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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)

Repenser les combinaisons spatiales

La conception actuelle de l'EMU que portent les astronautes lors des activités extravéhiculaires (EVA) 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, cette combinaison spatiale n'a pas été améliorée depuis les années 1970 et n'est pas conçue pour de longues explorations sur la Lune ou ailleurs.

Les astronautes et les ingénieurs de la NASA reconnaissent que l'EMU actuelle est restrictive. Elle est adaptée aux hommes, lourdes (120 kg sur la terre), encombrante, peu flexible et pressurisée (à 4.3 psi soit 27.6 kPa) qui exige un peu de force et beaucoup de souplesses pour effectuer des mouvements.

Dans le vide de l'espace, les humains ne peuvent pas utiliser une combinaison ayant une pression inférieure à 27.6 kPa. Les astronautes doivent donc s'entraîner à exercer une force pour se déplacer en EMU et cet entraînement fait partie de la formation très rigoureuse de tout candidat sélectionné dans le corps des astronautes car les EVA dont partie de ses missions.

Justement, à ce sujet le 18 octobre 2019, au cours de l'Expédition 61 les astronautes Christina Koch et Jessica Meir réalisèrent une EVA de 6.5 heures en dehors de la station ISS. C'était la première fois en 61 ans d'activités que la NASA confia une EVA à des femmes, sans aucun homme auprès d'elles. A cette occasion beaucoup de personnes se sont demandées pourquoi il fallut autant de temps pour que la NASA confie des EVA à des femmes. Des astronautes et des ingénieurs spécialisés dans les combinaisons spatiales ont répondu aux journalistes dont voici les explications.

Lors des EVA il faut que l'astronaute puisse facilement accéder à de petits endroits à l'extérieur de la station ou sur un satellite sans être gêné par sa combinaison. Si l'astronaute Kenneth D. Bowersox, aujourd'hui administrateur associé par intérim pour l'exploration humaine à la NASA, estime qu'en raison de leur taille et de leur musculature, les hommes sont avantagés et travaillent en général plus facilement et plus longtemps dans l'espace que les femmes, Dava Newman qui travaille au MIT sur la BioSuit (voir plus bas) n'est pas de son avis.

Newman rappelle qu'il y a une grande variété de tâches qui doivent être accomplies lors des EVA, certaines étant plus faciles pour les personnes plus petites et d'autres pour les plus grandes. Newman prend l'exemple de Kathryn Thornton qui était la plus petite astronaute et qui effectua 21 EVA dont une réparation du télescope spatial Hubble lors de la mission STS-61 en décembre 1993. Selon Newman, "Il y a beaucoup d'endroits étroits dans une réparation de Hubble, donc en fait, une personne plus petite a certains avantages en termes d'accès à des espaces restreints et à des réparations précises. Bien sûr, si vous avez besoin d'une grande longueur de bras, vous voudrez peut-être le membre d'équipage qui a la plus grande envergure. Il y a donc beaucoup de tâches à accomplir, mais définitivement, personne n'est désavantagé."

Le défaut fondamental qui jusqu'à présent a entravé les capacités des femmes astronautes à effectuer des EVA est peut-être le manque de combinaisons adaptées à leur morphologie. La combinaison spatiale actuelle que portent les astronautes de la station ISS comprend une coque extérieure qui s'adapte autour du torse de la personne et contient un boîtier électronique qui contrôle tous les systèmes de la combinaison. Toutes les autres parties, comme les bras, les jambes et les sacs à dos, s'attachent à cette coque. C'est la taille de la coque qui dicte qui peut la porter.

A gauche, l'astronaute Kathryn Thornton lors d'une sortie dans l'espace pour la première maintenance du téléscope spatial Hubble le 6 décembre 1993. A droite, l'astronaute Christina Koch lors d'une EVA sur ISS avec sa collègue Jessica Meir en octobre 2019, au cours de l'Expédition 61. Documents NASA.

Lorsque la NASA choisit la taille des torses à fabriquer, l'agence spatiale ne pas souhaité fabriquer de petits et même de très petits modèles car une combinaison plus grande facilite les manœuvres. Selon Bowersox, c'était en fait lié aux limitations technologiques des années 1970. En effet, la conception originale des systèmes de contrôle des combinaisons était encombrante et n'était pas immédiatement compatible avec un torse plus petit.

Selon l'ancien astronaute Daniel C. Burbank, chercheur chez Collins Aerospace, "Si vous rendez la combinaison de plus en plus petite, vous finissez par arriver au point où le module d'affichage et de contrôle, qui ne peut pas être modifié en taille, s'étend finalement sur la largeur des épaules pour le membre d'équipage. Il aurait donc fallu une refonte assez importante pour accueillir le plus petit des membres d'équipage."

