Space Launch System

En 2004, le président George W. Bush, rend publics les objectifs à long terme qu'il souhaite assigner au programme spatial américain alors que l'accident de la navette spatiale Columbia vient de clouer au sol la flotte de ces engins vieillissants et que le sort de la station spatiale internationale, dont l'achèvement approche, est en suspens. Le projet présidentiel Vision for Space Exploration veut replacer l'Homme au cœur de l'exploration spatiale : le retour d'astronautes sur la Lune est programmé avant 2020 pour une série de missions destinées à préparer une éventuelle présence permanente de l'homme sur le sol lunaire et mettre au point le matériel nécessaire à de futures missions habitées sur Mars fixées à une échéance beaucoup plus lointaine[1]^,[2]. Cette fois ci, l'opinion comme le Congrès sont favorables au projet : le programme Constellation est alors mis sur pied par la NASA pour répondre aux attentes présidentielles. Il prévoit la construction de manière similaire au programme Apollo de deux vaisseaux habités - le vaisseau principal Orion et le vaisseau lunaire Altair - ainsi que de deux types de lanceur : le lanceur lourd Ares I chargé de placer en orbite le vaisseau Orion et le lanceur super-lourd Ares V de la classe du lanceur géant Saturn V chargé de placer en orbite le module lunaire[3]. La NASA utilise, en les adaptant, des moteurs-fusées développés pour la fusée Saturn V, les propulseurs à poudre de la navette spatiale ainsi que de nombreuses installations au sol remontant à l'époque du programme Apollo. Mais le programme prend du retard et se heurte à un problème de financement qui selon les plans initiaux, doit s'effectuer sans augmentation substantielle du budget global de la NASA[4]. Début février 2010, le président Obama annonce l'annulation du programme Constellation qui est confirmée par la suite[5]^,[6].

À la suite de son investiture, le président américain Barack Obama fait expertiser le programme Constellation par la commission Augustine, créée à cet effet le 7 mai 2009. Celle-ci conclut qu'il manque trois milliards de dollars par an pour atteindre les objectifs fixés[7] mais confirme l'intérêt d'une seconde exploration humaine de la Lune comme étape intermédiaire avant une mission habitée vers Mars[8]. Début février 2010, s'appuyant sur ce rapport, le président Barack Obama annonce l'annulation du programme Constellation. Trois motifs sont mis en avant : un budget en dépassement, le retard pris sur les échéances et l'absence d'innovations intégrées dans le projet[9]^,[10]. Cette décision donne un coup d'arrêt au développement du lanceur lourd Ares V dont l'architecture devait reprendre plusieurs composants développés pour la navette spatiale et qui était conçu pour placer 160 tonnes en orbite basse (le lanceur Saturn V ne pouvait placer que 118 tonnes). Les éléments repris sont le propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine allongé par ajout d'un cinquième segment, le premier étage qui utilise la structure du réservoir externe de la navette spatiale américaine avec un diamètre passant de 8,4 à 10 mètres de diamètre et qui est propulsé par six moteurs RS-68B utilisés pour la fusée Delta IV. Le deuxième étage EDS utilise, comme le premier étage, de l'oxygène et de l'hydrogène liquide. Il est propulsé par un moteur unique J-2X, dérivé du moteur J-2 du deuxième étage des lanceurs Saturn IB et Saturn V[11].

