatiale qui se trouve dans le même plan orbital mais sur une orbite plus élevée (entre 350 et 400 km). Le vol pour rejoindre l'orbite de la station spatiale, l'approche et l'amarrage à celle-ci sont entièrement automatisés et maitrisé depuis le Centre spatial de Toulouse (ATV-CC), lié au Centre national d'études spatiales (CNES). L'amarrage s'effectue sur le module de service russe Zvezda situé à une des deux extrémités de la station.

Les systèmes de l'ATV sont conçus pour que le vaisseau puisse rester jusqu'à six mois dans l'espace. À intervalles réguliers ses moteurs sont utilisés pour relever l'orbite de la station spatiale afin de compenser les conséquences de la trainée générée par l'atmosphère résiduelle. Ils puisent à cet effet dans des réserves d'ergols dédiés à cet usage. Durant son séjour dans l'espace, la partie pressurisée est progressivement remplie des déchets produits par l'équipage de la station. Lorsqu'il a épuisé le carburant consacré au remorquage de la station, il se détache de celle-ci, réduit son orbite jusqu'à pénétrer dans les couches plus denses de l'atmosphère qui accélèrent sa chute vers la Terre. L'ATV, qui entame sa descente à 7 km/s, est détruit au cours de la rentrée atmosphérique par la chaleur engendrée par le frottement de l'atmosphère sur sa coque.

Le premier lancement (vol 181 d'Ariane) du Jules Verne a eu lieu le 9 mars 2008 à 01 h 03 (heure locale), 4 h 03 UTC[7]. La fusée Ariane 5 ES a suivi une trajectoire très particulière (départ direction France métropolitaine), et son moteur Aestus a été allumé trois fois[4]. 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 séparé 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, outre la station habituelle de Kourou [8]:

• la Station Navale Ariane (SNA), mobile, embarquée sur un navire au nord de l'Amérique du Sud, déjà utilisée lors de certains lancements
• une nouvelle station fixe sur un site créé sur l'île de Santa Maria aux Açores
• une station fixe de l'Institut de Recherche en Télécommunications située à Adélaïde
• une station mobile 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, située 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.

L'ATV dispose d'un dispositif nommé collision avoidance manoeuvre, 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 complètement indépendant des organes primaires de l'ATV. Le système informatique et les logiciels sont physiquement différents, l'alimentation se fait par des batteries séparées. Le but, 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 nommée Keep out sphere, sphère virtuelle de 200 mètres de rayon autour du centre de gravité de la station. Cette procédure induit l'arrêt des systèmes 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[9]. Le 14 mars 2008 à 10 h 45 CET, le test du CAM s'est révélé positif.

Amarrage de l'ATV-1 le 3 avril 2008.

L'amarrage de l'ATV Jules Verne à la station spatiale internationale (ISS) a lieu le 3 avril 2008 comme prévu, en mode automatique. La séquence d'approche finale a débuté à 10 h 32 (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 situé à 3,5 km où il s'est arrêté pendant 30 minutes, le temps que l'équipage de la station fasse des tests 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 13 h 53, 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 14 h 14 (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. Finalement, le contact eut lieu à 14 h 45 min 30 s (TU) et la fermeture des crochets de jonction à 14 h 52 (TU)[10].

Les astronautes n'ouvrent l'écoutille de l'ATV que le 4 avril pour y placer un appareil de filtrage de l'air. Le lendemain à 8 h 30 (TU), l'équipage a pu allumer la lumière, débrancher l'appareil de filtrage, amener des appareils respiratoires portables et un extincteur[10]. 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[10]. Cet amarrage est une étape importante pour l'Agence spatiale européenne qui dispose désormais d'un vaisseau cargo opérationnel[9].

Le second ATV est nommé Johannes Kepler, du nom de l'astronome allemand. Le choix de ce nom a été soutenu par l'Agence spatiale allemande (DLR), alors que l'année 2009 est le jubilé de la publication de l'œuvre majeure de Kepler, Astronomia nova où il énonce les deux premières Lois de Kepler [11].

Son lancement était initialement prévu pour le 15 février 2011[12] par une fusée Ariane 5, mais un incident conduit à l'arrêt de la séquence synchronisée concernant le remplissage du réservoir d'oxygène liquide de l'étage principal du lanceur[13], le tir a été reporté au 16 février 2011 et s'est déroulé avec succès. Le coût de cette mission est estimé à 450 M€ dont 220 M€ pour le vaisseau cargo, 150 M€ pour le lanceur, et 70 M€ pour le suivi opérationnel [14]. L'ATV Johannes Kepler s'est amarré le 24 février 2011 à 15h59 GMT à l'ISS[15].

Il s'est désamarré le 20 juin 2011 à 14h46 TU de la station spatiale et s'est désintégré dans l'atmosphère terrestre le 21 juin 2011 à 20h41 TU[16].

ATV-003 Edoardo Amaldi est la troisième mission de l'ATV vers l'ISS.

ATV-004 Albert Einstein est la quatrième mission de l'ATV vers l'ISS.

ATV-005 Georges Lemaître est la cinquième mission de l'ATV vers l'ISS et dernière mission du programme ATV.

À la fin d'octobre 2014, l'ATV Georges Lemaître, à poste pour une livraison de ravitaillement, est utilisé pour éloigner la station spatiale internationale d'une zone possible de collision avec un débris du satellite russe Cosmos 2251 : à la vitesse de 1,8 km/h, il déplace les 420 tonnes de la station d'une distance d'un kilomètre[17].

• (en) EADS Astrium, ATV Jules Verne Launch kit, mars 2008 (lire en ligne [PDF])

• Autres cargos spatiaux :
  • Progress
  • H-II Transfer Vehicle (HTV)
  • Kistler k-1
  • SpaceX Dragon
• Propositions de développements à partir de l'ATV :
  • ARV
  • CSTS

• (fr) Dossier de vol 181 Ariane 5ES ATV Jules Verne
• (fr) Dossier de vol 200 Ariane 5ES ATV-2 Johannes Kepler
• (fr) Dossier de vol 205 Ariane 5ES ATV-3 Edoardo Amaldi
• (fr) ATV, podcast de Ciel et Espace
• (fr) Le blog Cnes de l'ATV
• (en) Site officiel de l'ESA sur l'ATV
• (fr) [vidéo] ATV - Le cargo spatial de l'Europe ! - LDDE sur YouTube