Plutôt que de dépenser de l'argent pour concevoir un nouveau module de contrôle et des combinaisons, la NASA a donc décidé de concevoir des combinaisons plus grandes, une décision rendue plus facile par le fait que la plupart des astronautes de l'époque étaient des hommes et probablement plus grands qu'une personne moyenne. Depuis, le manque de combinaisons de petite taille a eu des répercussions, empêchant certaines femmes de participer à des EVA. En 2021, seules 15 femmes ont effectué des sorties dans l'espace, contre plus de 200 hommes.

Selon Jessica Meir, "La population d'astronautes était un peu différente à l'époque. Je pense que lorsque les gens essaient de comprendre pourquoi nous avons le système que nous avons – lorsque vous avez une technologie qui a été développée et du matériel qui prend beaucoup de temps à être prouvé et testé et à se rendre dans les vols spatiaux – parfois les effets de ces décisions prises dans les années 70 se perpétuent pour les décennies à venir."

Mais l'EMU présente d'autres défauts. Outre le concept qui peut être amélioré, on peut aussi améliorer le recyclage du gaz carbonique et réduire l'encombrement du système de survie.

Si sur la Lune une EMU pèse 21 kg et permet de faire des bonds plutôt que de marcher, il faut aussi envisager de nouvelles combinaisons pour l'exploration et la colonisation éventuelle de Mars où la gravité au sol atteint le tiers de celle sur Terre. Si les futurs astronautes martiens veulent grimper sur les collines ou plier les genoux pour prendre un échantillon du sol, il faut que la combinaison partiellement ou totalement pressurisée soit très souple aux articulations, plus légère et plus confortable. Si à l'occasion l'astronaute s'aventure sur un astéroïde qui ne bénéficie pas d'atmosphère, elle doit aussi être très résistante et offrir une protection au moins équivalente à celle de l'EMU. C'est un cahier des charges très exigeant qui nécessite des années de recherche et de tests.

La NASA a donc souhaité corriger ses erreurs passées en collaboration avec le secteur privé.

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

Les contraintes biotechniques

Une voie de recherche concerne l'amélioration de la combinaison spatiale 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.

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

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.

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.

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, le prototype de combinaison Mark III de ILC Dover testé en Arizona en 2002. Trop rigide au niveau du bassin, la NASA s'orienta ensuite vers des modèles plus souples. A droite du centre, 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, la nouvelle combinaison de vol spatial 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.

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.

La BioSuit sleek du MIT

Une équipe de chercheurs dirigée par Dava Newman, professeure d'ingénierie des systèmes aéronautique et astronautique au MIT et ancienne administratrice adjointe de la NASA, 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 ci-dessous 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.

A voir : Boeing Suits Up, BOEING (2017)

La nouvelle combinaison bleue pour le CST-1000 développée par BOEING et David Clark

A lire : NASA's Development of next-generation spacesuits, NASA, 2021

A gauche, la BioSuit de Dava Newman du MIT présentée en 2007. Au centre, le prototype de combinaison spatiale Z-1 fabriqué par David Clark Company et ILC Dover. Elle est suffisamment souple pour que l'astronaute puisse s'asseoir et croiser les jambes (cf. cette photo). Elle fut testée lors de vols paraboliques en 2012. A droite du centre, la version Z-2 proposée en 2013 et validée par la NASA qui sert de base au xEMU. A droite, la science-fiction nous donne un aperçu de la future combinaison martienne : bras et jambes en tissu sleek et torse rigide (extrait du film "Planète Rouge" avec Val Kilmer).

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.

Malgré ses performances et sa haute technologie, Newman et ses collègues n'ont pas réussi à vendre leur BioSuit à la NASA. En revanche, les fabricants historiques David Clark Company et ILC Dover ont de nouveau réussi à placer leur combinaison Z-2 qui sert de base au nouveau xEMU de la NASA.

A terme, les industriels semblent s'orienter vers des combinaisons souples 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 voir : How to create a space suit | Dava Newman, 2017

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 (cf. le casque des pilotes de F-35, etc) par la société Vision Systems International, LLC, 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. Mais dans le cas du F-35, cela va plus loin car les données sont déjà triées et préanalysées par l'intelligence artificielle et les systèmes experts, proposant au pilote un résumé tactique de la situation et une éventuelle solution de tir.

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 certains articles high-tech 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 XXIe 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.