La décision du président Obama s'accompagne d'un moratoire de cinq ans sur les développements du lanceur lourd entrepris par la NASA. Un budget de 3 milliards de dollars est toutefois alloué à la NASA pour mettre au point des technologies permettant d'abaisser le coût des systèmes de propulsion. En conséquence le projet de budget 2011 soumis par la Maison-Blanche au vote du Congrès américain ne prévoit plus aucune ligne budgétaire pour le développement d'un lanceur lourd[12]. Mais l'annulation du programme Constellation conjuguée avec le retrait programmé de la navette spatiale annonce une forte baisse de la charge de travail pour les industriels et les établissements de la NASA particulièrement impliqués dans le programme spatial habité et concentrés dans les États du sud des États-Unis : le centre de vol spatial Marshall dans l'Alabama, le centre spatial Johnson au Texas, le Stennis Space Center dans le Mississippi et le Centre d'assemblage de Michoud en Louisiane. Mettant en avant ce motif la Chambre des représentants et le Sénat votent avec une large majorité début 2010 un budget de la NASA 2011 amendé imposant le développement d'un lanceur lourd HLV (Heavy Lift Launch Vehicle). Selon les souhaits de ces élus, une première version capable de placer 70 tonnes en orbite basse doit voler dès décembre 2016 et prendre le relais de la navette spatiale américaine. La fusée doit constituer une solution de secours pour le programme spatial habité américain au cas où la réalisation des lanceurs commerciaux financés par la NASA pour desservir la station spatiale internationale dans le cadre du même budget n'aboutissait pas. La réalisation du lanceur lourd est associée à la poursuite du développement du vaisseau Orion (ou Multi-Purpose Crew Vehicle soit MPCV). Les élus demandent également qu'une deuxième version capable de placer 130 tonnes en orbite basse soit développée[13]^,[14].

Pour répondre aux attentes des représentants et des sénateurs américains la NASA lance une étude destinée à définir les caractéristiques du lanceur lourd demandé. Plusieurs architectures sont évaluées[15]^,[16]  :

• Deux des versions étudiées comportent un premier étage propulsé par des moteurs brulant un mélange kérosène/oxygène
• La version retenue est celle qui a recours de la manière la plus systématique à des composants de la navette spatiale (architecture Shuttle Derived ou SD) : réservoir central, propulseurs d'appoint (toutefois allongé avec l'ajout d'un segment), cinq moteurs de la navette SSME/RS-25 plus performant que le RS-68 utilisé par l'Ares 5. Cette architecture avait été préconisée bien avant l'annulation du programme Constellation et du lanceur lourd Ares V par un groupe d'ingénieurs de la NASA et de passionnés sous l'appellation Direct (Jupiter). Cette configuration sans deuxième étage, baptisée Bloc 1, doit permettre de placer 100 tonnes en orbite basse et doit effectuer son premier vol en 2019. La version bloc 2 se différencie de la précédente par l'ajout d'un deuxième étage doit être propulsé par un unique moteur RS-25 pouvant être rallumé. Elle doit pouvoir placer 130 tonnes en orbite basse et être disponible en 2022. Enfin la version bloc 3 utilise des propulseurs d'appoint dont l'enveloppe est en matériau composite (à la place de l'acier) ce qui permet de porter la capacité en orbite basse à 150 tonnes. Son premier vol est prévu en 2026.

Le développement du lanceur, baptisé Space Launch System, est rendu officiel par l'administrateur de la NASA Charles F. Bolden le 14 septembre 2011. L'architecture de la version Bloc 1 a été modifiée par ajout d'un étage IPCS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) directement dérivé de l'étage supérieur de la fusée Delta IV. Le premier vol est programmé en décembre 2017. Le Sénat a, entre temps, imposé que la version Bloc 1 ne soit utilisée que pour les deux premiers vols et que des propulseurs d'appoint améliorés (propulsion liquide ou solide) soit mis en œuvre sur les vols suivants. L'étage supérieur pourrait être l'IPCS (105 tonnes en orbite basse) ou un étage plus puissant (CPS) qui permettrait de placer jusqu'à 130 tonnes en orbite basse. Cette version, baptisée Bloc 1A doit voler à compter de 2023. Le développement du lanceur, du vaisseau Orion et des équipements au sol se monte à 18 milliars US$ dont 10 milliards US$ pour le lanceur[16]^,[15]^,[12].

