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Les combinaisons spatiales

Prototype de combinaison martienne. Malgré les apparences, elle pèse moins de 20 kg. Document NASA/JSC.

L'avenir (VII)

La conception actuelle de l'EMU est le résultat de près d'un demi-siècle de recherche et de développement. Bien qu'elle soit très sophistiquée et adaptée aux missions actuelles, les ingénieurs de la NASA reconnaissent qu'on peut encore y apporter beaucoup d'améliorations et notamment réduire l'encombrement du système de survie. Il faut aussi envisager de nouvelles combinaisons pour l'exploration des corps célestes et leur colonisation éventuelle, des vêtements partiellement ou totalement pressurisés plus confortables et plus légers mais tout aussi résistants et offrant une protection peut-être équivalente à celle de l'EMU si l'astre ne bénéficie pas d'atmosphère.

Si on jette un regard indiscret sur les projets avantgardistes des différents constructeurs, on constate que les changements apportés à la combinaison spatiale du future seront spectaculaires. 

Les contraintes biotechniques

Une voie de recherche concerne l'amélioration de la combinaison afin qu'elle puisse opérer à des pressions plus élevées que l'actuelle EMU. Cela offre l'avantage de réduire le temps nécessaire à l'oxygénation requise avant toute sortie dans l'espace. Mais une pressurisation plus élevée impose des améliorations dans la qualité des joints reliant les différents segments de la combinaison et une révision totale de la conception des articulations.

En effet, si la combinaison est pressurisée à haute pression comme ce sera peut-être le cas pour les missions vers Mars, l'astronaute ne pourra plus plier ou tourner ses membres par sa seule force. Dans ces conditions, la NASA envisage de remplacer les soufflets souples actuellement utilisés pour les articulations par des systèmes de coques rigides, les mouvements de l'astronaute étant facilités par des articulations sur roulement à billes. On retrouve en somme le concept du scaphandre de plongée semi-rigide mais assoupli aux articulations. Evidemment cette solution est plus contraignante et on retrouve quelque part notre Bidendom comme le montrent les étonnant prototypes présentés ci-joints

Une autre amélioration concerne l'habillage lui-même. Actuellement, un astronaute passe beaucoup de temps pour enfiler (45 minutes) et retirer (15 minutes) sa combinaison, LCVG compris, ou ajuster les segments d'extension dans les bras ou les jambes. Dans une situation d'urgence ou pour un travail quotidien cela devient vite agaçant et ingérable.

Il y a ensuite la question des commandes électroniques fixées sur la combinaison spatiale. Aujourd'hui, il n'existe pas un seul système électromécanique qui ne soit piloté par un processeur voire un ordinateur complet. Dans le domaine de l'électronique, la loi de Moore nous dit que le nombre de transistors inclus dans les microprocesseurs double tous les 2 ans et la technologie s'avère plus fiable et plus simple à utiliser qu'auparavant.

Aidés par une miniaturisation toujours plus poussée et de nouveaux matériaux plus légers et plus résitants, les actions qui se réalisent aujourd'hui avec des commandes codées complexes associées à de gros boutons seront à l'avenir rassemblées sur un seul bouton ou exécutées sur un écran tactile.

Le prototype de combinaison martienne conçu par une équipe de l'Université North Dakota en 2006.

Il y a également la question toujours en suspens de la combinaison de vol pressurisée et celle d'exploration des surfaces lunaire et martienne. Puisque sur un corps céleste il y a une force de gravité, un haut et un bas, la NASA (où plutôt les astronautes) souhaite que les futures combinaisons pèsent moins de 20 kg, qu'elles soient souples et sécurisantes tout en étant faciles à enfiler et à retirer.

A terme, elles doivent également être faciles à fabriquer et pas trop cher si on envisage une colonisation avec des vols réguliers et des EVA quotidiennes.

Sachant que les combinaisons actuelles sont quatre fois plus lourdes, ne tiendraient pas plus de 25 EVA et se détériorent à terme, il devient urgent de penser à l'avenir.

