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Le but

D'après le rapport final "Resultats sur les études du projet" le PKK Kliper est un vaisseau orbital multifonctions, qui peut-être piloté manuellement ou pas (régime automatique). Il est développé comme système de transport pour desservir les stations orbitales jusqu'à 500 km d'altitude et accomplir les tâches suivantes:

  • envoi ainsi que le retour d'équipages ou de fret vers et depuis une station orbitale.
  • retour sur Terre des résultats d'expériences.
  • véhicule de sauvetage de la station orbitale pour un retour en urgence sur Terre.
  • vas et vient vers la station pendant le même vol en fonction des ressources du vaisseau.
  • envoyer des touristes en orbite.

Il est entre autres conçu pour avoir:

  • un confort amélioré.
  • minimiser les accélérations durant la rentrée (inférieur à 5g en mode nominal et inférieur à 12g en cas d'avarie).
  • avoir des composants faciles d'utilisation.
  • ne pas laisser de déchets dans l'espace.
  • une conception de 30 à 40 ans de durée de vie.


La génèse du projet

La decision de créer un nouveau système de rentrée est prise en 1994 par le groupe, V.A.Bolotin, V.E.Minenko, A.G.Reshetin, A.P.Skotnikov, A.N.ShChukin, de la société NPO Energia. Le design du nouveau véhicule est protégé par un brevet le 5 Aout 1994, sous le terme d'"Engin spatial pour la rentrée dans l'atmosphère de la planète et méthode de rentrée d'un engin spatial dans l'atmosphère de la planète" sous le numéro 2083448/RU.

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La forme générale de l'appareil est biconique avec la partie inférieure aplatie. Cette partie inférieure forme le bouclier thermique nécessaire pendant la rentrée atmosphérique, il se compose de trois parties, le nez, la zone principale et les élevons. Le bouclier de nez est conique pour proteger au maximum l'avant de l'appareil, la zone principale est responsable de la portance de l'appareil pendant la phase de descente atmosphérique, les deux élevons à l'arrière permettent de diriger le vaisseau durant la descente. L'atterrissage de l'appareil se fait au moyen d'un parachute situé dans la partie supérieur du fuselage qui le fait atterrire à l'horizontal, sur le "ventre".

Légende:
1-Surface biconique; 2-Fuselage; 3-Surface inférieure (bouclier thermique); 4-Nez; 5-Ecrans balanciers; 6-Arrière (Trappe d'accès)

La capsule utilise le principe des corps portants pour assurer sa portance. L'ajout d'ailes pour une navette spatiale est une perte de charge utile car les ailes ne sont nécessaires que pendant la dernière phase de vol de la navette, à savoir la rentrée atmosphérique. Dans le cas des corps portants la portance de l'appareil est effectuée par son corps (le "ventre") et non les ailes d'où un gain de masse non négligeable.

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La longueur de l'appareil avec le système d'atterrissage par parachute mesurait 6.2 m pour un diamètre maximum de 2.8 m. La variante de base comprenait un équipage de trois personnes, la variante équipé d'un système de sauvegarde pouvait emporter jusqu'à sept personnes. Le système d'atterrissage était constitué d'un parachute réactif couplé à des panneaux amortisseurs en nid d'abeille ou un dispositif de coussin d'air.

La capsule était équipée d'une trappe d'accès à l'arrière pour entrer à l'intérieur du module et du système androgine APAS (similaire au port d'arrimage de Bourane). De la même manière que sur Bourane le port APAS était installé perpendiculairement à l'axe de la capsule. Une autre version du système d'arrimage était inspiré des ports de Saliout et MIR, non pressurisé cette section était similaire au système d'arrimage de Soyouz mais beaucoup plus léger. A l'intérieur du module de service se situe les réservoirs d'oxygène, de carburant, l'installation des moteurs(КДУ), les moteurs d'attitudes (ДПО), les composants de remplissage, les alimentations électriques (batteries chimiques). A l'extérieur étaient installés les antennes (АФУ), les échangeurs thermiques (СОТР), la visée infra-rouge verticale (ИКВ), et les panneaux solaires.

