Les combinaisons spatiales

Conception de la combinaison spatiale (V)

La combinaison spatiale EMU des équipages de la navette spatiale et d'ISS est progressivement passée de 11 à 19 couches de protection pour une épaisseur qui est passée d'environ 5 à 8 mm. Dans sa version 2010, elle se compose d'un assemblage de 18 éléments fabriqués par quelque 80 sociétés et assemblés dans les bureaux du quartier général de la NASA à Houston, au Texas. La taille des différents éléments varie entre 8 mm et 76.2 cm pour la réserve d'eau. ILC Dover nous précise qu'une combinaison EMU requiert environ deux ans et demi de travail soit environ 5000 heures.

Ainsi que nous l'avons évoqué, de nombreuses matières entrent dans la composition de la combinaison spatiale. Beaucoup de matériaux font appel à des polymères synthétiques que l'on retrouve dans le commerce et que vous possédez peut-être.

Les différentes couches de protection

Le but de la combinaison spatiale (Space Suit Assembly ou SSA) est de protéger l'astronaute des conditions sévères qui règnent dans l'espace : de l'absence d'air, de la chaleur, du froid, des rayonnements et des impacts de météoroïdes et autres débris. Elle comprend concrètement deux vêtements : un sous-vêtement de corps pour le confort (LCVG) au-dessus duquel l'astronaute porte la fameuse combinaison pressurisée blanche comprenant une succession de couches isolantes et de couches protectrices (TMG).

Le tissu intérieur de la combinaison pressurisée est fabriqué en fil de Nylon car il est imputrescible, très résistant, souple, léger et isolant. La transpiration qui en résulterait est évacuée grâce au LCVG. La seconde couche est composée de Spandex ou Lycra (comme le LCVG).

Vient ensuite la couche pressurisée qui est en Nylon enduite de uréthane (une mousse synthétique à base d'éthane également appelée carbamate). Elle est recouverte par un tissu en Dacron qui un type de polyester (on l'utilise pour fabriquer notamment les pantalons en toile) qui assure le maintien structuel de la couche pressurisée.

Au-dessus vient une couche antidérapante en Nylon recouverte de Néoprène qui est une matière spongieuse isolante (elle constitue également la combinaison des plongeurs).

Les cinq couches suivantes mais qui peuvent être plus nombreuses assurent la protection dite TMG. Elle sont fabriquées en Mylar aluminisé (que l'on utilise également pour fabriquer des filtres solaires et des couvertures isolantes) qui assure le rôle d'isolant thermique et de protection contre les rayons cosmiques. Quand elle contient du Nylon elle protège également contre les micrométéoroïdes.

Enfin, les couches superficielles sont fabriquées en Ortho qui consiste en un mélange de Gortex (on l'utilise également pour fabriquer des bottines), de Kevlar (connu pour être à l'épreuve des balles) et de Nomex pour assurer une bonne protection mécanique (contre l'abrasion, l'usure, les impacts, les déchirure, etc).

Toutefois, cette combinaison n'offre aucune protection contre les particules de forte énergie (protons, électrons) libérés au cours des éruptions solaires (CME). Dans ce cas les astronautes doivent se réfugier dans un abri dans la navette spatiale et présenter le bouclier thermique de la navette face au Soleil.

Les matières utilisées pour fabriquer la combinaison sont choisies pour prévenir la formation de moisissures ou la croissance des bactéries, pour leur solidité et leur résistance. C'est la raison pour laquelle on retrouve des fibres synthétiques (des polymères) et des fibres métalliques. Toutefois après chaque vol, la combinaisons est nettoyée et séchée.

Le torse, les gants et les bottes

Sous la protection TMG, la partie supérieure de la combinaison cache une coque rigide appelée "Hard Upper Torso" (HUT) fabriqué en fibre de verre. Son principal but est de protéger les parties vitales du corps de l'astronaute. Il participe également au confort en soutenant le PLSS dorsal et divers outils qui se fixent sur le torse (station de travail, etc).