Voyons à présent quelle est la combinaison choisie par la NASA pour les futures missions lunaires. Nous allons constater qu'elle est encore loin des concepts futuristes et de la combinaison sleek. La raison est simple : la sécurité passe avant le look !

Présentation des combinaisons xEMU et Orion

Le 15 octobre 2019, l'administrateur de la NASA, Jim Bridenstine en compagnie de deux ingénieurs, présenta à la presse les prototypes de la combinaison lunaire xEMU (Exploration Extravehicular Mobility Unit) et de la combinaison de survie pressurée Orion (Orion Crew Survival System) que l'on voit ci-dessous. Cette dernière de couleur orange et légère sera utilisée pendant le vol spatial à bord du vaisseau Orion.

La combinaison xEMU est plus confortable que celle que portaient les équipages d'Apollo, mieux ajustée et offre plus de mobilité. En 50 ans, de nombreuses améliorations ont été apportées aux combinaisons spatiales et leur conception infomatisée, notamment les gants conçus par CAD/CAM les rendent plus performants et plus faciles à utiliser. Les nouvelles combinaisons présentent un meilleur filtrage des poussières extérieures et une élimination plus efficace du dioxyde de carbone et de l'humidité, ainsi qu'un système de régulation de la température interne. Elles présentent une résistance améliorée aux variations de température entre -156 et +121°C ainsi qu'aux radiations.

A voir : NASA's New Spacesuits Designed, 2019

A consulter : SuitUp, NASA

Présentation le 15 octobre 2019 par Jim Bridenstine, administrateur de la NASA, des prototypes de combinaison lunaire xEMU (Exploration Extravehicular Mobility Unit, à gauche portée par l'ingénieure "es combinaison" Kristine Davis) et de la combinaison de survie pressurée Orion (Orion Crew Survival System, à droite portée par Dustin Gohmert, chef de projet au centre JSC) dans le cadre du programme Artémis de l'agence spatiale. Ce prototype fut fabriqué par Axiom Space, l'une des deux sociétés avec Collins Aerospace qui espèrent gagner ce marché (Finalement Axiom Space signa le contrat). Documents NASA/Joel Kowsky et NASA/Andrew Caballero-Reynolds/AFP. D'autres images sont publiées sur Flickr.

Comme l'a montré l'ingénieure Kristine Davis portant la nouvelle combinaison (voir la vidéo ci-dessus), les astronautes seront plus libres de leurs mouvements. La combinaison xEMU permettra aux astronautes américains de marcher plus naturellement sur la Lune (au lieu de sautiller comme le firent Neil Armstrong et Buzz Aldrin notamment). Ils pourront se baisser plus facilement pour déposer des instruments ou ramasser des roches sans risquer de perdre l'équilibre et tomber comme ce fut le cas lors des missions Apollo (1969-1972) comme le montre cette vidéo. Ils pourront aussi lever les bras au-dessus de leur tête, ce qui n'était pas possible avec la combinaison d'Apollo plus rigide. Enfin, la nouvelle combinaison est unisexe et convient à toutes les tailles.

La combinaison xEMU offre une totale autonomie à l'astronaute. Elle lui fournit l'oxygène, recycle l'air exhalé, régule la température interne et le protége des rayonnements. Les ingénieurs de la NASA ont travaillé des années à son amélioration, en particulier pour éliminer le dioxyde de carbone.

La combinaison lunaire xEMU prête en 2025 ?

La conception et le but de la combinaison spatiale ont changé à plusieurs reprises au fil des ans, alors que les priorités de la NASA dans l'espace varie d'une administration à l'autre.

Illustration de la combinaison xEMU pour les EVA de la mission Artémis sur la Lune. Document NASA.

Selon le rapport d'audit du Bureau de l'Inspecteur Général (IOG) de la NASA publié le 10 août 2021, l'agence spatiale américaine a déjà dépensé 420 millions de dollars pour le développement des combinaisons lunaires xEMU depuis 2007, avant même son programme Artémis, et prévoit "d'investir environ 625.2 millions de dollars de plus" jusqu'en 2025.

En 2021, les xEMU n'avaient pas encore été testées dans l'espace et leur conception devait être finalisée. Plusieurs problèmes doivent être résolus. Nous avons expliqué que les combinaisons spatiales EMU que portent actuellement les astronautes de la station ISS sont pressurées à 4.3 psi ou 27.6 kPa. On ne peut pas réduire cette pression. Il faut aussi adapter les combinaisons spatiales aux femmes, les rendre plus souples et plus facile à porter. Toutes ces questions et bien d'autres doivent être résolues avant 2024.

