La sécurité en orbite

L'entraînement au travail dans un environnement de chute libre

Lorsque les astronautes sont en orbite autour de la Terre, que ce soit à l'intérieur de la navette spatiale, de la Station spatiale internationale ou de tout autre engin spatial, ils se trouvent en conditions de chute libre. Lorsque l'on est en chute libre, on a l'impression qu'il n'y a pas de pesanteur. Il est d'ailleurs très difficile de simuler ces conditions sur Terre.

On peut notamment créer un environnement de chute libre au moyen d'un avion décrivant une trajectoire parabolique. Si l'on établit correctement la vélocité de l'avion, de sorte que sa trajectoire de vol soit conforme à celle d'un projectile ayant une trajectoire balistique, alors les occupants de l'avion vivront des périodes de chute libre. Ce scénario permet de créer des conditions identiques à celles auxquelles sont soumis les astronautes en orbite.

Malheureusement, la durée des périodes d'apesanteur ainsi créées ne dépasse généralement pas les 20 secondes. Cela est nettement insuffisant pour les fins d'entraînement.

Pour ce qui est de l'entraînement longue durée, la meilleure méthode pour simuler l'apesanteur consiste à pratiquer les activités orbitales sous l'eau, où la force de flottabilité de l'eau peut être modifiée pour contrer exactement le poids de l'astronaute.

L'illusion d'apesanteur est créée lorsque la force de flottabilité de l'eau déplacée est égale au poids de l'astronaute.

On peut voir à l'image 1 la piscine NBF (Neutral Buoyancy Facility) de la NASA dans laquelle les astronautes s'entraînent en vue des sorties extravéhiculaires (EVA) qu'ils effectueront une fois rendus dans l'espace. Les sensations que ressentent les astronautes travaillant sous l'eau s'apparentent à celles ressenties dans l'environnement de chute libre sur orbite basse.


Image 1 : Grande piscine à flottabilité neutre dans laquelle les astronautes canadiens s'entraînent en vue de leurs EVA.

Les images 2 à 4 montrent des activités type du programme de formation des astronautes en vue des missions spatiales. Sur Terre, les combinaisons spatiales sont extrêmement lourdes, et les astronautes ont besoin d'une aide considérable pour parvenir à les enfiler.

Le gilet monocoque est suspendu sur un support surélevé, de façon à permettre à l'astronaute de s'y glisser par en-dessous.

Image 2 : Dave Williams enfilant son équipement en vue de son entraînement EVA dans la piscine à flottabilité neutre de la NASA.
Image 3 : Dave Williams dans sa combinaison, prêt pour l'immersion
Image 4 : Un, deux, trois... plongez! Une fois entièrement immergé, Dave Williams se trouve dans un milieu qui, en grande partie, simule les conditions de chute libre.

Les astronautes doivent être bien entraînés pour réaliser les tâches qui leur sont attribuées. Lorsqu'ils sont en orbite, il est trop tard pour expérimenter des procédures ou pour prendre des décisions prosaïques, comme décider des outils dont on a besoin ou déterminer le temps nécessaire pour réaliser une tâche donnée. Tous ces détails doivent être planifiés avec minutie avant le lancement de la mission.

L'établissement d'un programme détaillé et fiable nécessite une bonne dose de pratique. On doit mettre à l'épreuve diverses procédures, on doit les peaufiner et les pratiquer encore et encore, de façon à éliminer toute possibilité de retard ou d'erreur.

Pour atteindre cet objectif, l'entraînement sous-marin présente plusieurs avantages.

Avantages

  1. Méthode peu coûteuse de simulation d'apesanteur (comparativement aux simulations par avion).
  2. La durée de la simulation peut être aussi longue que nécessaire puisque les ressources vitales tels l'air, l'électricité et les communications peuvent être fournies depuis le bord de la piscine. Ces ressources peuvent être fournies aussi longtemps que nécessaire.
  3. Haut niveau de sécurité.
  4. Il est possible d'utiliser des maquettes de matériel spatial existant. En travaillant sur du véritable matériel spatial, il est possible de développer et d'optimiser les calendriers des travaux.

Inconvénients

Il y a, bien entendu, quelques inconvénients à l'entraînement sous l'eau.

  1. La viscosité de l'eau ne permet pas de simuler les effets du vide spatial. L'eau de la piscine provoque un effet de friction par rapport aux mouvements de l'astronaute. Dans l'espace, il n'y a aucune résistance (c'est pourquoi on utilise des câbles de sécurité pour ne pas dériver loin de l'engin spatial).
  2. Le milieu sous-marin ne parvient pas non plus à reproduire l'une des conditions importantes de l'environnement spatial. Sous l'eau, l'astronaute peut se déplacer en effectuant un mouvement de nage, ce qui n'est pas le cas dans l'espace.
  3. La pression à l'intérieur de la combinaison sous-marine doit être plus élevée que celle nécessaire dans l'espace (afin de compenser les effets de la pression de l'eau).
  4. Finalement, mais il s'agit du point le plus important, la vision sous l'eau est très différente de la vision dans le vide de l'espace. Tous ceux qui ont déjà porté un masque de plongée vous le diront, les objets semblent plus proches et plus gros qu'ils ne le sont en réalité. Ce phénomène est attribuable à l'important indice de réfraction de l'eau.