Le 31 juillet 2013, une première évaluation valide le concept du SLS, permettant au projet de passer de la phase de conception à la phase de réalisation[17]. Le 9 janvier 2015, la NASA a effectué le premier test d'un moteur RS-25 sur banc d'essais durant 500 secondes. En janvier 2013, la NASA signe un accord avec l'Agence spatiale européenne pour la fourniture par cette dernière du module de service du vaisseau Orion. Le développement de ce module rencontre rapidement des problèmes techniques et de masse mais l'ESA confirme à chaque fois que celui-ci sera prêt pour fin 2017. Un premier glissement de calendrier intervient fin 2014 : dans l'établissement le Michoud, la construction du VAC (Vertical Assembly Center) un gigantesque équipement qui doit permettre d'assembler les différents composants du premier étage, doit être complètement repris car les fondations ont bougé sous le poids de cet ensemble. La nouvelle date du premier vol est fixée en juillet 2018. Le premier vaisseau Orion, sans son module de service, est lancé par une fusée Delta IV Heavy et effectue le 5 décembre 2014 un vol sans équipage de quatre heures et demi couronné de succès. L'ESA annonce qu'elle ne pourra livrer le module de service comme prévu fin 2017. En octobre 2015 les spécifications du lanceur sont figées et validées dans le cadre d'une revue des spécifications (Critical Design Review ou CDS). La revue a permis de valider la capacité respective des versions Bloc 1 (70 tonnes), Bloc 1B (105 tonnes) et Bloc 2 (130 tonnes). Le premier étage des trois versions doit être identique. La version Bloc 1B se différencie du Bloc 1 par son deuxième étage : l'EUS, propulsé par quatre RL10-C2 et aux caractéristiques proches du Large Upper Stage proposé par Boeing, remplace l'IPCS. La version Bloc 2 est une version améliorée du Bloc 1B qui utilise des propulseurs d'appoint plus performants (ergols liquides ou propergol solide avec enveloppe en composite carbone). La fabrication des premiers éléments du lanceur peut-être lancée. Le prochain jalon est la certification des spécifications du lanceur avant son vol inaugural qui est programmée en 2017 avant le premier vol programmé en 2018[18]^,[19].

Cet exemplaire du réservoir d'hydrogène du premier étage assemblé avec la section inférieure (contenant le système de fixation des moteurs-fusées) et l'inter-réservoirs doit servir à des tests de structure.

Le propulseur d'appoint est testé à plusieurs reprises avec un dernier test le 2 septembre 2020. Les installations de la plateforme de lancement mobile ML-1 et du pas de tir 39B, qui ont été modifiées pour permettre le lancement du SLS sont testés pour la première fois en décembre 2019[20].

Il était prévu en 2016 que la version Bloc 1 du lanceur ne soit utilisée que pour le premier vol et que la version Bloc 1B, beaucoup plus puissante et caractérisée par son nouvel étage EUS, soit utilisée pour les vols suivants[21]. Mais le développement de l'étage EUS équipant la version Bloc 1B accumule les retards car Boeing, qui le construit mais est également chargé du premier étage, donne la priorité au développement de ce dernier qui rencontre de nombreuses difficultés. Le président Trump lance début 2019 le programme Artemis qui doit ramener des astronautes américains sur la Lune. La version Bloc 1B, qui répondait uniquement à des objectifs fixés par le Congrès américain, n'est pas nécessaire pour remplir cet objectif car le lancement du module lunaire HLS doit être confié à des lanceurs commerciaux. Aussi le budget alloué à l'étage EUS en 2019 est divisé par deux passant de 300 à 150 millions US$. Prenant en compte le retard pris dans le développement de l'EUS, la NASA décide début 2018 d'utiliser la version Bloc 1 également pour le deuxième et troisième vol avec équipage ainsi que pour la version cargo qui doit lancer la sonde spatiale Europa Clipper. Pour cette dernière les performances réduites du Bloc 1 par rapport au Bloc 1B ravivent le débat concernant l'utilisation alternative du lanceur Falcon Heavy dont le coût est annoncé de 100 millions €[22]. Malgré le souhait de la Maison-Blanche de mettre un terme au développement de l'EUS, la NASA demande à Boeing de poursuivre ses travaux : la conception de l'étage EUS, qui avait été dimensionnée pour recevoir à terme un moteur J-2X, est optimisée en 2019 dans sa configuration à quatre moteurs RL-10 ce qui permet d'accroître ses performances. Le président Trump propose un budget 2020 d'arrêter le développement de l'étage EUS ainsi que tous les travaux associés (plateforme de lancement mobile ML-2) en confiant à des lanceurs commerciaux les vols du programme Artemis qui étaient envisagés pour le Bloc 1B. Mais le Sénat s'oppose à cette décision et rétablit dans le budget 2020 les fonds consacrés à l'EUS. La Maison-Blanche propose de nouveau un budget 2021 annulant l'EUS[23]^,[24].