Dans son rapport d'audit, l'IOG déclara que les combinaisons ne se seront pas prêtes avant "avril 2025 au plus tôt", postposant la mission habitée vers la Lune prévue en 2024 dans le cadre du programme Artémis. Si officiellement la NASA postposa la mission lunaire Artémisen 2025, pour qu'elle respecte son planning, on lui proposa officieusement de confier la fabrication des combinaisons xEMU à SpaceX. Mais la société d'Elon Musk ne remporta pas le contrat. On reviendra sur l'exploration de la Lune.

Contrats signés avec Axiom Space et Collins Aerospace

La NASA annonça le 1 juin 2022 que deux sociétés d'ingénierie, Axiom Space et Collins Aerospace qui travaillent déjà pour la NASA notamment, ont été sélectionnées pour lui fournir des services, des combinaisons spatiales et des systèmes de sortie dans l'espace (EVA) de nouvelle génération pour les activités à l'extérieur de la station ISS, pour explorer la surface lunaire au cours des missions Artémis et participer à la préparation des missions habitées sur Mars (que la NASA met au pluriel).

Selon Vanessa Wyche, directrice du centre JSC de la NASA, "Grâce à ces récompenses, la NASA et ses partenaires développeront des combinaisons spatiales avancées et fiables qui permettront aux humains d'explorer le cosmos comme jamais auparavant. En nous associant à l'industrie, nous faisons progresser efficacement la technologie nécessaire pour maintenir les Américains sur la voie d'une découverte réussie à bord de la Station Spatiale Internationale en même temps que nous visons l'exploration de la surface lunaire."

Les entreprises sélectionnées ont été choisies dans le cadre d'un appel d'offre pour des services d'exploration extravéhiculaire (xEVAS). Le contrat permet à ces fournisseurs de concourir pour des commandes pour des missions qui fourniront une suite complète de capacités pour les besoins de la NASA en matière de sorties dans l'espace jusqu'en 2034.

Le contrat xEVAS qui est ventilé en différentes étapes représente au total 3.5 milliards de dollars. Les premières commandes à exécuter comprennent le développement et les services pour la première démonstration à l'extérieur de la station ISS et pour l'atterrissage lunaire d'Artémis III. Le contrat xEVAS est géré par le programme EVA & Human Surface Mobility du centre JSC de la NASA. A ce jour, les livrables et les quantités ne sont pas encore définis.

La NASA insiste que chaque partenaire a investi une part importante de son propre argent dans le développement. Les partenaires seront propriétaires des combinaisons spatiales et sont encouragés à explorer d'autres applications commerciales en dehors des données et des technologies qu'ils codéveloppent avec la NASA.

Cette nouvelle approche doit encourager un marché commercial émergeant et accorde à la NASA le droit d'utiliser les mêmes données et technologies au sein de l'agence et lors des futurs achats du programme d'exploration.

Les experts de la NASA ont défini les normes techniques et de sécurité selon lesquelles les combinaisons spatiales seront fabriquées et qu'ont acceptées les deux entreprises. Les partenaires commerciaux seront responsables de la conception, du développement, de la qualification, de la certification et de la production de combinaisons spatiales et d'équipements de soutien.

Finalement, le 1er septembre 2022, la NASA anonça qu'elle avait choisi Axiom pour fabriquer les combinaisons spatiales des futurs astronautes de la première mission lunaire habitée Artémis. C'est un contrat de 228.5 millions de dollars. Axiom déclara que la première démonstration de la combinaison aura lieu en 2025.

A gauche, la seule image proposée en septembre 2022 de la combinaison spatiale d'Axiom Space que porteront les astronautes de la mission lunaire Artémis. A droite, la station spatiale privée proposée par Axiom Space.

Rappelons qu'Axiom Space est déjà très actif dans le secteur commercial de l'espace et sous-traite lui-même certains éléments à Thales Alenia Space comme par exemple la fabrication de la structure primaire et du système de protection contre les micrométéorites et les débris de la station ISS.

Axiom Space a également installé un module sur ISS qui sera complété par d'autres modules qui pourront être séparés et former une station indépendante de ISS et privée comme on le voit à gauche.

Selon Mark Kirasich, administrateur associé adjoint de la division de développement de la campagne Artémis de la NASA, "Nos partenariats commerciaux nous aideront à atteindre nos objectifs d'exploration humaine. Nous sommes impatients d'utiliser ces services pour la présence continue de la NASA en orbite terrestre basse et notre prochaine réalisation du retour des astronautes américains à la surface de la Lune. Nous sommes convaincus que notre collaboration avec l'industrie et l'expertise de la NASA acquise au cours de plus de 60 ans d'exploration spatiale nous permettront d'atteindre ces objectifs ensemble."