Comme on le voit ci-dessous, le HUT présente quatre ouvertures munies d'anneaux de fixation où s'attachent le casque, la partie inférieure du torse (LTA) et les deux bras (en fait les épaules jusqu'aux bras).

A gauche, la description générale de la combinaison ISS EMU sans le SAFER. Au centre, le torse supérieur rigide (HUT). Notez l'inclinaison du col pour facilité l'observation rapprochée à travers le casque. La base de la coque s'arrête à hauteur de l'abdomen. A droite le LTA. Documents NASA, NASA/ARC et Hamilton Sundstrand.

En complément, des adaptateurs ont été ajoutés pour fixer les connexions du PLSS et le module d'affichage et de commande DCM. Le torse HUT comprend plusieurs receptacles recevant la pochette d'eau, le système de communication ainsi que les tuyaux de ventilation et des trous nécessaires au passage des cables et autres tuyaux d'alimentation.

L'ensemble bien que rigide est beaucoup plus confortable que les anciens modèles car les ouvertures ont été élargies et placées plus près du corps, en dehors de l'angle d'ouverture des membres, ce qui a permis de supprimer les rebord évasés, laissant plus d'espace pour bouger les bras.

La partie inférieure de la combinaison est appelée "Lower Torso Assembly" (LTA). Elle comprend les pantalons (taille très haute, jusqu'au nombril !), les bottes et de petites pièces protégeant le bas de l'abdomen et la taille, les genoux et les chevilles. Elle est fabriquée en Nylon protégée par une couche de réthane et de TMG.

Dans les combinaisons à basse pression, les articulations sont généralement recouvertes par un soufflet qui assure toute liberté de mouvements à l'astronaute au point que sans le PLSS il pourrait faire un cumulet sans éprouver de gêne particulière.

Les gants contiennent de petites résistances chauffantes dans chaque doigt dont la température est contrôlée pae l'astronaute et sont rembourrés avec une matière isolante.

Les bottes disposent au niveau des orteils d'une protection isolante pour éviter les déperditions de chaleur. Des chaussettes équipées de résistances sont également prévues.

L'astronaute Barry Wilmore de l'expédition 42 sur ISS lors de l'EVA 29 le 21 février 2015 (gauche) et de l'EVA 31 le 1 mars 2015 (droite). Documents NASA.

Du fait que les EVA peuvent durer près de 9 heures, la combinaison est équipée d'un système de collecte d'urine, tant solide que liquide, le "Maximum Absorption Garment" (MAG). Les anciens modèles de combinaison pouvaient contenir jusqu'à 0.95 litre de liquide. La combinaison actuelle utilise une sorte de serviette hygiénique beaucoup plus pratique.

Enfin, des anneaux de connexion capables de supporter différents niveaux de pression sont fixés aux extrémités des différents segments (bras, cuisse et jambe) pour pouvoir les unir aux autres pièces de façon hermétique à l'image d'une baillonnette. Les fermetures sont  maintenues par les loquets verrouillés, des joints mécaniques et des bandes adhésives.

Le module d'affichage et de commande

Sur le torse rigide est fixé un module d'affichage et de commande, le "Display and Control Module" (DCM). Il permet à l'astronaute de contrôler à tout moment le statut de sa combinaison et les connexions aux sources externes de liquides et d'électricité. Il contient tous les boutons ou manettes nécessaires pour arrêter ou démarrer les systèmes mécaniques et électriques, adapter le niveau de pressurisation, la valve de la purge primaire d'oxygène ainsi qu'un écran d'affichage digital. Cet ensemble est alimenté par une batterie de 17 volts argent-zinc qui alimente également les autres éléments de la combinaison et du PLSS.

Ce module est intégré au système d'alerte qui se trouve dans la partie supérieure du torse dont le rôle est de s'assurer que l'astronaute connaît le statut de sa combinaison. Au besoin, la combinaison peut être connectée à la navette spatiale au moyen d'un cordon ombilical. Il est déconnecté avant que l'astronaute ne quitte le sas d'air (airlock).

