|
Les
combinaisons spatiales
|
|
L'astronaute
Pat Forrester au cours de la mission STS-105, le 10 août
2001. Il porte une combinaison sans identifiant coloré... ce
qui permet de le reconnaître. Document NASA. |
La
combinaison spatiale EMU (IV)
Pour survivre et travailler dans l'espace, un astronaute
doit disposer d'une combinaison spatiale qui tient compte de
nombreuses contraintes : résister à la pressurisation interne et au
vide, offrir une excellente isolation à la chaleur et au froid,
une protection contre le rayonnement solaire, les UV, les rayons
cosmiques. Elle doit être hermétique tout en permettant l'évacuation
des gaz, elle doit supporter des flux d'oxygène, de gaz carbonique et
d'eau sans avoir de fuites, disposer d'une alimentation électrique,
de moyens télécom tout en ayant la capacité de contrôler de l'environnement
de la combinaison.
S'ajoute à ces critères la résistance mécanique contre l'abrasion,
les impacts de micrométéoroïdes et les déchirures. Enfin, elle doit être
suffisamment souple et peu encombrante pour ne pas gêner les
mouvements de l'astronaute et capable de recevoir des interfaces
et des éléments externes (harnais, boîtier de commande, tuyau ou
cable de raccordement, éclairage, caméra, outil, etc). Voilà
un cahier des charges plutôt exceptionnel.
Le
défi fut relevé par les sociétés travaillant déjà sur les
programmes spatiaux antérieurs, notamment Hamilton Sundstrand pour
la partie rigide de la combinaison (HUT et panneau DCM), ILC Dover pour les
parties souples (les bras et le LTA), ainsi que David Clark
Company et Garrett AiResearch (Northrop Grumman) parmi beaucoup d'autres.
Par
rapport aux anciennes combinaisons, la principale différence
apportée par l'EMU actuelle (Extravehicular Mobility Unit) est qu'elle
fut conçue pour être utilisée par plusieurs astronautes au lieu d'être
fabriquée sur mesure comme les anciennes combinaisons. A l'époque de la
navette spatiale, le corps des astronautes comptait environ 120 hommes
et femmes. Les combinaisons sont disponibles de la taille X-Small
à X-Large, ce qui convient à 95% de la population. Seuls les gants sont
fabriqués sur mesure.
Cette
combinaison est modulaire et peut donc s'adapter à un homme mesurant 2 m
comme à une petite femme de 1.50 m. Mais le poids de l'EMU reste important.
Sur Terre il pèse environ 127 kg. Heureusement dans l'espace, ce poids est
tout à fait supportable car l'astronaute n'a plus à supporter un gramme
du poids de l'EMU mais uniquement à gérer sa masse, sa quantité de matière.
Même si on l'utilisait sur la Lune (mais ce n'est pas prévu),
l'EMU pèserait un sixième de son poids sur Terre soit environ 21
kg, à peine plus que la combinaison que portaient les astronautes
du programme Apollo qui leur permettait aisément de faire des
bonds sur la Lune.
Néanmois,
cela n'est pas sans conséquence en microgravité (impesanteur).
Etant donné que le centre de masse est décalé vers l'arrière,
l'astronaute a tendance à se pencher en avant pour garder
l'équilibre et, comme ce fut le cas sur la Lune, s'il se
déplace trop rapidement avec son PLSS, s'il sautille, fait des bonds
ou fait des gestes amples, il risque de perdre l'équilibre et de
tomber comme s'est arrivé lors des missions Apollo 15, 16 et 17 (cf. cette vidéo
et celle d'Apollo
17). Un accident et c'était la mort assurée. Du coup, la NASA interdit
aux astronautes de faire des accrobaties. Comme le dit en souriant
l'astronaute Charles
Duke d'Apollo 16, "Fini les jeux olympiques !".
