La perche d'inspection et le système de caméra laser

Perche d'inspection conçue par MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. (MDA) : l'un des outils canadiens essentiels à la reprise des vols... et à plusieurs autres activités!

(Source : MDA)

Après l'accident de la navette Columbia survenu au début de 2003, la commission d'experts chargée de l'enquête (CAIB pour Columbia Accident Investigation Board) a été mise sur pied. Cette dernière a eu comme mandat de formuler des recommandations en vue d'améliorer le programme de la navette. L'une des exigences était de fournir à la NASA une solution lui permettant d'inspecter le ventre de l'orbiteur avant sa rentrée dans l'atmosphère.

Tirant profit de l'expérience technologique acquise dans le cadre de la conception de plusieurs générations de manipulateurs spatioportés, MDA a mis au point une perche d'inspection permettant de prolonger le bras robotique afin d'examiner en orbite le revêtement de protection thermique de la navette. Il s'agit là du rôle principal de la perche.

Généralités

Pour élaborer la perche d'inspection, les ingénieurs se sont servis du matériel existant du programme du télémanipulateur robotique. Sa conception était essentiellement identique à celle du bras robotique de la navette spatiale, à l'exception des articulations. Celles-ci ont, en effet, été remplacées par des manchons de transition en aluminium pour les maintenir solidement en place. La pointe de la perche a été conçue pour accueillir une série de capteurs permettant d'examiner minutieusement le bouclier thermique de l'orbiteur.

La perche, qui pesait 211 kilogrammes (sans les capteurs) et qui mesurait environ 15 mètres de long, avait à peu près les mêmes dimensions que le Canadarm, ce qui permettait de la ranger du côté tribord de la navette dans un mécanisme de retenue destiné, à l'origine, à recevoir un second bras. Une fois en orbite, le bras de la navette et celui de la station spatiale pouvaient saisir la perche à l'aide de préhenseurs-connecteurs.

Description de la perche d'inspection 

Manchons de transition

Chaque articulation ou sous-élément d'assemblage de la perche (manchons de transition avant, intermédiaire et arrière) était constitué d'une extrusion cylindrique en aluminium usinée selon des tolérances extrêmement fines. Ces manchons de transition servaient de support structurel entre les deux segments de la perche ainsi que d'interface mécanique avec les préhenseurs-connecteurs et la série de capteurs.

Segments de la perche

Deux segments en graphite époxyde reliaient les manchons de transition avant, intermédiaire et arrière. Le segment supérieur avait environ 5 mètres de long et 0,3 mètre de diamètre. Il était constitué de 16 couches de graphite époxyde (chaque couche ayant une épaisseur d'un millimètre) et pesait environ 22 kilogrammes. Le segment inférieur avait approximativement 6 mètres de long et 0,3 mètre de diamètre. Il était constitué de 11 couches de graphite époxyde et pesait22 kilogrammes. Chaque segment de la perche était protégé par une couche de Kevlar (matériau utilisé dans les gilets pare-balles) pour éviter les dommages.

Faisceau de câblage

Tout comme les segments de la perche faisaient la liaison mécanique entre les manchons de transition, le faisceau de câblage assurait leur connexion électrique. Le faisceau de câblage fournissait l'énergie électrique à tous les préhenseurs-connecteurs ainsi qu'aux capteurs sur le manchon de transition arrière. La liaison remontait jusqu'à la cabine de la navette, où les astronautes commandaient le bras.

Préhenseurs-connecteurs

La perche faisait appel à des préhenseurs-connecteurs existants sur les manchons de transition avant et intermédiaire. Le manchon de transition avant était équipé d'un préhenseur-connecteur électrique de vol modifié qui servait d'interface avec le bras robotique de la navette. Pour sa part, le manchon de transition intermédiaire était doté d'un préhenseur-connecteur utilisable en vol qui servait d'interface avec le bras de la station spatiale.

