La navette spatiale américaine (en anglais : ; officiellement ou STS) est un lanceur et un véhicule spatial conçu et opéré par l'agence spatiale américaine la NASA de 1981 à 2011 pour envoyer des astronautes et des charges utiles en orbite basse terrestre, puis les ramener sur Terre. D'une conception exceptionnelle dans l'histoire du vol spatial, la navette a été pensée pour être réutilisée et ainsi diminuer les coûts d'accès à l'espace, mais dans les faits sa complexité, son coût, et son manque de fiabilité ne lui ont pas permis de remplir ses objectifs initiaux et le programme se conclut après .
La navette est imaginée dès les années 1960 pour être entièrement réutilisable afin de remplacer les lanceurs à usage unique tels ceux du programme Apollo et offrir un accès routinier à l'espace, d'où son nom. Les exigences de l'armée américaine d'un côté, et les limites techniques et financières de l'autre, conduisent à un véhicule imposant et ambitieux, mais partiellement réutilisable. Le projet est approuvé en 1972 par le président Nixon, puis le développement rencontre des retards et des difficultés importantes.
Afin d'être compétitive la navette doit effectuer un grand nombre de lancements par an et progressivement remplacer tous les lanceurs à usage unique du pays, mais après son premier vol en 1981 il apparaît vite que la cadence ne peut être tenue. L'accident de Challenger en 1986 entraîne la perte d'un véhicule et de son équipage, marquant un tournant à partir duquel la navette n'est plus utilisée que par la NASA. Elle lance des sondes (Galileo) et des observatoires (Hubble), réalise des expériences scientifiques (Spacelab), visite la station spatiale russe Mir (Shuttle-Mir), et commence la construction de la Station spatiale internationale (ISS), mais l'accident de Columbia en 2003 conduit à sa fin prématurée en 2011, après l'achèvement de l'assemblage de la station.
Lancée depuis le centre spatial Kennedy en Floride, la navette est composée de trois sous-ensembles : l'orbiteur, ou la navette proprement dite, un avion spatial qui seul est placé en orbite ; le réservoir externe jetable contenant l'hydrogène et l'oxygène alimentant les moteurs cryogéniques de l' (SSME) ; et deux propulseurs d'appoint à poudre qui fournissent l'essentiel des de poussée au décollage, ils sont récupérés sous parachutes et réutilisés. La navette peut emporter jusqu'à 8 astronautes et de charge utile dans la baie de l'orbiteur, un engin spatial d'une polyvalence inégalée pouvant disposer d'un bras robotique, d'un port d'amarrage, et d'un sas pour les sorties extravéhiculaires, avec une autonomie en vol de deux semaines. À la fin de sa mission, l'orbiteur effectue une rentrée atmosphérique et revient se poser comme un planeur sur une piste d'atterrissage à la base d'Edwards en Californie ou au centre spatial Kennedy, puis est préparé pour son prochain vol.
Véhicule emblématique de la NASA pendant et liée à plusieurs de ses plus grandes réalisations, la navette spatiale laisse un bilan très contrasté, assombri par son lourd tribut de , son coût prohibitif, et plus généralement l'échec du concept de l'avion spatial face aux capsules. Sa mise à la retraite précipitée conduit à une dépendance au véhicule russe Soyouz pendant jusqu'à l'entrée en service du Crew Dragon de SpaceX en 2020. De la flotte de navettes, Atlantis, Discovery et Endeavour, ainsi que le prototype Enterprise, sont aujourd'hui dans des musées, tandis que et Columbia ont été détruites.