Comment
reconnaîtres les astronautes lors d'une EVA ou sur une photographie
sans légende ? Cachés sous leur combinaison et leur visière
réfléchissante, ils s'identifient par le badge
(insigne) propre à leur mission qu'il porte sur la poitrine, et
des bandes individuelles rouges ou bleus cousues sur le tissu
recouvrant les côtés supérieurs gauche et droit du PLSS ainsi
que par les anneaux métalliques rouges ou bleus
qu'ils portent sur les cuisse. Un troisième identificateur est
l'absence de signe coloré (la combinaison est toute blanche).
En
l'espace de 20 ans, les EMU ont régulièrement évoluées mais
elles ressemblent toujours à ce qu'elles étaient lors du premier
vol de la navette en 1981. Nous verrons plus loin les détails de
cette combinaison et la manière dont elle est fabriquée.
|
|
Un membre de l'équipage de la mission STS-69
en septembre 1995 nous montrant l'aspect général de l'ISS
EMU (sans le SAFER). Document NIX. |
L'EMU
a été conçue uniquement pour les EVA en
gravité zéro en tenant compte de la mobilité du torse et des
membres supérieurs de l'astronaute puisque toute sortie dans
l'espace est associée à un travail (sur un satellite, sur ISS ou
dans la navette). La dernière version pèse 84 kg et offre une
autonomie de 9 heures d'oxygène plus 45 minutes sur la réserve, ce qui
rejoint les performances de la combinaison russe Orlan.
Depuis
1995 l'EMU utilisé par les équipages d'ISS a intégré le SAFER dans
le système de survie et dispose de nouvelles options pour
améliorer le confort des astronautes (plus d'eau, plus
d'oxygène, plus de puissance, résistances chauffantes dans les
doigts, protection TMG sur tous les appareils, etc).
De
nos jours, l'EMU sert à de multiples usages en dehors de
l'atmosphère terrestre : le déploiement de matériel dans le vide,
l'entretien des équipements, la réparation en orbite, la
récupération de satellites, l'assemblage d'ISS, etc, que cela
se fasse en plein Soleil ou dans l'ombre, dans la soute de la
navette ou à quelques dizaines de mètres de distance des
infrastructures.
En
revanche, l'EMU n'a pas été conçue pour servir de backup en cas
de dépressurisation de la cabine ou comme protection en cas de
saut en parachute (bailout) car d'une part elle se s'enfile pas
comme une simple chemise et d'autre part elle n'est pas prévue
pour être soutenue par un parachute. Dans ce cas l'astronaute utilise la
combinaison Dave Clark orange pressurisée et le casque ad hoc.
L'EMU n'est pas non plus adaptée aux
activités à la surface de la Lune ou de Mars qui exigent des
combinaisons plus légères. On y reviendra en détail en dernière page.
L'ISS
EMU est actuellement utilisée par les astronautes américains,
européens et japonais tandis que le modèle russe Orlan est
utilisé par les astronautes russes, européens et américains.
La
combinaison EMU est constituée de trois principaux éléments :
-
le système de survie (PLSS)
-
la combinaison proprement dite (SSA)
-
le casque intégral.
Le
système de survie PLSS
Configuration
du PLSS
Le
"Portable Life Support System", le sac à dos comme l'appelle les Anglo-saxons que portent
les astronautes lors des EVA comporte plusieurs compartiments qui
abritent les différents éléments du système de survie que nous
allons décrire ci-dessous.
Il se compose essentiellement de 8
éléments. Au cours de la fabrication du PLSS, on installe tout d'abord les
réserves d'oxygène (les 2 bouteilles plus la réserve en cas d'urgence).
L'équipement d'extraction du gaz carbonique est ensuite mis en place. On installe
ensuite le système de ventilation, l'alimentation électrique (16.8 V), la radio, le
système de chauffage et l'équipement de refroidissement de
l'eau. On y attache enfin le module de propulsion (SAFER) et on
recouvre l'ensemble d'un tissu de protection TMG. Lorsque le
tout est assemblé, le PLSS est fixé directement au dos du
"Hard Upper Torso" (HUT) qui représente le torse rigide
de la combinaison. On y reviendra.
