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Les accidents de la navette spatiale

L'accident de Challenger (II)

Le 28 janvier 1986, l'équipage de la navette spatiale Challenger fut victime d'un accident tragique au cours du décollage de la mission STS-51-L. Pour la seconde fois après l'accident d'Apollo1 et le suspens qui suivit le retour d'Apollo XIII, la NASA revivait ce qu'elle redoutait le plus, perdre un équipage au cours d'une mission.

Pour trouver la raison de cet accident survenu à peine 5 ans après la première mission de la navette spatiale (12 avril 1981), la NASA se tourna vers son meilleur physicien, le Dr Richard Feynman. Bien qu'il était âgé et n'était plus en très bonne santé, après avoir hésité quelques temps il accepta de prendre en charge cette mission, la dernière et l'une des plus importantes de sa carrière. Parmi les autres experts, il y avait également le Cdt Neil Armstrong d'Apollo 11.

L'enquête de la Commission Rogers s'étendit sur plusieurs mois et conclut qu'un joint torique gelé fabriqué par Thiokol avait été à l'origine de l'accident. On mis également en cause le contrôle qualité de la NASA et le manque de professionnalisme des équipes chargées de la logistique qui auraient accepté d'utiliser des pièces de moins bonnes qualités pour des raisons d'économie. Bien mal leur en pris.

Mais le fond du problème restait entier : comment un joint d'étanchéité pouvait-il détruire une navette spatiale ? Richard Feynman réanalysa tous les films pris durant les premières secondes du vol de Challenger, fit réaliser des expériences en laboratoire et put finalement comprendre la raison de l'embrasement de la navette spatiale. Tout était lié à une question de température et de conception du lanceur.

L'accident de Challenger

 Fichiers Mpeg de 870 KB, QT de 2 MB et 1 MB. Voir aussi YouTube.

Sensibilité des joints toriques au froid

Durant la nuit précédent le décollage, la température ambiante était sous 0°C. Au matin les joints toriques attachés aux fusées d'appoint à poudre (Solid Rocket Boosters, SRB) étaient encore très froids. Celui du SRB droit présentait une température d'environ -2°C tandis que du côté opposé, le joint du SRB présentait une température d'environ 10°C. A d'aussi basses températures les "O-ring" d'étanchéité sont sujets à deux effets : un raidissement et une lenteur de réaction.

Le pad de tir 39B gelé couvert de givre transparent (verglas) en janvier 1986. A gauche le boîtier contrôle du pad mais qui ne fut pas utilisé lors de la mission STS-51-L. Au centre, une image impressionnante prise sous le pad de tir et à droite l'état du SRB à hauteur d'une coursive. Documents NASA.

Le premier effet se produit autour de zéro degré où l'étanchéité des O-ring n'est plus assurée à 100 %. Lorsqu'ils sont froids ils se raidissent et ne se déplacent plus aussi rapidement qu'ils devraient. Des tests ont été effectués pour savoir à quelle vitesse s'effectuait la pressurisation. A 24°C l'étanchéité s'établit en moins de 0.530 sec. En revanche, à -7°C il leur faut 1.9 sec pour se mettre en place et devenir hermétique. C'est ce temps d'écart qui conduisit à la destruction de Challenger.

Sur les 10 missions précédentes des navettes américaines, 8 présentaient des O-ring endommagés sur les SRB. Les deux missions revenues avec des O-ring non endommagés furent celles dont le lancement eut lieu par temps chaud; les joints avaient une température de 27°C et de 22°C. Cette découverte démontra que la température au décollage était le facteur contribuant le plus à la défaillance des O-ring.

A gauche, le schéma des différents modules de la navette. Au moment du décollage la navette pesait 593 tonnes. A droite, la fonction d'étanchéité du joint torique : en position conforme et non pressurisée.

La fuite du réservoir

Challenger décolla de Cap Canaveral (JSC) le 28 janvier 1986 à 11h38 EST pour accomplir sa 10e mission, STS-51-L. C'était son 25e vol. La mission avait déjà été retardée par 2 fois, l'une en raison du temps, l'autre suite à un problème de fermeture du sas. Le décompte fut encore postposé de 2 heures le jour du décollage car le système de surveillance anti-incendie ne fonctionnait pas lors du remplissage des réservoirs d'hydrogène.

Au moment du décollage de Challenger, la température au sol sur le pad de tir 39B était de -2°C, soit 15° de moins que lors des lancements précédents. C'était la température la plus basse jamais enregistrée lors du décollage d'une navette spatiale. Les deux SRB furent allumés, on entendit un bruit assourdissant et la navette décolla. A 0.68 sec après l'allumage, les cassettes vidéos montraient que de la fumée noire sortait de la région du joint du booster droit. Ce joint se trouvait dans la partie inférieure du SRB. 

Cette fumée noire semblait indiquer que de la graisse, un joint d'isolation et le caoutchouc des O-ring étaient en train de brûler. La fumée faisant face au réservoir extérieur s'échappait du joint à raison de trois jets par seconde. La dernière émission du jet fut observée à 2.7 sec. La fumée noire indiquait clairement que le joint d'étanchéité n'était pas pressurisé correctement.