Chaque année l'agence des innovations et des transferts technologiques de la NASA (SBIR & STTR) offre un budget de 100000 $ aux universités ou aux industriels qui sont prêts à investir dans des projets innovants ou de transferts technologiques, notamment dans la fabrication d'une nouvelle combinaison lunaire ou martienne, dans des technologies cryogéniques, l'avionique, etc.

S'ajoute à cette offre, le fait que tous les jours les ingénieurs travaillent sur de nouvelles fibres naturelles et de nouveaux polymères pour satisfaire les besoins des industriels qui recherchent sans cesse des produits plus compétitifs et plus performants.

Les idées ne manquent donc pas pour aider la NASA à conquérir le ciel et les compétitions attirent toujours de nombreux ingénieurs qui peuvent ainsi attirer l'attention des constructeurs sur leurs travaux.

Les projets

La NASA étudie depuis 2004 des prototypes de combinaisons martiennes élaborés par des universités canadiennes. Elles sont réduites à trois vêtements dont un LCVG, une combinaison pressurisée et une couche protectrice TMG. L'ensemble a une épaisseur d'environ 4.8 mm seulement et pèse environ 21 kg (sans les bottes, les gants, le casque et le système de survie). Si ce prototype reprend la structure de la SSA actuelle, son avantage est d'être deux fois plus léger que les combinaisons classiques.

Depuis 2005, des ingénieurs du MIT étudient également une combinaison collante MCP à base de polymères à mémoire de forme. La société Midé qui travaille actuellement sur ce projet qualifie cette combinaison de "deuxième peau augmentant biomécaniquement et cybernétiquement les performances des astronautes durant les explorations planétaires".

Rappelons que les ingénieurs nous ont déjà démontré qu'il était possible d'améliorer cybernétiquement les capacités motrices du corps humain en portant une combinaison équipée de mécanismes amplifiant la puissance de travail ou en concevant des robots afin d'améliorer la dextérité des chirurgiens. Les fabriquants de textile explorent également la manière d'unir l'informatique ou la cybernétique à leurs créations. Tout ceci semble être de la science-fiction, or il s'agit de science, et des plus appliquées !

Plus concrètement, les deux principaux constructeurs de combinaisons spatiales, David Clark Company et ILC Dover (Hamilton Sundstrand n'a pas encore fait connaître ses projets) travaillent actuellement sur des combinaisons destinées à l'exploration de Mars dérivées des modèles A7L et S1035 qui ont eu le succès que l'on sait.

Leurs premiers prototypes sont baptisés "D-1 Suit" chez Dave Clark et "I-1 Suit" chez ILC Dover et sont présentés à droite. Il s'agit de combinaisons ultralégères, l'I-1 Suit pesant à peine 13 kg. Toutes deux disposent d'anneaux sur roulement à billes au milieu du torse et des articulations supérieures des membres qui facilitent leur rotation lorsque la pressurisation est élevée. Bien que leur apparence rappelle les modèles semi-rigides du passé, pour venter leur souplesse les deux fabriquants ont demandé à un modèle de marcher à quatre pattes, démonstration réussie !

De son côté, en janvier 2017 BOEING en collaboration avec David Clark annonça la mise au point d'une combinaison pressurisée pouvant à terme remplacer la fameuse combinaison orange ACES utilisée depuis 1994. Elle pourrait être utilisée dès les premiers tests opérationnels du module de commande Starliner CST-100. Comme on le voit ci-dessous à droite, cete combinaison bleue est juste au corps et pèse 20 kg (contre 41.7 kg pour l'ACES). Elle est équipée de fermures-éclairs, le casque est plus résistant et muni d'un système de communication intégré et des capteurs conducteurs sont intégrés aux gants pour manipuler les écrans tactiles.