Les parties interchangeables de la combinaison sont le casque, la partie supérieure rigide du torse, les bras et l'assemblage de la partie inférieure du torse.

Ainsi que nous l'avons dit, chaque paire de bras et de jambes est fabriquée dans différentes tailles qui peuvent être ajustées en jouant sur la largeur des anneaux de fixation métalliques qui unissent les différents segments. De cette manière les longueurs des bras et des jambes de la combinaison peuvent être raccourcies ou allongées en ajustant la largeur des anneaux au niveau des sections des bras et des cuisses. Cet ajustement peut atteindre environ 2.5 cm pour les bras et jusqu'à 7.5 cm pour les jambes.

Un astronaute met environ 15 minutes pour enfiler sa combinaison. Il doit d'abord enfiler le LCVG qui comprend le système de refroidissement et de ventilation. Il enfile ensuite la partie inférieure du torse (cuisses et jambes) puis attache ses bottes. Ensuite, l'astronaute se glisse à l'intérieur du torse rigide sur lequel est déjà fixé le système de survie qui, vu son poids, est suspendu à un crochet spécial dans le sas d'habillage. Tous les systèmes sont ensuite connectés et les joints sont solidarisés. L'astronaute peut ensuite mettre ses gants et son casque. Si en théorie l'astronaute peut s'équiper seul, en pratique et pour des raisons de sécurité, il se fait aidé.

Le casque

Le casque (et les moyens de survie qui l'accompagnent) que portent les astronautes les protège de la dépressurisation, du manque d'oxygène et des risques liés au vide de l'espace. Il existe globalement deux modèles, l'un porté à l'intérieur des cabines dépressurisées, que les astronautes portent lors des manoeuvres de la navette spatiale (dont l'ancien modèle LEH dit "clam shell), l'autre réservé aux EVA.

Ce que nous appellons le "casque" des astronautes qu'ils portent lors des EVA correspond en réalité à ce que la NASA appelle à propos le "Helmet Assembly", un ensemble constitué de deux principaux éléments : le casque a proprement dit, constitué d'une bulle de verre pressurisé, anti-choc, anti-buée qui était déjà utilisée par les équipages Apollo, et un couvre-casque (EVVA) servant de protection et de support à divers accessoires ainsi qu'on peut le voir sur les deux photos suivantes.

A gauche, gros-plan sur le casque de l'un des astronautes de la mission STS-103 en décembre 1999 destinée à la troisième maintenance du Télescope Spatial Hubble. Dans les reflets du casque, on reconnaît la baie cargo de la navette spatiale Discovery. A droite, l'astronaute Mark Vande Hei lors de l'EVA 47 sur ISS le 23 janvier 2018. Documents HNASA/ESA/HST et NASA.

Le casque est fabriqué par ILC Dover. Il est constitué de plusieurs éléments, l'essentiel étant composé d'une coque plus ou moins ovale en fibre de verre qui offre un champ de vision sans aucune obstruction. La transparence de la visière est garantie par l'utilisation de polycarbonate, un polymère plastique qui remplace avantageusement le verre car il est plus solide et très résistant sous toutes les déclinaisons de ce terme, y compris à l'impact. La visière est très peu épaisse, de l'ordre de 3 mm.

Le polycarbonate (PC) est commercialisé sous le nom de Lexan. Cette matière est utilisée pour confectionner les casques de moto, les hublots des scaphandriers "pieds lourds" ainsi que les coques des casques de vélo.

La face arrière du casque des astronautes est recouverte d'une couche isolante en Néoprène qui est également une matière anti-choc et absorbante relativement légère.

