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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. Le corps des astronautes de la navette spatiale compte 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. On peut imaginer que sur le terrain une petite femme pesant 40 kg éprouvera beaucoup de difficultés pour supporter une combinaison pesant jusqu'à 124.8 kg. Mais dans l'espace, cette situation est tout à fait soutenable car l'astronaute n'aura plus à supporter un gramme du poids de l'EMU mais uniquement à gérer sa masse, sa quantité de matière. 

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 l'EMU (en sautillant), il risque de perdre l'équilibre chaque fois qu'il retombe au sol et de tomber en arrière.

A gauche, l'astronaute Mark Lee portant le PLSS sur son dos et le SAFER en-dessous de lui au cours de la mission STS-64, en 1994. Au centre, la description de cette combinaison spatiale. A droite, John Grunsfeld pendant une EVA au cours de la mission STS-103, en 1999. On distingue très bien les bandes d'identification rouges sur le PLSS. Documents NIX et NASA, dessin adapté par l'auteur.

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 (Portable Life Support System) 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.

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.

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.

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.

L'astronaute Rex Walheim au cours d'une EVA pendant la mission STS-110, en 2002. Document NIX.

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.

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 a été pressurisée à 0.76 atm ou 11.2 psi d'oxygène pure. Depuis 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 0.29 atm (296 mb) ou 4.3 psi et la combinaison adaptée. 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

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