Lorsque le Congrès américain avait pris la décision en 2010 de lancer le développement de la fusée géante SLS, l'offre des lanceurs commerciaux était encore balbutiante. La société SpaceX venait tout juste de réussir le premier vol de sa fusée Falcon 9 après les débuts calamiteux de son lanceur léger Falcon 1. La confiance qu'on pouvait accorder aux sociétés privées pour la desserte de la Station spatiale internationale était l'objet d'intenses débats parmi le personnel politique concerné. En 2018 la donne a changé. Les sociétés privées ont largement fait leurs preuves et SpaceX met à disposition un lanceur lourd, la Falcon Heavy (60 tonnes en orbite basse pour la version non réutilisable), pour un prix sans commune mesure avec celui du SLS (environ 100 millions US$ contre environ 1 milliard US$). La NASA défend désormais le projet du SLS en mettant en avant sa capacité nettement supérieure à celle des lanceurs existants qui selon l'agence spatiale est nécessaire pour les projets lunaires et martiens. Cet argument est sur le fond contestable. Le maintien du SLS est largement lié au maintien de plusieurs milliers d'emplois en particulier dans le sud des États-Unis dans les états d'Alabama, du Mississippi, de Louisiane et de Floride[25].

En raison des retards et des dépassements de budget importants ainsi que du coût d'exploitation attendu non compétitif avec les alternatives disponibles ou attendues sur le marché des lanceurs, le 13 mars 2019, Jim Bridenstine annonce devant le Comité sénatorial américain du commerce, des sciences et des transports, que la NASA envisage désormais le recours à des lanceurs commerciaux pour le lancement de la capsule Orion ainsi que pour la construction de la Lunar Orbital Platform-Gateway[26]. En mars 2020 le président Donald Trump propose une réduction du budget global de la NASA 2020 de 2 %, soit 2,1 milliards de dollars. Le plan prévoit l'annulation du développement des versions les plus puissantes du SLS (Bloc 1B et 2) réduisant l'intérêt de poursuivre du développement du SLS[26]. Mais le Congrès américain s'oppose à ce projet et décide au contraire de porter le budget de la NASA à 22,616 milliards de dollar soit une hausse de 1,6 milliard par rapport 2019. La ligne budgétaire consacrée au projet SLS est quant à elle augmentée de 651 millions de dollars[27].

Les plateformes mobiles de lancement de la fusée SLS ML-1 (bloc 1) et ML-2 (bloc 1B) : 1 Pour ML-2 la passerelle utilisée par l'équipage pour accéder au module Orion et la liaison ombilicale du module de service sont situés plus haut - 2 : Sur ML-2 une nouvelle liaison ombilicale est nécessaire pour le deuxième étage EUS - 3 Les stabilisateurs de ML-2 sont situés plus haut - 4 Les connexions structurelles sont différentes pour prendre en compte la taille et le poids supérieur du SLS bloc 1B - 5 La base des deux versions est identique mais les connexions structurelles doivent être adaptées pour prendre en compte la masse plus importante.

Pour lancer la fusée SLS, la NASA adapte les installations du complexe de lancement 39 au centre spatial Kennedy (Floride) qui avaient été utilisées auparavant par la Navette spatiale américaine. Le lanceur géant doit être assemblé dans l'immense bâtiment du VAB sur une plateforme mobile de lancement qui doit ensuite être transportée par le crawler jusqu'au pas de tir 39B. Tous ces équipements doivent être modifiés pour tenir compte des caractéristiques propres au SLS.

Le premier étage en cours d'installation sur le banc d'essais du centre spatial Stennis pour un test de mise à feu.