Le casque est équipé d'un couvre-casque appelé "Extravehicular Visor Assembly" (EVVA) dont la fonction est de réduire l'intensité du rayonnement solaire qui frappe le visage de l'astronaute exposé en plein Soleil. Elle coulisse manuellement et couvre toute la surface de la visière. L'EVVA fournit également une protection supplémentaire contre les micrométéoroïdes et tout impact accidentel et protège l'astronaute contre les rayonnements UV. Un revêtement spécial doré constitué d'un multicouche est apposé sur cette visière. Il a pour but de réfléchir la chaleur (IR) et la lumière, tout en permettant à l'astronaute de voir au travers. Des protections oculaires ajustables peuvent également être abaissées par-dessus la visière pour fournir une protection supplémentaire contre les reflets du Soleil et l'éblouissement.

Les différents types de casques utilisés par les astronautes. A gauche, le casque muni de sa visière EVVA dorée équipant la combinaison A7L utilisée par l'astronaute Alan Bean au cours de la mission Skylab 3 en 1973. Au centre, le casque portée par l'astronaute Roberta Bondar au cours de la mission STS-42 en 1992. Il n'est pas conçu pour les EVA mais uniquement pour des environnements à faible atmosphère ou dépressurisés. A droite, l'astronaute Jeffrey Williams équipé d'une combinaison ISS EMU au cours de la mission STS-101 en 2000. Documents NIX.

Le système de communication ou "Communications Carrier Assembly" (CCA) est constitué de plusieurs éléments. Comme cela se fait pour les pilotes, le communicateur consiste en un bonnet tissé en fibres de Teflon (un polmère plastique offrant très peu de friction) et de Nylon/Lycra (élastique et résistant) porté sous le casque. Surnommé "Snoopy Cap" (la casquette de Snoopy), il est équipé de deux écouteurs, d'un microphone duplex et d'un harnais contenant le système électrique. Il s'attache avec une sangle de menton. Ce système de communication s'attache à la radio placée dans la partie supérieure du PLSS.

Ces moyens radios permettent les communications entre tous les membres d'équipage. Des informations médicales (EEG) passent également avec la télémétrie (données techniques de vol) dans le CCA et sont transmises en temps-réel au sol, au Mission Control Center de Houston.

Les émetteurs-récepteurs utilisés lors des EVA disposent de deux canaux UHF pour la transmission, de trois canaux de réception et d'un simple switch. Ces radios disposent d'une antenne discète dite "à faible profil" placée dans un boîtier de 30x11x9 cm au-dessus du PLSS. L'ensemble telecom pèse 3.94 kg ce qui est comparable aux radios portatives V/UHF du commerce (en tenant compte du micro-casque).

Démonstration de la visière EVVA. A gauche, Carlos Noriega au cours de la mission STS-97 en 2000. Notez son "Snoppy Cap" (capuchon N/B). Au centre, Scott Parazynski au cours de la mission STS-100 en 2001. A droite, selfie de l'astronaute Alexander Gerst de l'Expédition 41 sur ISS lors d'une EVA le 7 octobre 2014. Documents NIX et A.Gerst/NASA.

Une caméra est également fixée sur le couvre-casque pour enregistrer les EVA. Deux paires de lampes frontales sont disposées de part et d'autre de l'EVVA pour éclairer l'objet que manipule l'astronaute si par exemple il est obligé de travailler dans l'ombre.

Durant des années, avant les sorties dans l'espace, les astronautes devaient badigoner la surface intérieure de leur visière avec un aérosol anti-buée. Ce temps est révolu. Aujourd'hui, pour éviter la formation de buée ou de glace, un treillis de fils électriques est enfoui dans le polycarbonate pour le réchauffer. En complément, ainsi que nous l'avons expliqué, un petit ventilateur est fixé à l'arrière et à l'intérieur du casque pour diffuser l'oxygène par dessus la tête de l'astronaute.

Dans le casque se trouve également une pièce buccale (une paille) reliée à un sac d'eau (IDB) que l'astronaute peut utiliser s'il a soif. Ce sac est proposé en deux tailles et est placé dans la partie supérieure du HUT. Il peut contenir 21 ou 32 oz. soit 0.6 ou 0.9 litre d'eau. Ce sac est sécurisé avec du velcro.