A voir : Boeing Suits Up, BOEING (2017)

La nouvelle combinaison développée par BOEING et David Clark

A gauche, la combinaison semi-rigide AX-5 fabriquée en 1988. Bibendom est de retour... A réserver aux environnements extrêmes car elle est vraiment peu pratique à utiliser. Document NASA/ARC. A sa droite, l'une des rares photographies des prototypes très jalousés de combinaisons pressurisées destinées à l'exploration de Mars, la D-1 Suit de Dave Clark et la I-1 Suit de ILC Dover. A droite du centre, la BioSuit de Dava Newman du MIT présentée en 2007. A sa droite, la science-fiction nous donne un aperçu de la future combinaison martienne : bras et jambes en tissu sleek, tête et torse rigides (extrait du film "Planète Rouge" avec Val Kilmer). A l'extrême droite, la nouvelle combinaison spatiale fabriquée par BOEING et David Clark présentée en 2017 pour les passagers du module CST-100. Ne pesant que 20 kg, elle pourrait remplacer la combinaison orange ACES.

La BioSuit sleek du MIT

Une équipe de chercheurs dirigée par Dava Newman, professeur d'ingénierie des systèmes aéronautique et astronautique au MIT annonça le 16 juillet 2007 qu'ils avaient élaboré une combinaison spatiale baptisée "BioSuit", qui n'utilise pas d'air comprimé pour simuler la pression de l'atmosphère terrestre. A la place, la combinaison est équipée d'un système de pression mécanique constitué de tissus élastiques et d'un gilet interne maillé fabriqué dans un matériau rigide qui protège l'astronaute en absence de pression.

Ainsi qu'on le voit sur la photographie présentée à gauche, prise sur le campus du MIT, le "look" de la BioSuit est du plus bel effet, tant est qu'une combinaison spatiale doit être jolie, ce qui serait une première !

Dava Newman et son collègue Jeff Hoffman ainsi que plusieurs étudiants travaillent sur ce projet pratiquement depuis 2000. Leur prototype n'est toutefois pas encore prêt pour le vol spatial, mais démontre qu'il est possible de fabriquer une combinaison légère tout en étant solide pour les futurs explorateurs de la Lune et de Mars.

Les astronautes ont besoin d'environ 30% de la pression atmosphérique pour survivre, soit environ 30 kPa. De toute façon, au-delà de cette valeur, l'astronaute ne peut presque plus faire de mouvements dans sa combinaison sans l'assistance de systèmes mécaniques. La BioSuit leur fournit une pression d'environ 20 kPa.

Newman et ses collègues pensent qu'une combinaison hybride pourrait suffire, utilisant les nouvelles matières pour protéger les bras et les jambes tandis qu'ils utiliseraient toujours les matières traditionnelles rigides pour protéger la tête et le torse, comme on le voit dans l'image extraite d'un film de science-fiction présentée à droite. Bientôt, ce genre de scène sera de la science, tout simplement.

Newman prévoit que la BioSuit pourrait être prête pour un voyage vers Mars en 2017, "la combinaison sleek actuelle ne pouvant pas résister au défi d'une mission d'exploration dans un environnement aussi hostile", a-t-il déclaré.

Ainsi qu'on le constate, à terme les industriels semblent s'orienter vers des combinaisons souples collantes fabriquées dans des matières synthétiques voire biomécaniques ultralégères, isolantes et très résistantes dans lesquelles seront intégrées des interfaces informatiques souples sur les bras et la projection d'une image digitale à l'infini sur la visière de l'astronaute.

Ce n'est pas une utopie. Nous venons de voir que des universités et des industriels travaillent sur des combinaisons collantes en polymères. Du côté des accessoires, la société italienne Eurotech par exemple a déjà conçu un ordinateur-bracelet Zypad WL1000 cadencé à 400 MHz. Nous savons également que les ordinateurs de poche (Pocket PC et autres subnotes) ainsi que les GSM de dernière génération sont équipés de moyens informatiques (logiciels et liaisons WAN) et que les appareils photos disposent depuis des années de circuits imprimés souples (sur support plastifié).