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Légende:
1-Capsule de rentrée; 2-Section d'arrimage; 3-Port d'arrimage; 4-Module de service

L'ajout d'un écran balancier à l'arrière a augmenté énormément les capacités aérodynamique de la capsule de 0 à 1.2 pour des vitesses jusqu'à Mach 6, ainsi que l'angle d'attaque de 0° à 40°. Le regime optimum se situe à 25°. Les qualités aérodynamiques étaient supérieures à celle du Soyouz notamment pour la manoeuvrabilité: la distance dans le plan de l'orbite allait jusqu'à 5000 km et la distance latérale jusqu'à 1500 km. La precision de l'atterrissage (inférieur à 200m) permettait d'utiliser deux sites nominaux et trois de secours (en cas d'avarie). La capsule était construite pour une vingtaine de vols, mais d'autres éléments n'étaient pas réutilisables. Après la cessation des travaux sur les capsules de rentrées en 1995, ces fonctionnalités ont été utilisés comme base pour l'élaboration de la capsule Kliper.

Au début du projet (dans les années 2000) les travaux de recherche se sont axés sur les différentes techniques de descente possible. Les appareils axisymétrique comme le "Phare" avec atterrissage verticale (par parachute). Les appareils à corps portants avec atterrissage verticale comme les "BOR" (par parachute). Et les appareils ailés de hautes qualités aérodynamique avec atterrissage horizontal (comme un avion).


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Configuration du Klipper en corps portant
Configuration du Klipper avec des ailes

Ayant comparé les différents type de techniques le choix se portât sur la technologie des corps portants.
Dès 2002 l'étude se précisât sur les éléments particuliers suivant:

  • Elaboration des exigences principales et la définition des systèmes de bord.
  • Agencement du vaisseau.
  • Etude des caractéristiques aérodynamiques de l'appareil ainsi que du module de service.
  • Etude de la stabilité et de la dirigeabilité. Choix des actionneurs des systèmes aérodynamiques et réactifs pendant la phase de descente.
  • Analyse balistique des trajectoires pendant la descente.
  • Définition des caractéristiques thermiques et du choix des matériaux du bouclier thermique.
  • Etude de l'ensemble des moyens d'atterrissage, choix et construction.
  • Estimation des caractéristiques techniques pour la construction et l'exploitation du vaisseau à l'usine expérimentale de construction mécanique (ЗЭМ), faisant partie de RKK Energia.

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L'étude et l'analyse des caractéristiques aérodynamiques de l'appareil, sa stabilité et sa manoeuvrabilité ont été étudiés à TsAGI pendant la période 2002-2003 (en soufflerie). Les essais de stress mécaniques se sont déroulés en 2003 à TsIIMASH. L'étude sur les systèmes de descente en parachute on été effectués en 2003 à l'institut NII Parachute. Très vite les résultats de ces études (qui n'étaient pas couvert pas le sceau du secret) ont été publiés dans les medias et notamment sur internet.

Modèle de Kliper utilisé pendant la période 2002-2003 pour les études aérodynamiques

En 1996 de nombreuses études étaient menés en soufflerie (à des vitesse supersoniques) sur le comportement de la navette MAKS. Ces études avaient pour but de définir les profil du fuselage avec différentes configuration des ailes. En 2000 la configuration définitive était connue avec des ailes fixes, mais il est amusant de remarquer que ces modèles aérodynamique on finalement été utilisés pour l'élaboration de la navette Kliper (un des modèles finaux).