Le casque interne transparent est posé sur un anneau métallique de fixation contenant 80 loquets qui permet de le solidariser à la partie supérieure du torse rigide de la combinaison. Contrairement au casque des combinaisons Mercury et Gemini qui tournait en même temps que la tête de l'astronaute, à partir des missions Apollo le casque qui, en théorie, pouvait tourner sur 360 degrés, était fixe une fois verrouillé sur le HUT, ce qui ne doit pas améliorer le sentiment d'être comme un poisson dans un bocal.

Démonstration de l'éclairage d'appoint. A gauche, Douglas H. Wheelock lors d'une EVA au cours de l'expédition 25 sur ISS le 14 août 2010. Photographie corrigée par l'auteur. Au centre, Daniel Barry au cours de la mission STS-105, en 2001. Il se tient à une main-courante fixée sur le laboratoire Destiny d'ISS. A droite, Mike Hopkins de l'expédition 37 sur ISS lors d'une EVA le 24 décembre 2013 avec l'image de l'astronaute Rick Mastracchio de l'Expédition 38 se reflétant dans la visière EVVA de son casque. Documents NIX et Spaceflight.

Le casque et la visière sont généralement fabriqués en utilisant la technique classique du moulage préformé. Des billes de polycarbonate sont injectées dans un moule où elles sont fondues et mises sous forme à la dimension approximative du casque. Lorsque le moule est ouvert, la pièce principale du casque est confectionnée. Il reste à lui attacher l'anneau métallique de fixation, le système de ventilation, les valves de purge que l'astronaute utilise avec la réserve d'oxygène, le système de communication, l'EVVA, les lampes frontales, la caméra extérieure et la protection TMG.

Contrôle qualité

Le processus de fabrication d'une combinaison spatiale EMU est complexe. On peut le diviser en deux phases de production. Tout d'abord les usines confectionnent les éléments individuels. Ensuite, ils sont envoyés à la NASA où ils sont assemblés dans des usines classiques. A ce stade de la production, la combinaison EMU n'est plus testée dans le vide et peut directement être portée par l'astronaute pour ses entraînements ou ses missions.

A gauche, Carlos I. Noriega au cours de la mission STS-97 le 5 décembre 2000. A droite, Aki Hoshide lors de l'expédition 32 sur ISS en septembre 2012. Son Nikon D2X se reflète dans sa visière EVVA. Documents NASA et NIX.

Le contrôle qualité est réalisé à chaque étape du processus de production. Il garantit que chaque pièce est fabriquée en respectant strictement les standards définis dans le cahier des charges et fonctionnera dans l'environnement hostile de l'espace.

La NASA conduit également des batteries d'essais sur la combinaison achevée en condition ambiante et dans le vide. On vérifie notamment s'il n'y a pas de fuite d'air, de dépressurisation ou un dysfonctionnement du système de survie. Ce contrôle qualité est primordial car la panne la plus anodine peut avoir des conséquences dramatiques pour l'astronaute exposé au vide et sous les feux du Soleil.

La durée de vie d'une combinaison ISS EMU de dernière génération est d'environ 15 ans et certifiée pour 25 EVA avec des maintenances de routine entre les vols. Comme les anciennes combinaisons Apollo, elle a tendance à se détériorer et les premiers modèles se sont désagrégés au bout d'environ 30 ans, vers 2010. Aujourd'hui nous n'avons pas de solution pour résoudre ce problème et les ingénieurs étudient de nouveaux matériaux plus stables. D'un autre côté ce délai est suffisamment long car la combinaison sera de toute façon démodée sur le plan technologique et avantageusement remplacée par des modèles plus adaptés, généralement plus légers, plus souples, plus résistants et moins encombrants.

Prochain chapitre

Les modules de propulsion