A gauche, l'ordinateur-bracelet Zypad WL1000 cadencé à 400 MHz d'Eurotech. Depuis cette société a sorti d'autres modèles. Au centre, le casque d'un pilote de F-35 équipé d'un système d'affichage digital, ce qu'on appelle un "Helmet Mounted Display System" (HMDS) ou plus communément un "dashboard" (tableau de bord) dont voici une autre version. D'autres images sont disponibles sur le site du constructeur. A droite, le professeur Jeffrey A. Hoffman, spécialiste en astronautique du MIT et ancien astronaute, testant un prototype de combinaison spatiale fabriqué par Hamilton Sundstrand, équipé d'un dispositif oculaire. Les tests sont réalisés sur la base "martienne" d'Haughton, située sur l'île Devon, dans le nord du Canada. Documents Eurotech, VSI et LM/Rockwell Collins.

Quant à la visière du casque, il suffit de jeter un oeil sur les casques et les accessoires proposés aux pilotes de l'US Navy (F-35, etc) par la société Vision Systems International, LLC (VSI) pour se rendre compte des progrès réalisés en ce domaine : toutes les informations opérationnelles qui habituellement s'affichent sur l'ordinateur de bord ou sur la visière haute (HUD) du cockpit sont directement affichées sur la visière comme on le voit ci-dessus.

A l'avenir, ces systèmes combineront réalité augmentée et réalitée virtuelle pour seconder les astronautes sans qu'ils n'aient à transporter d'accessoires lourds et encombrants.

Etant donné que la NASA trouve souvent son matériel sur les étagères du DARPA ou dans les bureaux d'études des industriels novateurs, il n'est pas impossible que ces produits fassent un jour partie de la panoplie de la combinaison des astronautes. Hamilton Sundstrand propose déjà un concept de combinaison spatiale équipé d'un dispositif oculaire (voir ci-dessus).

Dans un futur plus lointain, on pourra envisager des appareils (analyseurs, détecteurs, etc) aussi puissants que des ordinateurs tirant profit de la nanotechnologie et de nouvelles applications exploitants des propriétés quantiques et des interface biomécaniques exploitant des support hybrides carbone/silicium (mêlant CPU et neurones, etc). Mais ceci est encore de la fiction contrairement aux accessoires décrits ci-dessus qui sont déjà utilisés sur le terrain.

La Lune ainsi que Mars seront les destinations du XXIeme siècle. Il faudra aux astronautes des combinaisons légères pour supporter la gravité, une contrainte dont ont déjà tenu compte les illustrateurs travaillant avec la NASA, dans ce cas-ci Pat Rawlings. Le dessin de gauche remonte à 1997, celui de droite à 1993.

De la science à la fiction

A l'image du film "2001: l'odyssée de l'espace" de Stanley Kubrik qui préfigurait de manière très réaliste le monde tel qu'il serait une génération plus tard, certains films de science-fiction (Stargate SG-1, Star Trek ou ceux développant le thème de la colonisation de Mars notamment) s'inspirent de données scientifiques, leurs conseillers techniques étant des physiciens théoriciens ou des astrophysiciens. Ces films nous donnent une idée de ce à quoi pourrait ressembler la technologie spatiale de demain et des éventuelles applications des découvertes d'aujourd'hui.

Ces mêmes films exploitent parfois les technologies les plus modernes pour renforcer la crédibilité de leur scénario. C'est ainsi que dans l'une des dernières séries de Stargate SG-1 (2006) où l'équipage recherche le bâton de Merlin pour combattre les Ori, le LtCol Samantha Carter (Amanda Tapping) porte une réplique de la combinaison ISS EMU équipée d'un ordinateur-bracelet qui ressemble fort au modèle d'Eurotech. Ailleurs, l'équipage de Space Cowboy (2000) ou d'Armageddon (1998) présenté ci-dessous utilise une réplique de la combinaison pressurisée orange calquée sur celle des astronautes de la navette spatiale, mais pour les EVA l'équipe de Bruce Willis a troqué l'EMU pour un modèle souple et le casque standard pour un modèle Ketzer en fibre de verre, ce qui n'est peut-être pas la meilleure idée du point de vue de la sécurité, mais c'est plus photogénique pour... les caméras !