Travailler dans l'espace : les EVA (sorties extravéhiculaires, ou sorties dans l'espace)

Contrairement à l'installation d'entraînement sous-marin (piscine NBF), l'espace ne comprend pas de zones de sûreté et il n'offre aucune méthode facile d'autopropulsion. Dans la piscine, les astronautes peuvent se servir de l'eau pour se propulser et pour manœuvrer légèrement. Pour ne pas que les astronautes partent à la dérive dans le vide de l'espace, ces derniers utilisent habituellement un câble d'ancrage lors des sorties extravéhiculaires (EVA) effectuées dans le cadre des missions spatiales.

Les premiers câbles de sécurité qui ont été utilisés dans l'espace constituaient un solide lien mécanique avec l'engin spatial et ils contenaient du câblage et des tuyaux pour les systèmes d'alimentation électrique, de communications et de survie.

Image 5 : Les premières sorties dans l'espace, qui étaient de courte durée, ont eu lieu dans le cadre des missions Gemini du Programme spatial américain.
Image 5 : Les premières sorties dans l'espace, qui étaient de courte durée, ont eu lieu dans le cadre des missions Gemini du Programme spatial américain.

Lorsque l'on part à la dérive dans l'espace, il est impossible de manœuvrer sans une assistance mécanique quelconque. Pour revenir vers l'engin spatial, il suffit d'amorcer le mouvement du retour vers le sas en tirant doucement sur le câble de sécurité. Même les tâches les plus simples, comme pivoter sur soi même, constituent un défi de taille lorsqu'on n'a pas la possibilité de modifier notre élan en s'appuyant sur d'autres objets.

Sur Terre, chaque fois qu'on entreprend un mouvement, nous nous trouvons à échanger de l'énergie avec la matière avec laquelle nous sommes en contact. Pour leur part, les astronautes qui « flottent » dans l'espace, ne sont en contact avec rien... Il leur faut alors faire preuve d'ingéniosité pour réussir à modifier leur élan.

L'image 6 ci-dessous montre un astronaute tenant un « pistolet à gaz ». Ce pistolet est un outil conçu pour fournir de petites impulsions permettant à l'astronaute de modifier son impulsion initiale.

Image 6 : Le déplacement dans l'espace est une affaire risquée. De petits propulseurs manuels ont été mis à l'essai, mais les résultats ont été mitigés.
Image 6 : Le déplacement dans l'espace est une affaire risquée. De petits propulseurs manuels ont été mis à l'essai, mais les résultats ont été mitigés.

L'un des inconvénients du propulseur manuel, c'est que les astronautes n'ont pas les deux mains libres pour effectuer leurs tâches. Lorsqu'ils sont appelés à travailler en EVA sur de grandes structures, comme le Skylab, les astronautes peuvent laisser de côté leur propulseurs portatifs et se déplacer soigneusement en s'agrippant à la superstructure spatiale. Advenant qu'ils lâchent prise et qu'ils partent à la dérive, le câble ombilical qui les relie à l'engin spatial sert alors de câble de sécurité.

Toutefois, le développement d'engins spatiaux de très grande envergure a créé un nouveau problème. Les câbles ombilicaux nécessaires pour travailler dans l'espace sont devenus beaucoup trop longs. La longueur et la masse de ces câbles se sont mises à limiter la capacité des astronautes à réaliser bon nombre de tâches prévues au programmes des EVA, comme les tâches d'assemblage de l'ISS et d'entretien de satellites comme Hubble.

Image 7 : De très longs câbles ombilicaux ont été nécessaires pour la réalisation des travaux à l'extérieur du module Skylab.
Image 7 : De très longs câbles ombilicaux ont été nécessaires pour la réalisation des travaux à l'extérieur du module Skylab.

Les ingénieurs ont mis au point des unités dorsales plus grandes, appelées « fauteuil spatial » ou « scooter spatial », afin de fournir aux astronautes une plus grande mobilité et leur permettre de s'affranchir de leurs longs câbles ombilicaux.

Les premières versions de ce dispositif ont été mises à l'essai avec des câbles ombilicaux pour assurer les communications, l'alimentation électrique et les ressources vitales et, bien que le scooter spatial ait accru la mobilité de mouvement des astronautes, leur liberté de mouvement était toujours limitée par la longueur du câble ombilical.

Image 8 : On a ensuite conçu l'unité dorsale aux capacités de manoeuvre intégrées. Le câble ombilical constituait toujours un élément essentiel de l'unité puisqu'il fournissait également à l'astronaute les ressources nécessaires à son système de survie.
Image 8 : On a ensuite conçu l'unité dorsale aux capacités de manœuvre intégrées. Le câble ombilical constituait toujours un élément essentiel de l'unité puisqu'il fournissait également à l'astronaute les ressources nécessaires à son système de survie.