Historique
Premières études
Du au X-15 La première évocation d'une fusée ailée capable de quitter la basse atmosphère est le fait de l'ingénieur austro-allemand Eugen Sänger en 1933. Celui-ci développe son concept à la fin de la Seconde Guerre mondiale et décrit une fusée ailée, le (l'oiseau d'argent, en allemand), capable d'aller bombarder les États-Unis à l'issue d'un vol suborbital après avoir rebondi plusieurs fois sur les couches les plus denses de l'atmosphère, grâce à un rapport portance/traînée élevé. Après-guerre, l'Armée de l'Air américaine fait travailler sur un projet de missile ailé, le Navaho. Celui-ci effectue quelques vols mais est abandonné en 1957 au profit des missiles balistiques (sans aile) Atlas, Titan et Thor, qui relèvent d'une solution technique beaucoup plus efficace.
À l'époque, le centre de recherches aéronautiques américain, le NACA , s'implique fortement dans les recherches sur les avions propulsés par fusée. Le Bell X-1 franchit le mur du son en 1947. En étudiant la conception d'engins beaucoup plus rapides et volant à haute altitude, les ingénieurs identifient rapidement les deux principales difficultés auxquelles un tel avion va être confronté : l'instabilité en vol atmosphérique et la dissipation de la chaleur au cours de la rentrée atmosphérique. Ce dernier point les conduit à imaginer différents types de boucliers thermiques. La construction de l'avion-fusée Ce modèle semble être une adaptation du Ryan X-13 Vertijet est lancée en 1954 pour permettre de tester ces solutions. L'engin expérimental permet d'atteindre au cours des années 1960 un nouveau record de vitesse () et d'altitude (). Le X-15 permet d'explorer les domaines physiques d'une grande partie des phases de vol effectuées par la navette spatiale, en particulier la rentrée atmosphérique, avec la transition entre l'utilisation des moteurs-fusées et celle des gouvernes aérodynamiques..
Corps portants (1957-1970)
Pour réduire les contraintes thermiques et mécaniques subies par un avion volant à très grande vitesse, une des solutions est de supprimer les ailes et de produire la portance à l'aide du corps de l'engin, qui est élargi et profilé à cet effet. Les avions de ce type, désigné par le terme de corps portants (ou « fuselages porteurs », en ), sont étudiés à compter de 1957 par la NASA. Plusieurs démonstrateurs (M1, M2) vont prouver leur capacité à effectuer une rentrée atmosphérique, s'écarter de leur trajectoire grâce à leur portance et à planer ; par la suite d'autres engins (, , , , ), parfois motorisés, sont chargés de valider jusqu'en 1970 leur capacité à se poser avec un pilote à bord. Les formes très lourdes du corps portant, qui lui valent le qualificatif de brique ou de baignoire volante (en ), rendent toutefois cet exercice difficile et périlleux pour les pilotes. À la même époque, l'Armée de l'Air américaine commande en 1957 un prototype d'avion spatial, le Dyna-Soar, monoplace s'apparentant à un corps portant doté d'embryons d'aile delta. Lancé par une fusée, le Dyna-Soar devait être capable de se poser comme un avion. Le projet, bien avancé, est arrêté pour des raisons budgétaires en 1963 car l'Armée de l'Air n'a pu le justifier par une mission clairement identifiée.
Projet de navette en phase exploratoire (1968-1979) vignette|Les premières esquisses de la navette spatiale. vignette|Navette entièrement réutilisable dessinée en 1969 par North American. vignette|Conception de la navette selon Maxime Faget : ailes droites et orbiteur de petite taille. Alors que la NASA réfléchit à la suite à donner au programme Apollo, dont la phase de développement est achevée, l'agence spatiale lance le une consultation exploratoire () pour le développement d'un système de lancement capable de revenir sur Terre (, ILRV) : celui-ci doit pouvoir placer en orbite basse une charge utile comprise entre , ramener sur Terre au moins une tonne de fret, avoir une capacité de déport latéralCapacité d'un véhicule spatial à pouvoir s'écarter de son orbite pour venir se poser sur Terre. Plus le déport latéral est important, plus il est facile pour l'engin de choisir sa zone d'atterrissage. de et la soute doit avoir un volume de . En , sur la base de leurs premiers travaux, quatre sociétés sont sélectionnées pour répondre à cette pré-étudeDennis R. Jenkins .. Deux motoristes, Rocketdyne et Pratt & Whitney, sont de leur côté sélectionnés pour concevoir les moteurs de de poussée (dans le vide), qui doivent être communs aux deux étages de la navette. Ces moteurs ont une poussée modulable entre 73 et 100 % et utilisent une tuyère déployable avec un ratio de détente de 58 à basse altitude et de 120 dans le vide.