A la suite du lancement du projet SLS la NASA décide d'adapter la plateforme de lancement mobile ML-1 qui avait déjà été modifiée pour le lanceur Ares 1[Note 1]. Cette décision est prise après avoir évalué deux autres options : la construction d'une plateforme de lancement entièrement nouvelle et l'adaptation d'une plateforme restée au standard de la navette spatiale américaine. Le chantier est lancé en 2011. Les caractéristiques très différentes de l'Ares I et du SLS Bloc 1 imposent de nombreuses modifications notamment des bras mobiles de la tour ombilicale et des ouvertures de la plateforme permettant aux gaz des moteurs de s'échapper. Le cout évalué en 2014 à environ 385 millions US$ dépasse finalement les 693 millions US$ et la livraison prend trois ans de retard à la suite d'erreurs de conception et d'une mauvaise gestion des sous-traitants. Ces modifications qui s'achèvent en 2020 ne permettent de lancer que la version Bloc 1 du SLS. La version Bloc 1B du lanceur plus haute nécessite de nouvelles adaptations. Il faut 33 mois pour faire passer la plateforme du standard Bloc 1 à Bloc 1B. Pour ne pas introduire de nouvelles contraintes dans le calendrier de lancement, la NASA décide en 2018 d'adapter une deuxième plateforme de lancement mobile héritée de l'époque de la navette spatiale (ML-2) au lanceur SLS Bloc 1B. Le cout des travaux, qui débutent en juin 2020, est évalué à 540 millions US$[28]^,[29]^, [30]^,[22].

Les propulseurs d'appoint du premier SLS arrivent par voie ferrée à la gare de Titusville et sont transférés au centre spatial Kennedy mi juin 2020[31]. Les segments arrière sont assemblés dans le bâtiment RPSF (Rotation, Processing and Surge Facility) avec leur jupe et leur tuyère. Ils doivent être transférés dans le VAB et assemblés avec le premier étage sur la plateforme de lancement mobile n°1 modifiée pour le nouveau lanceur[32]. Le premier étage après avoir subi différents tests pour s'assurer de la résistance de la structure est installé sur le banc d'essais B-2 du centre spatial Stennis pour un test de fonctionnement prévu le 16 janvier 2021. Le programme initial consiste à vérifier le fonctionnement simultané des moteurs durant 8 minutes, correspondant à leur temps d'activité pour amener la fusée dans l'espace, mais l'essai pris court après un peu plus d'une minute de fonctionnement[33] et ce avant d'avoir pu vérifier les fonctionnement des moteurs lorsqu'il décrivent un mouvement circulaire, destiné à orienter la fusée sur la trajectoire prévue

Le SLS est d'abord conçu pour placer le nouveau vaisseau spatial Orion, sans équipage à bord, sur une trajectoire lui permettant d'atteindre la Lune. Ce devrait être l'objectif de son premier vol Artemis 1 en 2022. Ce vaisseau devrait permettre des missions habitées vers la Lune, des astéroïdes et à terme doit lancer les différents modules permettant une mission habitée sur le sol martien[35].

Le lanceur SLS pourrait également servir au lancement de missions lourdes d'exploration du système solaire en particulier les missions vers les planètes externes qui nécessitent avec les lanceurs existants de nombreuses manœuvres d'assistance gravitationnelle qui rallongent d'autant la durée du transit. Son utilisation est fortement envisagée pour la mission Europa Clipper, une sonde spatiale de 6 tonnes à destination de Europe satellite de Jupiter. Le recours au SLS permet d'adopter une trajectoire directe et de raccourcir ainsi de 3 ans la durée du transit vers Europe. Toutefois ce choix s'accompagne d'un surcoût important. Alors que le lancement par une fusée commerciale (Delta IV Heavy ou Falcon Heavy couterait au plus 500 millions US$, le recours à la fusée SLS est évalué à 876 millions US$ par les officiels de la NASA ou à deux milliards US$ par les représentants de la Maison-Blanche qui incluent les couts fixes induits par la nécessité pour Boeing de redimensionner ses installations pour produire la fusée pour un vol qui est prévu en 2023/2024. Toutefois ce choix est poussé par le Congrès américain sans que les scientifiques et les ingénieurs de la NASA soient consultés[36].

Performances de la version cargo des bloc 1 et 1B par rapport aux lanceurs existants.

Le premier étage du lanceur SLS destiné au lancement de la mission Artemis I sort de l'usine de Michoud.

Les quatre moteurs RS-25 qui doivent propulser le premier exemplaire du SLS avant leur assemblage avec le premier étage.