L'oxygène
et le gaz carbonique
Comment
l'astronaute respire-t-il dans l'espace ? Question cruciale, la
solution adoptée est finalement relativement simple. On utilise le même principe
que pour la plongée sous-marine ou chez les pompiers, si ce n'est
qu'au lieu de respirer de l'air, l'astronaute emporte une réserve d'oxygène pur.
La
combinaison spatiale étant pressurisée à basse pression (voir plus bas),
les astronautes ne peuvent pas respirer de l'air (21% d'oxygène et 78% d'azote plus
des traces de gaz rares). L'oxygène serait trop raréfié, équivalent à la pression
partielle d'oxygène présent vers 8000 m d'altitude.
|
|
Les
astronautes Mark Lee et Carl Meade se ventilant avant
d'effectuer une EVA au cours de la mission STS-64,
le 16 septembre 1994. Document NIX. |
Ainsi
que nous l'avons expliqué, respirer si peu d'oxygène
est dangereux et peut provoquer des maux de tête, une
hypoxie voire même un coma à très faible pression.
Les astronautes respirent donc de l'oxygène pur qui
leur est fournit soit par le PLSS soit à travers le
cordon ombilical qui les relie au système de survie de
la cabine.
Etant
donné qu'en temps normal les astronautes respirent de
l'air, leur organisme contient de l'azote dissout. Or à
basse pression, ce gaz peut provoquer des embolies.
Aussi, avant toute sortie dans l'espace les astronautes
sont obligés de se ventiler (ce n'est pas une
hyperventilation) en respirant de l'oxygène pur durant
15 minutes pour éliminer toute trace d'azote.
Ce
n'est qu'à l'intérieur des modules d'habitation de la navette et
de la station spatiale ISS que les astronautes retrouvent des
conditions de vie normale, mise à part l'apesanteur, et respirent
de l'air ordinaire recyclé.
L'oxygène
circule dans la combinaison en circuit fermé grâce à un
ventilateur. Lorsque la réserve d'oxygène de la première
bouteille est épuisée, le système bascule automatiquement sur
la deuxième.
L’oxygène
circule dans plusieurs conduits avant d'être insufflé à
l’arrière du casque pour éviter la formation éventuelle de buée
sur la visière (bien qu'elle contienne des résistances). L'oxygène
est ensuite entraîné au-dessus de la tête de l'astronaute pour
redescendre devant lui légèrement réchauffé. En
même temps le courant d'air entraîne le gaz carbonique
et l’humidité créés par la respiration de
l’astronaute vers le bas de sa combinaison, capturant
au passage la chaleur, l’humidité de la transpiration
du corps ainsi que toute trace de contaminant.
Il est
impératif d'évacuer le gaz carbonique car à trop
forte concentration ce gaz devient mortel. Ces gaz sont
aspirés par un tube souple fixé sur le sous-vêtement
qui contient également les systèmes de refroidissement
et de ventilation à circulation liquide (LCVG, voir
plus bas).
Les
gaz viciés sont aspirés à l'intérieur du PLSS et
acheminés vers une unité d'épuration. Elle se compose
de cartouches de filtration remplies d'hydroxide de
lithium qui capture le gaz carbonique, la vapeur d'eau
et les contaminants, complété par un échangeur de
chaleur ainsi qu'un appareil de sublimation pour
éliminer l’humidité ambiante.
L’échangeur
de chaleur a pour but d'aspirer l’air chaud extrait
de la combinaison et le remplacer par de l’air plus
frais qui est réinjecté dans la combinaison. En
complément, l'humidité est transformée en glace dans
un appareil de sublimation puis convertie en vapeur
d’eau et évacuée dans l’espace. La chaleur
latente libérée au cours du changement d'état de
l'eau rend celle-ci très froide au sortir de l’appareil
de sublimation. Cette eau froide est mélangée avec
l’eau tiède qui n’est pas encore passée par
l’appareil de sublimation puis retourne circuler à
travers les tubes du LCVG.