Les différents centres de recherche de la NASA ont des avis divergents sur la manière de concevoir la navette. Maxime Faget, représentant le centre de vol spatial Marshall est en faveur d'une navette de petite taille dotée d'ailes droites, disposant de peu de capacité de déport mais théoriquement plus légère et meilleur planeur aux vitesses subsoniques : c'est le Shuttle DC-3, dont une maquette au 1/ sera larguée d'avion en pour valider l'aérodynamisme à basse vitesse. Les centres de Langley et de Dryden appuient la solution du corps portant et plus particulièrement du HL-10, qu'ils ont contribué à développer. Une navette de ce type dispose d'une capacité de déport intermédiaire entre l'aile droite et l'aile delta, tout en étant théoriquement moins lourde que cette dernière. L'armée de l'Air et les laboratoires Draper sont en faveur d'une aile delta, qui fournit une capacité de déport maximale. Les travaux issus de la , achevés en , permettent à la NASA d'éliminer le concept du corps portant, dont la forme n'est pas compatible avec l'emport des réservoirs et des équipements, et le recours à une voilure à géométrie variable également étudiée, qui aboutit à une navette trop lourde. Dans les esquisses produites par les quatre sociétés, la navette comporte deux composants distincts, tous deux réutilisables. Le premier étage, piloté, revient se poser en utilisant des turboréacteurs classiques. Le deuxième étage continue de se propulser pour se placer en orbite, puis effectue une rentrée atmosphérique une fois la mission accomplie, avec un angle de cabrage très élevé avant de se poser comme un avionSpace shuttle technical conference ..
Lancement du projet (1969-1972) Peu avant la décennie 1970, le programme Apollo est sur le point d'aboutir, avec le premier atterrissage sur la Lune. Les ingénieurs et beaucoup de décideurs de la NASA sont persuadés que le succès de leur projet phare va convaincre les responsables politiques de pérenniser la part de budget consacrée à l'Espace, et plus particulièrement au vol habité. Après avoir réalisé en quelques années des progrès qui auraient semblé inespérés en 1960, ils considèrent que le vol humain vers Mars et l'installation de colonies sur la Lune sont désormais à portée de l'agence spatiale. Mais les décideurs politiques n'ont plus ni les moyens ni la volonté de financer un programme ambitieux. La navette spatiale, telle qu'elle sera conçue et construite, sera le résultat d'un compromis, entre le désir de la NASA de disposer d'un engin innovant et les ressources limitées que les dirigeants politiques du pays vont accepter de lui accorder.
Quelle suite donner au programme Apollo ? (1969) Début 1969, la NASA étudie la suite à donner au programme Apollo. Plusieurs propositions sont élaborées en interne, dans l'euphorie de la réussite du programme lunaire : station spatiale, base lunaire, expédition vers Mars, navette spatialeXavier Pasco .. Le comité « » est créé en , à la demande du président américain Richard Nixon, pour élaborer les futurs programmes spatiaux habités de la NASA. À l'issue de ses réflexions, le groupe de travail, présidé par le vice-président Spiro Agnew, propose trois scénarios dont le budget annuel s'échelonne entre , soit un montant égal ou supérieur au budget annuel du programme Apollo à son plus haut. La proposition la moins ambitieuse prévoit le développement simultané d'une navette spatiale et d'une station spatiale. Le président Nixon ne retient aucun des scénarios proposés, qu'il juge tous trop coûteux.