Le premier étage (Core stage) dérive du réservoir externe de la navette spatiale américaine. Il a une longueur de 61 mètres pour un diamètre de 8,4 mètres. Sa masse à vide est de 85,4 tonnes et avec le plein d'ergols de 979,5 tonnes. Les deux réservoirs de l'étage peuvent contenir 2 763 m³ d'hydrogène et d'oxygène liquide. Cet étage comprend cinq sous-ensembles : de bas en haut la section sur laquelle sont fixés les moteurs-fusées qui contient également une partie de l'avionique de l'étage et sert de point d'attache inférieur aux propulseurs d'appoint, le réservoir d'hydrogène de 40 mètres de long et d'un volume de 2 032 m³, un anneau inter-réservoirs avec également de l'avionique et le point d'attache supérieur des propulseurs d'appoint, le réservoir d'oxygène de 742 m³ et enfin la jupe avant dans laquelle se trouve également une partie de l'avionique et les ordinateurs de vol. Le corps central est construit par Boeing[39]^,[40].

L'étage est propulsé par quatre moteurs RS-25E (« E » pour « Expendable », signifiant « jetable »). Ces moteurs sont fournis par la société Aerojet Rocketdyne Le RS-25 D/E est une version modernisée des moteurs SSME de la navette spatiale américaine. Le moteur est particulièrement performant car il brule un mélange d'oxygène et d'hydrogène liquide et il utilise un cycle d'alimentation à combustion étagée. Par rapport à la version utilisée par la navette spatiale, il dispose d'un nouveau contrôleur, une meilleure isolation de la tuyère et une augmentation de la poussée qui atteint 109 % de la poussée nominale contre 104,5 % auparavant. La poussée est de 1 859 kN au niveau de la mer 2 227 kN dans le vide, soit respectivement de 190 tonnes et 232 tonnes. Contrairement à ceux de la navette spatiale ils ne sont pas réutilisables ce qui a permis de réduire leur poids et de diminuer leur cout. Son impulsion spécifique, moins performante que dans la version d'origine, est de 366 secondes au niveau de la mer et de 452 secondes dans le vide. Chaque moteur a une masse de 3527 kg, est haut de 4,27 mètres pour un diamètre de 2,44 mètres. La tuyère a un rapport de section de 69 qui est typique des moteurs-fusées devant fonctionner à basse altitude[41]^,[42]. Les lanceurs SLS doivent utiliser 16 moteurs modernisés issus du programme de la navette spatiale. La chaine de fabrication a été relancée, dans le cadre d'un contrat de 1,79 milliard US$ passé en mai 2020, pour produire 18 moteurs dont le cout de fabrication devrait être 30 % plus faible et qui devraient être légèrement plus puissants[43].

Le premier étage est construit par Boeing dans le centre d'assemblage de Michoud et reprend la couleur orange du réservoir externe de la navette spatiale américaine (il s'agit de la couleur de la mousse isolante, l'absence de peinture permet à la NASA de réduire le poids de l'étage et de réaliser des économies). Cet étage est commun aux différentes versions du SLS.

• Premier étage
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  Opération de soudure à l'intérieur du réservoir d'hydrogène du premier étage.
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  Intertank : partie centrale de l'étage assurant la jointure entre les deux réservoirs.