Le
restant d'air vicié est aspiré par la cartouche d'hydroxide de
lithium qui va capturer le gaz carbonique, l'air restant étant
renvoyé éventuellement réoxygéné par la réserve du PLSS, dans
le circuit d'alimentation en oxygène.
Si
le ventilateur s'arrête, la réserve secondaire d’oxygène
s’activera automatiquement et la circulation d'air passera en
circuit ouvert : l'astronaute recevra toujours de l’oxygène du
PLSS mais l'air vicié sera évacué dans l'espace sans être
traité par l'unité d’épuration. Sa réserve d'air va donc
diminuer beaucoup plus rapidement qu'en temps normal. Dans tous
les cas, c'est une situation d'urgence qui impose un retour immédiat
au vaisseau spatial.
Régulation
de la température
Dans
le vide, face au Soleil, nous avons vu que les objets atteignent
facilement une température de 120°C en quelques minutes. Exposé au
Soleil, l'astronaute ne déroge pas à cette règle. Mais qu'est-ce
que cela représente concrètement ?
Le
meilleur exemple est de vous imaginer dans une voiture sans air conditionné
et toutes fenêtres fermées exposée en plein Soleil d'été...
Si la voiture est blanche ou gris métallisée, la température
intérieure montera de 10°C par minute pour se stabiliser aux
alentours de 50°C ! Si la voiture est noire elle peut atteindre
80°C ! Bien que cette chaleur soit sèche, si vous restez
quelques minutes dans ces conditions, vous allez commencer à suer à
grosses gouttes pour maintenir votre température interne. Les personnes
les plus sensibles peuvent ainsi mourir déshydratées. En
revanche, si vous pouvez rafraîchir votre corps ne fut-ce qu'en
réalisant un courant d'air ou en l'humidifiant régulièrement,
vous pouvez résister à cette chaleur. La situation sera
cependant plus difficile à supporter s'il s'agit d'une chaleur
humide, très épuisante pour l'organisme. Ce sont des situations
extrêmes auxquelles l'homme s'adapte très difficillement et
en perdant énormément d'énergie pour maintenir sa température corporelle.
Dans
l'espace la montée en température est encore plus élevée et les
effets d'autant plus conséquents. Nous verrons que la NASA a donc
inventé des matières isolantes spéciales et des systèmes de refroidissement
et de ventilation adaptés pour réguler la température interne
de la combinaison afin de maintenir la température du corps
de l'astronaute à température normale. Ici l'air
conditionné n'est pas un luxe mais une question de survie !
|
|
L'astronaute
Franklin Story Musgrave portant son LCVG et la partie inférieure
de sa combinaison (LTA) à l'intérieur de la navette spatiale
pressurisée, juste avant une EVA au cours de la mission STS-61,
en 1993. Il lui faut 15 minutes pour s'habiller. Document NIX. |
Mais
contrairement à la Terre où l'atmosphère joue le rôle de
filtre protecteur contre les UV notamment et modère les extrêmes de
température par l'inertie des molécules et le brassage de l'air
provoqué par le vent, dans l'espace, à travers sa visière l'astronaute
reçoit également énormément de rayonnements ultraviolet et infrarouge.
Les randonneurs en montagne, les skieurs et les parachutistes
effectuant des sauts stratosphériques connaissent bien ce
phénomène que l'on subit à partir d'environ 3000m d'altitude.
Pour
maintenir la température corporelle de l'astronaute en toute
situation, la NASA a dû procéder par essais et erreurs durant
plus de 10 ans jusqu'à trouver une combinaison et des techniques
adaptées aux circonstances. Ainsi que nous l'avons expliqué,
depuis les missions Apollo l'astronaute porte un sous-vêtement
rafraîchissant sous sa combinaison, appelé le "Liquid Cooling and Ventilation Garment"
ou LCVG depuis les programmes ISS et STS.
Ainsi
qu'on peut le voir sur la photographie de F. Story Musgrave
présenté à gauche, ce sous-vêtement qui va jusqu'aux chevilles
est en contact avec la peau. Sa fonction
principale est de réguler la température corporelle et d'éliminer
l'excès d'humidité pour assurer le confort de l'astronaute.