Le projet devient officiel

Jusqu'en 2003 toutes les études sur le Kliper étaient financées par NPO Energia, mais à partir de cette année le projet était suffisamment avancé pour intéresser l'agence spatiale Russe qui finança une partie des recherches. A ce moment là les ingénieurs ayant définis la forme globale du vaisseau se sont plus interessés à l'agencement intérieur et le positionnement du module de service. Ce travail est le plus complexe mais aussi le plus intéressant. Il était clair pour les ingénieurs d'Energia que faire un système entièrement réutilisable dans un gabarit et avec une masse comme celle là n'était pas possible, il fallait limiter la partie réutilisable au minimum. Pour éviter le problème de surpoids qu'a connu la navette Européenne Hermes les ingénieurs d'Energia décidèrent que le vaisseau serait constitué de deux parties fonctionnelles dont une jetable. Le module de service serait éjecté après l'impulsion de freinage au moment de la rentrée dans l'atmosphère. Cette architecture est à mis chemin entre la navette Bourane (entièrement réutilisable) et la capsule Soyouz (à utilisation unique).

Deux dispositions différentes du module de service ont été étudiés. Une version avec le module à l'avant, au niveau du nez, et une autre version avec le module à l'arrière. Ces deux dispositions totalement différentes nécessitaient des modifications au niveau de l'architecture intérieure, par exemple faire pivoter les sièges de l'équipage.
Cette configuration du Kliper (avec le module de service à l'avant) a été protégé par ses concepteurs (J.P.Semenov, N.A.Brjuhanov, V.A.Bolotin, O.E.Makar'ev, N.K.Petrov, A.G.Reshetin, B.I.Sotnikov et V.V.Tsvetkov) par un brevet numéroté N2220077/RU le 29 décembre 2001. Cependant il manquait encore des fonctionnalités importantes.


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Configuration de 2001 avec le module orbital à l'avant
Configuration de 2001 avec le module orbital à l'arrière

La configuration initiale du Kliper était similaire à celui du Soyouz. A savoir que le module de service était fixé à l'arrière de la capsule. Le module se séparait du vaisseau avant la rentrée dans l'atmosphère grâce à des boulons explosifs. L'équipage composé de trois cosmonautes étaient installés dans des sièges, qui pouvaient être orientés de 30° pour minimiser les forces pendant la rentrée suite à un long séjour dans l'espace.


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Ejection du module de service (PAO) avant la rentrée dans l'atmosphère
Configuration de 2001 en mode atterrissage

Pour pouvoir travailler dans l'espace il était demandé d'ajouter un sas de sortie ainsi qu'un système de sauvegarde en cas d'avarie du lanceur. Il était possible d'ajouter un sas basé sur le principe du module orbital du vaisseau Soyouz, le système de sauvegarde serait lui aussi basé sur le principe d'une tour d'éjection à poudre. Dans ce cas là le Kliper ressemblait de plus en plus au vaisseaux Soyouz, avec un module de descente plus aérodynamique et maniable, et la nécessité de développer une tour d'éjection plus puissante (le Kliper pesant de 10 à 12 t).
La solution a été trouvée en cumulant le module de service et le module orbital dans un seul module (PAO) pour permettre la sortie dans l'espace.


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Dans une telle configuration le module PAO pouvait rester sur la fusée en cas d'avarie, le système de sauvegarde n'emportant que la capsule de rentrée. Maintenant le vaisseau avait une anatomie constante, le "nez" et la "queue" ne changeant pas pendant les différentes étapes du vol. L'équipage quant à lui regardait toujours en avant. Cette position n'est malheureusement pas confortable et peut conduire à de graves séquelles lors de la phase de rentrée, c'est pourquoi il était envisagée de tourner les fauteuils de 90° pour modifier l'action de la force d'accélération tête-pied en poitrine-dos.

Après avoir statué sur la configuration générale de l'appareil l'étape suivante a consistait en la définition des systèmes de bord, à l'optimisation des capacités de vol et de poids en tenant compte des différents scénarii d'utilisation du Kliper.