Le lanceur utilise deux propulseurs d'appoint à propergol solide RSRMV qui fournissent 80 % de la poussée totale au décollage. Ces propulseurs dérivent des propulseurs d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine (SRB) . Ils sont toutefois plus longs (la poussée est supérieure de 20 %) grâce à l'ajout d'un segment. Les autres modifications portent sur la suppression du système de récupération (suppression du parachute situé dans la pointe avant), l'agrandissement de la tuyère, l'amélioration du système hydraulique d'inclinaison de la tuyère et la modification du point d'attache inférieur au corps du lanceur. La plupart de ces modifications ont été implémentées pour la mise au point du lanceur Ares V. Chaque propulseur d'appoint a une longueur de 53 mètres pour un diamètre de 3,71 mètres. Sa masse au lancement est de 733,1 tonnes pour une masse à vide de 85,4 tonnes. La poussée au décollage est de 16 013 kN au sol ce qui pour les deux propulseurs représente une poussée totale de 2 622 tonnes. La durée de combustion de 126 secondes[38]. Chaque propulseur d'appoint est composé de cinq segments dont trois segments centraux, le segment supérieur de forme aérodynamique dans lequel est logé le système de mise à feu. et les systèmes électroniques et un segment inférieur qui comprend la tuyère qui peut être inclinée de 5 degrés grâce à des vérins hydrauliques. Ces derniers s'appuient sur une jupe prolongeant le propulseur d'appoint. Le propulseur d'appoint est constitué d'une enveloppe en acier dans lequel a été coulé un bloc de poudre (un mélange constitué principal d'aluminium et d'oxydant) dont l'axe central est évidé. La mise à feu est déclenché par un petit bloc de propergol solide, lui-même allumé par une charge pyrotechnique, qui produit une longue flamme. Celle-ci déclenche la combustion du bloc de poudre tout au long de l'orifice central. Contrairement à un moteur à ergols liquides, la poussée d'un moteur à propergol solide ne peut pas être modulé en réduisant directement la quantité d'ergols brulés. On y parvient toutefois en donnant une géométrie particulière à l'orifice central. La poussée maximale est nécessaire au décollage mais elle doit être réduite par la suite pour que l'accélération ne devienne pas trop forte au fur et à mesure de l'allègement de la fusée. Pour y parvenir l'orifice central du bloc de poudre des deux segments d'extrémité a une section en étoile : la surface brulant au début est bien supérieure que dans les segments centraux à l'orifice cylindrique mais diminue rapidement. Les propulseurs d'appoint du lanceur SLS sont produits par Northrop Grumman dans son usine située au nord de Salt Lake City dans l'Utah puis convoyés par voie ferrée jusqu'au centre spatial Kennedy en Floride pour y être assemblés entre eux puis avec le lanceur[44]^,[45]. Il était envisagé de les remplacer par des propulseurs d'appoint à ergols liquides, afin d'améliorer la poussée produite[46]^,.

• Propulseurs d'appoint
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  Un des cinq segments des propulseurs d'appoint.
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  Tuyères de propulseur d'appoint

Le deuxième étage ICPS pour la mission Artemis I.

La version Bloc 1 utilise l'étage ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage en français « Étage de Propulsion Cryogénique Provisoire »), dérivé du second étage du lanceur Delta IV. Long de 13,70 mètres pour un diamètre de 5,10 mètres, l'IPCS a une masse à vide de 4 tonnes et de 32 tonnes une fois les ergols chargés. Il est propulsé par un moteur-fusée à ergols liquides RL-10B2 unique de 110 kN de poussée développé par la société Aerojet et brûlant un mélange d'hydrogène liquide et d'oxygène liquide.

Une structure conique le LVSA (Launch Vehicle Stage Adapter ) relie le premier étage à l'IPCS. Cette structure vide entoure pratiquement tout le second étage dont la longue tuyère du moteur-fusée RL-10. Une partie de l'avionique du premier étage y est fixée sur sa paroi interne. Haute de 9 mètres pour un diamètre maximal de 9 mètres le LVSA est constitué de panneaux d'aluminium soudés entre eux encadré par deux anneaux dans le même matériau. Comme le premier étage la structure est recouverte à l'extérieur d'une couche d'isolant thermique orange qui la préserve de l'échauffement découlant du frottement de l'atmosphère que la fusée traverse à grande vitesse. Lors de la séparation du second et du premier étage cette structure reste solidaire de ce dernier et est donc larguée[47]^,[48].

Le lanceur SLS est d'abord conçu pour lancer le vaisseau spatial lourd Orion qui doit transporter des équipages sur une trajectoire lunaire voire interplanétaire. Le vaisseau proprement dit est lancé avec un adaptateur et des panneaux qui font la jonction avec le deuxième étage de la fusée et une tour de sauvetage qui le coiffe et qui est chargé d'arracher la capsule au lanceur pour préserver l'équipage en cas de défaillance de la fusée durant les premières minutes de vol. L'ensemble a une masse de 33,5 tonnes dont 24 tonnes pour le vaisseau, 7,4 tonnes pour la tour de sauvetage et 1,8 tonnes pour l'adaptateur et les panneaux[49].