Télévision en circuit fermé 

La perche n'était pas équipée de caméras. Le bras de la navette, par contre, en comprenait une à l'articulation du coude et une autre à l'articulation du poignet pour surveiller les dégagements. Ces caméras aidaient les astronautes à positionner le bras et la perche.

Système de commande

Les mouvements de la perche étaient commandés par le bras de la navette, qui était lui-même piloté par l'ordinateur universel de la navette (GPC). Les astronautes dirigeaient le bras en donnant des instructions à l'ordinateur à l'aide de commandes manuelles. Un logiciel intégré analysait ces instructions et décidait des articulations à mettre en œuvre ainsi que de la direction, de la vitesse et de l'angle à adopter. L'ordinateur envoyait les commandes aux articulations et examinait leur comportement toutes les 80 millisecondes. Tout changement apporté par un astronaute à la trajectoire initiale commandée était étudié et de nouvelles commandes actualisées étaient envoyées à chacune des articulations.

Le système de commande du bras de la navette surveillait en continu l'état de ce dernier. En cas de défaillance, l'ordinateur empêchait automatiquement le mouvement de toutes les articulations et avertissait l'astronaute. Le système de commande affichait également en continu le degré de rotation et la vitesse des articulations sur des moniteurs situés dans la cabine de pilotage de la navette. À l'instar de tout autre système de commande, l'ordinateur pouvait être contourné, et l'astronaute pouvait alors commander chaque articulation individuellement depuis la cabine de pilotage.

Système de protection thermique

La perche était entièrement recouverte d'un isolant thermique à plusieurs couches assurant un contrôle thermique passif. Ce matériau consistait en une alternance de couches de Kapton, de canevas de Dacron et de revêtement extérieur bêta. Dans des conditions de froid extrême, des radiateurs électriques à thermostat fixés aux éléments mécaniques et électroniques vitaux pouvaient être activés afin de maintenir une température de fonctionnement stable.

(Source : MDA)

Perche d'inspection Le 16 juillet 2011, au cours de la mission STS-135 qui constituait le dernier vol de la navette, on a photographié la perche d'inspection sur un fond de nuages, de mer et d'aurores éclatantes. (Source : NASA)

Neptec et son système de caméra laser

Le système de caméra laser (LCS) de Neptec était installé à l'extrémité de  la perche d'extension du Canadarm utilisée depuis la reprise des vols de la navette spatiale en 2005. Il s'agissait en fait d'un scanner laser ultrarapide à grand angle et à haute précision servant à  inspecter les zones du ventre de la navette qui ne pouvaient être observées visuellement depuis l'intérieur de l'orbiteur en raison de leur emplacement. Le scanner laser permettait ainsi à la NASA de détecter les moindres fissures susceptibles d'entraîner la destruction de la navette au moment de sa rentrée dans l'atmosphère.

Le LCS faisait appel à une technique de balayage synchronisé, brevetée par le Conseil national de recherches du Canada, qui permet de recueillir des données tridimensionnelles d'une grande précision. Jusqu'à une distance de 10 mètres de sa cible, le scanner était capable de créer, à quelques millimètres près, le modèle de n'importe quel objet. Il s'agissait d'ailleurs de la première caméra 3D à balayage laser spatioqualifiée. Neptec a élaboré cet instrument à partir d'un scanner qui a été testé dans le cadre de la mission STS-105, en 2001.

Le LCS offrait un immense avantage par rapport aux caméras vidéo traditionnelles. Non seulement permettait-il de fournir des données 3D complètes sur la surface observée, mais il était également insensible aux changements de conditions d'éclairage, ce qui s'avérait essentiel puisque la navette et ses occupants subissaient 16 levers et couchers du Soleil par jour en orbite basse terrestre.

Le LCS pouvait également être utilisé pour suivre et déterminer la position et l'orientation d'objets dans l'espace. On pouvait donc se servir du scanner laser pour diriger des systèmes robotiques spatiaux, tels que le Canadarm et le Canadarm2, ou comme capteur pour guider des engins spatiaux dans leurs manœuvres d'amarrage dans l'espace.

(Source : Neptec)

(Source : Neptec)