Précisons qu'en aucun cas la NASA ne prête ses combinaisons spatiales. Tous les vêtements utilisés dans les films de fiction et fantastiques sont des répliques fabriquées par des sociétés de confection spécialisées, notamment par Global Effects, Inc.

L'équipage d'Armageddon (Michael Bay, 1998) en combinaison pressurisée et en tenue d'EVA. Un air de déjà vu qui renforce le réalisme du scénario, même s'il reste une amusante oeuvre de fiction.

Ainsi, la conquête spatiale ne représente pas seulement une vitrine des capacités de l'homme à se surpasser mais elle nous offre également un regard sur les retombées civiles et même ludiques de cette technologie. On ne peut que supporter l'inventivité de ces hommes et partager l'enthousiasme de ces inventeurs qui reculent tous les jours les limites de l'impossible.

Les acronymes

La NASA use et abuse des acronymes. C'est tout à fait normal quand on parle technique au risque d'éterniser les discussions. Voici un rappel des principaux termes utilisés dans cet article.

ACES : Shuttle Advanced Crew Escape Suit - combinaison de vol pressurisée (orange) portée depuis 1994 par l'équipage de la navette spatiale et les pilotes de l'US Navy. Elle est prévue pour les évacuations d'urgence (bailout). Modèle Dave Clark S1035.

CCA : Communications Carrier Assembly - système de communication individuel (capuchon muni d'écouteurs plus micro, système électrique et radio associés)

CMP : Command Module Pilot - pilote du module de commande (du temps d'Apollo)

DCM : Display and Control Module - écran d'affichage et de contrôle du PLSS

EMU : Extravehicular Mobility Unit - combinaison spatiale autonome utilisée par les équipages de la navette spatiale lors des EVA

EEH : Electrical Harness - sous-vêtement contenant les moyens telecom et les instruments biomédicaux

EPGA : Extravehicular Pressure Garment Assembly - combinaison pressurisée portée à l'extérieur du vaisseau spatial, lors des EVA. Complète l'IPGA

EVA : Extravehicular Activity - activité extravéhiculaire, c'est-à-dire en dehors du vaisseau spatial. Par extension l'exploration à pied (ou en jeep) des corps célestes

EVVA : Extravehicular Visor Assembly - visière extérieure dorée protégeant le visage de l'astronaute du rayonnement solaire (lumière, chaleur, UV), des reflets et des micrométéoroïdes

HHSMU : Hand-Held Self-Maneuvering Unit - unité mobile portative individuelle utilisée en 1965 par Edward White lors de son EVA

HUT : Hard Upper Torso - coque en fibre de verre que l'astronaute porte sur le haut du torse et sur laquelle se fixe le PLSS, les bras, les jambes, le torse inférieur, le module de commande et le casque

IDB : In-suit Drink Bag - pochette alimentant l'astronaute en eau potable durant les EVA

ITMG :Integrated Thermal and Meteoroid Garment - combinaison spatiale utilisée lors des EVA. On l'appelle également PGA

IPGA : Intravehicular Pressure Garment Assembly - combinaison pressurisée portée à l'intérieur du vaisseau spatial. On l'appelle également CMP PGA ou IV PGA. Complète l'EPGA

LCG : Liquid Cooling Garment - sous-vêtement de refroidissement par liquide. Il s'agit d'un système de confort constitué de tuyaux remplis d'eau froide permettant d'éliminer l'excès de chaleur corporelle de l'astronaute durant les EVA. Il fut utilisé au cours des programmes Apollo et Skylab avant d'être remplacé par le LCVG.