Environ à la même période dans la filiale de RKK Energia le consortium "Regate spatiale" proposait (de manière énergique car soutenu par le directeur d'Energia Nikolay Sevast'janov) une nouvelle conception du vaisseau qu'ils nommèrent "Hybride". Ce vaisseau était la fusion entre deux concepts différents la capsule et la navette. Le principe était que les ailes formeraient une partie du bouclier thermique pendant la descente puis ensuite se déploieraient pour que le vaisseau atterrisse comme un avion. Divers variantes on été examinés, 7, 12 et 20 tonnes avec un équipage de 2 à 8 personnes. Mais les travaux ont été arrêtés avant la fin de la proposition technique.

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Le 17 février 2004 pendant une conférence de l'agence de presse ITAR-TASS le directeur général de l'agence spatial Russe J.N.Koptev a parlé pour la première fois publiquement du projet Kliper. En précisant que la Russie travaillait dessus depuis le début des années 2000.


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La maquette de Kliper est présentée au public
Vladimir Poutine inspect Kliper (2005)

En 2004 RKK Energia a commencé une analyse plus poussée des systèmes de bord. A la suite de cela certains changements ont été opérés dans le schéma initial. Une attention toute particulière a été mise sur l'élaboration du système de sauvegarde, sur la disposition des moteurs d'attitude, ainsi que le choix de batteries chimiques à la place des panneaux solaires.


La version ailée

A la même période des travaux de recherche ont été menés par le bureau d'étude Sukhoï pour une variante ailé car cela permet une rentrée dans l'atmosphère plus douce. En effet, les appareils ailés possèdent une plus grande qualité aérodynamique dans le vol hypersonique et subsonique ce qui permet de limiter les charges sur l'équipage pendant la rentrée dans l'atmosphère. De plus, la distance transversale est de 2000 km et muni de roues l'appareil peut atterire sur un aérodrome. L'atterrissage sur un aérodrome rend superflue les services de recherche coûteux (ПСС), inhérents aux capsules. Le parachute est supprimé ainsi que le système d'amortissage doue (qui doit être remplacé après chaque vol). Finalement, l'ajout d'ailes (de petite taille) ne rajoute que très peut de poids à l'ensemble.

L'étude des deux variantes, ailés ou non, est faite en parallèle, RKK Energia considérant que le choix final sera fait au moment de la réalisation.

C'est aussi cette année que RKK Energia annonce que Kliper sera capable de faire des voyages interplanétaires, moyennant quelques modifications il sera capable de voyager vers la Lune. Ce scénario était possible en ajoutant un nouvel étage pendant un rendez-vous en orbite Terrestre pour envoyer le train en direction de la Lune.
Cette annonce plutôt vague faisait écho à la décision Américaine de retourner sur Lune d'ici 2020.

Pour la première fois la maquette du Kliper était présentée au public le 30 novembre 2004 dans le hangar de test de RKK Energia. C'est aussi à cette période que de nombreuses données techniques ont été mises à disposition du public que ce soit pour la version ailée ou corps portant.


Incertitudes sur l'avenir du Kliper

En 2005 un décret du gouvernement est signé (No 635) pour ajouter Kliper dans le programme spatial Russe pour la période 2005-2015. Mais à partir de cette année la Russie a du mal a fournir les 10 milliards de roubles nécessaires au projet et demande l'aide de l'ESA. Les pour parlers ne durèrent que quelques mois et échouèrent à la fin de l'année.

Le 1 juin 2006 RKK Energia cesse tout travail sur le projet Kliper. L'appel d'offre lancé par l'agence spatial Russe est clos sans avoir statué sur un contractant.

En mai 2008 Energia proposât un comparatif récapitulatif entre les trois versions de Kliper (corps portant, version ailée et la version hybride), le Soyouz et la nouvelle version de capsule de retour. Ce document montre qu'Energia n'a pas complètement abandonnée l'idée de développer Kliper, mais son avenir reste incertain.