C'est un échangeur thermique.
Ce
sous-vêtement est confectionné à partir d'un monopièce (une
salopette) en Nylon dans lequel sont entrelacées des
fibres de Spandex qui est un polymère
élastique connu sous le nom d'Elastane (Elasthanne) ou de Lycra, un
textile très léger et très résistant avec lequel on fait des
sous-vêtements. On installe sur ce tissu une série
de tubes de refroidissement qui sont ensuite cousus ensemble avec
la couche de Nylon. Une fermeture-éclair est cousue par devant
pour pouvoir l'enfiler, ainsi que les connecteurs pour le système
de survie. Le système de refroidissement fixé sur cette tenue
est composé de 100 mètres de fins tubes en plastique entrelacés
dans lesquels circule de l'eau froide. Généralement l'eau est
maintenue entre 4.4 et 9.9°C. La température est contrôlée par
une valve placée sur le module d'affichage et de commande que porte
l'astronaute sur sa poitrine. Lorsqu'il est rempli d'eau le LCVG pèse 3.8 kg sur Terre.
Etant
donné que l'astronaute se déplace avec la navette spatiale ou la
station ISS pendant qu'il travaille dans l'espace, toutes les 90
minutes environ, il passe dans l'ombre de la Terre où la
température chute rapidement à -100°C (elle pourrait descendre
plus bas si l'astronaute restait en permanence dans l'ombre). Les
extrémités de ses membres se refroidissant le plus rapidement,
les nouveaux gants de la combinaison ISS EMU contiennent des
résistances chauffantes permettant à l'astronaute de garder ses
mains chaudes et une impression de confort durant ce passage
critique qui dure environ 45 minutes.
 |
 |
|
A
gauche, l'astronaute Heidemarie Stefanyshyn-Piper de
l'expédition 13 sur ISS au cours d'une EVA lors de
la mission STS-115 le 12 septembre 2006. A droite, selfie
de l'astronaute Alexander Gerst de l'Expédition 41 sur ISS lors d'une EVA le 7 octobre
2014. Documents NASA
et A.Gerst/NASA. |
|
Régulation
de la pression
Sur
Terre, chaque centimètre carré de notre corps subit une pression
d'une atmosphère. C'est une force très importante qui agit dans
les trois dimensions et qui représente 1 kg/cm2.
Répartis sur tout le corps, cela fait des centaines de kilos de
pression qui nous maintiennent dans notre intégré. Merci
l'atmosphère !
Ainsi
que nous l'avons expliqué, si la combinaison pressurisée
n'était pas maintenue dans un harnais structurel, en l'absence
d'atmosphère elle gonflerait exagérément et l'astronaute ne
pourrait plus accomplir un seul geste.
Longtemps la
combinaison fut pressurisée à 11.2 psi ou 75.8 kPa (0.76 atm ou
760 mb) d'oxygène pure. Depuis 1981 et les missions
de la navette spatiale, afin que l'astronaute puisse travailler,
se pencher, plier les bras et les genoux dans de bonnes
conditions, la pression a été abaissée à 4.3 psi soit 27.6 kPa
(276 mb ou 0.276 atm) et la combinaison adaptée, notamment au niveau des
joints des articulations. Mais ainsi que nous l'avons vu, cette faible
pression a des conséquence sur la pression des gaz et implique que le
sas de sortie (airlock) de la navette ou de la station ISS soit également
abaissé à cette pression au risque de provoquer des problèmes
de décompression (embolies) comme peuvent parfois l'expérimenter
des plongeurs amateurs inconscients de leurs actes.
Enfin,
depuis les premières EVA, la combinaison pressurisée dispose
également d'une purge à oxygène afin d'évacuer le surplus de
gaz contenu dans la combinaison.
Vous
trouverez sur le site de la NASA
des informations complémentaires sur le PLSS utilisé par les
équipages Apollo.
Prochain chapitre
Conception de la combinaison spatiale
|
Page
1 - 2 -
3 - 4
- 5 - 6
- 7
-
|
| 