LCVG : Liquid Cooling and Ventilation Garment - sous-vêtement de refroidissement et de ventilation. Système de confort constitué de tuyaux remplis d'eau froide et d'un système de ventilation permettant d'éliminer l'excès de chaleur corporelle de l'astronaute durant les EVA

LES : Shuttle Launch/Entry Suit - combinaison de vol pressurisée (orange) portée entre 1986 et 1993 par l'équipage de la navette spatiale (et les pilotes de l'US Navy). Modèle Dave Clark S1032.

LSS : Life Support System - système de respiration et de survie que les astronautes portent sur le dos lors des EVA. Ce terme était utilisé avant la fabrication du PLSS

LTA : Lower Torso Assembly - partie inférieure du torse de la combinaison spatiale comprenant le bas de la ceinture, les pantalons, les genoux, les bottes et les joints des chevilles

MAG : Maximum Absorption Garment - collecteur d'urine produite par l'astronaute

MMU : Manned Maneuvering Unit - unité de manoeuvre manuelle. C'est le fameux siège autopropulsé utilisée en 1984 par Bruce McCandless au cours de son EVA

OPS : Oxygen Purge System - système de purge de l'oxygène. Il permet d'évacuer le surplus d'oxygène contenu dans la combinasion pressurisée lors des EVA

PGA : Pressure Garment Assembly - combinaison pressurisée (c'est en fait la combinaison spatiale ITMG)

PLSS : Portable Life Support System - système de survie autonome que l'astronaute porte sur le dos durant les EVA et fournissant l'oxygène, l'électricité, l'eau froide, les moyens télécom, les signaux d'alertes et éliminant le gaz carbonique ainsi que les contaminants de sa combinaison

SAFER : Simplified Aid for EVA Rescue - Aide simplifiée pour le sauvetage lors des EVA. Il s'agit d'un système autopropulsé simplifié qui se fixe sous le PLSS et qui est utilisé depuis 1994 en remplacement du MMU.

SOP : Secondary Oxygen Pack  - réserve d'oxygène de 45 minutes en cas d'urgence

SSA : Space Suit Assembly - combinaison spatiale pressurisée (sans le LSS ou PLSS).

TMG : Thermal and Meteoroid Garment - couche de protection contre la chaleur et les impacts de météoroïdes. C'est un "tissu" protecteur constitué en alternance de plusieurs couches de matière isolante (Nylon, etc) et d'un film Mylar contre le rayonnement thermique. Il protège tous les équipements fixés sur la combinaison spatiale et exposés aux rigueurs de l'espace.

Pour plus d'informations

Livres

U.S. Space Suits, K.Thomas/H. McMan, Springer Verlag, 2006/2011

Spacesuits: The Smithsonian National Air and Space Museum Collection, A.Young, PowerHouse Books, 2009

Guide des combinaisons spatiales et du vol habité, J.-F. Pellerin, Tessier & Ashpool, 2006

Généralités

Space Suit Evolution (NASA, PDF de 1.2 MB)

PLSS Technical information, NASA

Biomedical Results of Apollo (dont les EVA), NASA/JSC

Astronaut biographies, NASA/JSC

Spacefacts

NIX (NASA Technical reports)

The National Air and Space Museum - Apollo 11 

Blogs et forums

Dreams of Space, blog de John Sisson

Forum de la Conquête Spatiale

Livres d'Astronautique (blog)

Répliques

AIT-Planetlar

Countdown Creations

Global Effects, Inc.

Moon Space Suits

RedOrbit

SpaceSuit

Spacetoys

The Space Shop

WonderWorks

Constructeurs

NASA

NASA (Dryden)

David Clark Company

DuPont

Garrett AiResearch (Honeywell Corp.)

Hamilton Standard (United Technologies Corp.)

ILC Dover

Northrop Grumman (Litton Industries)

ESA

Eurotech (Zypad WL1000)

Midé (MPC)

Vision Systems International, LLC (casque HMDS)

Lockeed Martin/Rockwell Collins (avioneur)

Images

NASA Image Galleries

GRIN

NASA HQ Photo sur Flickr

Pinterest

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Illustrations de Fred Freeman

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