La tour de sauvetage est un équipement aux caractéristiques bien maitrisées puisqu'il a été utilisé par les vaisseaux Mercury, Apollo et qu'il est toujours employé sur les vaisseaux russes Soyouz. La tour de sauvetage du vaisseau Orion a été développée et mise au point comme le vaisseau Orion dans le cadre du programme Constellation. Il prend la forme d'un long cylindre fixé par une jupe au sommet de la capsule Orion. Ce cylindre abrite un système de propulsion à propergol à propulsion solide chargé d'arracher la capsule au lanceur et de l'en éloigner en cas de défaillance de celui-ci. Une poussée de 180 tonnes est exercée durant trois secondes qui éloigne le vaisseau Orion de la fusée à une vitesse de 800 km/h en imposant une accélération maximale de environ 11 g. L'ensemble formé par la capsule et la tour de sauvetage est instable et durant le fonctionnement du système propulsif huit petits générateurs de gaz sont utilisés en permanence pour maintenir son orientation. Le dispositif est conçu pour pouvoir être utilisé alors que la fusée est encore au sol : la tour de sauvetage élève la capsule de plus de 2 kilomètres avant que celle-ci ne retombe ce qui laisse le temps aux parachutes de se déployer et de permettre un atterrissage en douceur[50].

La version bloc IB, plus puissant devrait effectuer son premier vol vers 2025 s'il est financé ce qui n'était pas le cas courant 2020. Cette version se caractérise par un deuxième étage l'Exploration Upper Stage (EUS) entièrement nouveau. qui équipe également le bloc 2 du SLS. Cet étage est propulsé par 4 RL-10C3. Cette version du moteur se distingue de la précédente au niveau de la partie basse de la tuyère qui prolonge la partie haute solidaire de la chambre de combustion. Sur la version C3 cette partie basse comprend deux parties en composite carbone et est fixe alors que sur la version B2 elle est composée de trois parties et est déployée en orbite après séparation du premier étage du lanceur. La partie haute de la tuyère du C3 est refroidie par circulation d'ergols tandis que la partie basse utilise le refroidissement radiatif[24].

La version Bloc 2 capable de placer 130 tonnes en orbite basse se différencie du bloc IB par ses propulseurs d'appoint. Ceux-ci seraient soit des propulseurs à propergol solide utilisant une enveloppe en composite carbone beaucoup plus légère que l'acier employé jusque là soit des moteurs à ergols liquides beaucoup plus performants. Cette version demandée par les sénateurs et les représentants au lancement du projet n'est pas financé et le premier vol ne devrait pas intervenir avant 2030.

• (en) K. K. Klaus et Weaver Ben Donahue, « The Space Launch System for Exploration and Science », Boeing, Boeing,‎ février 2014 (lire en ligne). 
  Les différents utilisations potentielles du lanceur SLS selon Boeing (2014).
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• Lunar Orbital Platform-Gateway (projet de station orbitale lunaire)
• Orion (vaisseau spatial à l'étude, en vue du programme Artemis)
• Programme Artemis (projet de vols habités vers et sur la Lune à partir de 2021)
  • Artemis I (première mission spatiale mettant en oeuvre le lanceur ; sans équipage, prévue pour 2021)
  • Artemis II (envoi d'un équipage autour de la Lune, prévu pour 2023)
  • Artemis III (envoi d'un équipage sur de la Lune, prévu pour 2024)
• RS-25 (moteurs principaux de la navette spatiale)
• RL-10 (moteur-fusée à ergols liquides)
• Propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine
• Ares V (autre lanceur américain projeté dans le cadre du programme Artemis)
• Longue Marche 9 (lanceur à l'étude en Chine et de capacité comparable à SLS)

• (en) « Space Launch System », Site officiel du lanceur, NASA.
• (en) « Space Launch System », Page sur le lanceur sur le site de l'ESA, sur EO Portal, Agence spatiale européenne.
• (de) Bernd Leitenberger, « Space Launch System », Page du site de Bernd Leitenberger (en allemand).
• (en) Ed Kyle, « Space Launch System », Page consacrée au lanceur sur le site Space Launch Report, sur Space Launch Report.

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