La NASA souligne qu'elle continuera de mettre à la disposition des entreprises les données d'essais en vol et au sol des sorties dans l'espace depuis la station ISS et celles du projet de développement de l'unité de mobilité extravéhiculaire d'exploration (xEMU) par le biais de la bibliothèque technique EVA. Cela encouragera une transition accélérée vers l'industrie tout en réduisant les risques.

Le contrat est conçu de telle sorte qu'il puisse durer et évoluer avec les besoins de la NASA et de l'industrie spatiale. Le contrat fournit également à l'agence un mécanisme facultatif pour ajouter des fournisseurs supplémentaires qui n'ont pas été sélectionnés dans l'annonce d'attribution initiale à mesure que le marché des services spatiaux commerciaux évolue.

L'objectif de la NASA "est de fournir des capacités sûres, fiables et efficaces qui permettent aux astronautes de survivre et de travailler en dehors des limites d'un vaisseau spatial pour maintenir la station spatiale et explorer les zones sur et autour de la Lune."

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: Combinaison d'évasion Shuttle Advanced Crew - combinaison de vol pressurisée (orange) depuis 1994 avec équipage de navette spatiale et pilotes de l'US Navy. Elle est prévue pour les évacuations d'urgence. Modèle Dave Clark S1035.

BID: Trousse de boisson en costume - pochette alimentaire en eau potable durant les EVA

CCA: Assemblage de porteuses de communications - système de communication individuel (capuchon muni d'écouteurs et micro, système électrique et radio associés)

CMP: Pilote du module de commande - pilote du module de commande

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

EEH: Harnais Électrique - telecom and instrumental biomédicaux

EMU: Extravehicular Mobility Unit - Unité de mobilité extravéhiculaire - combinaison spatiale autonome utilisée par les équipages Apollo, de la navette spatiale et d'ISS lors des EVA

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

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

EVVA: Ensemble visière extravéhiculaire - Visière extérieure dorée recouvrant le visage de l’astronaute du rayonnement solaire (lumière, chaleur, UV), des reflets et des micrométéoroïdes

HHSMU: Unité autonome de manoeuvre manuelle - unité mobile 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 que l'on fixe le PLSS, les bras, les jambes, le torse inférieur, le module de commande et le casque

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

ITMG: vêtement thermique et météorite intégré - combinaison spatiale utilisée lors des EVA. Sur l'appelle également PGA

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

LCVG: Vêtement de refroidissement et de ventilation par liquide - under-vêtement de refroidissement and ventilation. Système de confort constitué de tuyaux d'eau froide et d'un système de ventilation permettant d'éliminer les effets 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 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 menaient sur le dos de l'EVA. Ce terme était utilisé avant la fabrication du PLSS

LTA: Lower Torso Assembly - partie inférieure de la combinaison spatiale, comprenant la ceinture, les pantalons, les genoux, les bottes et les articulations des chevilles

MAG: vêtement à absorption maximale - collecteur d'urine produite par l'astronaute

MMU: Unité de manoeuvre avec équipage - unité de manoeuvre manuelle. C'est le fameux siège autopropulsé utilisé 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 combinaison pressurisée lors de l'EVA

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

PLSS: système de survie portatif - système de survie autonome qui fonctionne pendant les périodes de surchauffe et de l'oxygène, froid, froid, moyen, télécom, les signaux d'alertes et éliminant le gaz carbonique

SAFER: Aide simplifiée pour le sauvetage en EVA - Aide simplifiée pour le sauvetage lors de l'EVA. Il s'agit d'un système autopropulsé simplifié qui est fixé sous le PLSS et qui est utilisé depuis 1994 en remplacement du MMU

PON: Poche d'oxygène secondaire - réserve d'oxygène de 45 minutes en cas d'urgence

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

TMG: vêtement thermique et météoroïde - 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 exposée aux rigueurs de l'espace.

xEMU: Exploration Extravehicular Mobility Unit - Unité de mobilité extravéhiculaire d'exploration - combinaison spatiale autonome utilisée par les futurs équipages des missions lunaires notamment (àpd 2024).

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

Suitup, NASA

NASA's New Spacesuits Designed, 2019

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

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 Images

NASA Image Galleries

NASA HQ Photo sur Flickr

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Illustrations de Fred Freeman

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