Au cours de l'ascension de Challenger, des éclats très brillants apparurent sur les ailes de la navette 45 secondes après le décollage. Chacun de ces 3 flashes dura seulement 1/13 de seconde. Ces flashes lumineux ont été observés au cours d'autres missions et ne furent pas considérés comme des problèmes. Ces flashes n'étaient pas corrélés avec la flamme qui apparut plus tard au cours du vol. A 58.8 secondes après le décollage, une flamme apparut sur le SRB droit. Cette flamme provenait du joint torique, d'une position à 305° sur la circonférence du SRB et signifiait que le gaz qui s'échappait du SRB était en train de brûler.

Une fraction de seconde plus tard, à 59.3 secondes, la flamme était beaucoup plus soutenue et était visible à l'oeil nu.

A mesure que la taille de la flamme augmentait, elle finit par atteindre le réservoir externe en raison de la pression de l'air générée par le vol de l'Orbiter.

Il faut également savoir que les SRB sont attachés au réservoir externe par une série d'étais (des supports) placés le long du réservoir externe. L'un d'eux est situé à 310° sur la circonférence du SRB droit. A mesure que la flamme grandit, elle atteignit ce support qui monta à une température de 3093°C, le rendant très chaud et peu résistant.

Evolution de la fumée suspecte dégagée par le SRB droit.

Le premier signe indiquant que la flamme touchait le réservoir externe apparut à 64.7 secondes, lorsque la flamme changea de couleur. Cette coloration indiquait que sa couleur était provoquée par un mélange avec une autre substance. Cette autre substance était l'hydrogène liquide stockée dans l'immense réservoir externe, les deux tiers inférieurs contenant l'hydrogène liquide, le tiers supérieur l'oxygène liquide. Les mesures télémétriques indiquèrent que la pression du réservoir à hydrogène chutait, confirmant qu'il y avait une fuite. 45 millisecondes après le changement de couleur, une lueur apparut entre le réservoir externe et les tuiles noires couvrant la structure de Challenger.

72 secondes après le décollage, l'enchaînement des évènements fit exploser Challenger en l'espace de 2 secondes et tua ses 7 membres d'équipage. Le réservoir à hydrogène contenu dans le tank externe se rompit et libéra de l'hydrogène liquide. La soudaine absence d'hydrogène entraîna une pression très intense en direction du réservoir à oxygène qui se mit aussitôt à brûler.

A lire : Transcription des commentaires entre l'équipage de Challenger et le Capcom

Explosion de la navette spatiale Challenger le 28 janvier 1986 suite à fuite d'hydrogène liquide du réservoir externe. Documents NASA/GRIN.

Au moment où les deux réservoirs intérieurs entrèrent en collision, le sommet supérieur du SRB droit frappa le sommet du réservoir externe et brisa le réservoir d'oxygène. La vapeur blanche que l'on a pu voir correspondait au mélange de l'hydrogène avec l'oxygène.

A 73.14 secondes, toute la structure s'effondra. Quelques millisecondes seulement après l'apparition de la vapeur blanche sur le SRB droit, la lueur se transforma en une immense boule de feu explosive. L'explosion principale fut provoquée par l'hydrogène et l'oxygène fuyant du réservoir externe. Challenger volait à une vitesse de Mach 1.92, à une altitude de 46000 pieds quand elle explosa. La dernière transmission de Challenger fut enregistrée 73.62 secondes après le décollage, après quoi elle se démantela totalement.

Juste avant l'explosion de Challenger, la navette fut enveloppée dans un nuage de fumée qui grandit encore après l'explosion. Sous la fumée grise une fumée rouge apparut. Cette fumée fut émise par le système de contrôle qui par réaction venait seulement de réagir à l'explosion.

Les débris de Challenger retombèrent dans l'océan. Sous leur propre poussée, les 2 SRB sortirent rapidement de la boule de feu et du nuage de fumée et volèrent dans deux directions opposées, offrant cette morbide image en forme de scorpion. L'explosion des SRB fut décidée par l'USAF Safety Commander 110.25 secondes après le décollage (36.6 secondes après l'explosion).

L'équipage de Challenger

Mission STS-51-L

Francis R. Scobee, Commandant de mission; Michael J. Smith, Pilote; Judith A. Resnik, 1ere spécialiste de mission; Ellison S. Onizuka, 2e spécialiste de mission; Ronald E. McNair, 3e spécialiste de mission; Gregory B. Jarvis, 1ere spécialiste de la charge et Sharon Christa McAuliffe, 2e spécialiste de la charge.

Après investigations, des fragments des scaphandres des astronautes seront retrouvés dans la région.

"Tu es poussière et tu retourneras à la poussière" dit la Genèse. Mais personne ne crut que cela s'appliquerait d'une aussi funeste manière. Paix à leur âme.

Pour plus d'informations

Space Shuttle Mission STS-51-L, NASA

Challenger STS-51-L Accident, NASA

Transcription des commentaires entre l'équipage de Challenger et le Capcom, 28 janvier 1986, NASA

IMPLEMENTATION of the RECOMMENDATIONS of the Presidential Commission, 14 juillet 1986, NASA

Report of the PRESIDENTIAL COMMISSION on the Space Shuttle Challenger Accident, 6 juin 1986, NASA

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