Les combinaisons spatiales qu'utilisent maintenant les astronautes lors des EVA ne nécessitent désormais plus le recours au cordon ombilical. Les combinaisons sont maintenant conçues pour alimenter en autonomie les systèmes de communications et de survie jusqu'à huit heures durant.

Ces combinaisons spatiales peuvent être utilisées de pair avec l'unité dorsale pour EVA illustrée à l'image 9, ou avec un câble de sécurité pour la réalisation de travaux d'assemblage de structures spatiales, comme la Station spatiale internationale.

Image 9 : L'avènement des combinaisons spatiales entièrement autonomes a complètement éliminé le besoin de recourir au câble ombilical de survie.
Image 9 : L'avènement des combinaisons spatiales entièrement autonomes a complètement éliminé le besoin de recourir au câble ombilical de survie.

Les câbles d'ancrage : la vie ne tient qu'à un fil

Le retrait du câble ombilical n'a toutefois pas éliminé les besoins en matière de sécurité lors des EVA.

Par exemple, lors de l'assemblage de la Station spatiale internationale, il serait impossible pour un astronaute de mettre en œuvre une procédure d'autosauvetage s'il venait à s'éloigner par inadvertance de la station spatiale. C'est pourquoi chaque astronaute doit s'attacher à des points d'ancrage spécialement conçus et installés sur la structure externe du complexe orbital.

L'image ci-dessous montre l'astronaute canadien Steve MacLean travaillant sur la structure de l'ISS dans le cadre de la mission STS-115 qui a eu lieu en septembre 2006. Steve a été en tout temps solidement ancré à l'ISS.

Image 10 : Steve MacLean travaillant sur la structure de l'ISS pendant la mission STS 115.
Image 10 : Steve MacLean travaillant sur la structure de l'ISS pendant la mission STS 115.

Protocole d'ancrage

Toute chose pouvant dériver dans l'espace, personnes et charges utiles comprises, doit être retenue par un câble d'ancrage dans l'espace.

Le protocole d'ancrage s'applique autant aux astronautes qu'aux charges utiles, notamment celles qui sont déplacées manuellement ou à l'aide de systèmes robotiques.

« Attache-détache » (ou protocole « Make before break »)

C'est la devise des astronautes lorsqu'ils travaillent en orbite. Elle signifie que lorsqu'un astronaute ou une charge utile qui est ancré doit être déplacé, il faut d'abord s'assurer d'attacher le câble de sécurité solidement au point d'arrivée avant de décrocher le câble d'ancrage au point de départ. Cette procédure permet de s'assurer que tout objet risquant de partir à la dérive demeure assujetti à tout moment.

Par exemple, un panneau solaire devant être déplacé au moyen du Canadarm2 doit évidemment être retenu par un câble d'ancrage. Dans l'éventualité peu probable où le Canadarm2 le relâcherait prématurément avant qu'il ne soit boulonné en place, le câble de sécurité empêcherait le panneau solaire de dériver dans l'espace.

Conception des câbles d'ancrage

Les câbles d'ancrage comprennent deux principaux composants : des boucles à fixation et à déclenchement rapide et un câble à la fois souple et solide reliant les deux boucles.

Les boucles

Les boucles doivent respecter plusieurs critères de conception.

Elles doivent :

  1. être solides;
  2. être légères;
  3. pouvoir être manipulées facilement avec des gants épais;
  4. pouvoir résister à des températures extrêmes;
  5. être fiables.
Image 11 : Boucles types pour câbles d'ancrage. Remarquez que le mécanisme de déclenchement rapide est conçu pour être manipulé facilement par les astronautes qui doivent porter des gants épais.
Image 11 : Boucles types pour câbles d'ancrage. Remarquez que le mécanisme de déclenchement rapide est conçu pour être manipulé facilement par les astronautes qui doivent porter des gants épais.

Les câbles

À l'instar des boucles, le câble qui relie ces dernières doit satisfaire à de nombreuses exigences.

Le câble doit :

  1. être solide;
  2. être léger;
  3. résister à l'emmêlement;
  4. pouvoir résister à des températures extrêmes;
  5. pouvoir résister aux effets dommageables du rayonnement solaire ultraviolet.
Image 12 : Les sangles plates sont à la fois solides et légères. La structure de la sangle plate tend à résister davantage à l'emmêlement que les câbles et les cordages ayant une structure tubulaire.
Image 12 : Les sangles plates sont à la fois solides et légères. La structure de la sangle plate tend à résister davantage à l'emmêlement que les câbles et les cordages ayant une structure tubulaire.

Configurations spéciales

Les boucles de certains câbles d'ancrage sont conçues pour être utilisées avec des points d'ancrage spéciaux, alors que d'autres sont conçues pour être fixées facilement sur tout élément longitudinal d'un engin spatial.

Des câbles d'ancrage polyvalents peuvent aussi être utilisés pour ranger temporairement divers articles en des endroits voulus, jusqu'à ce qu'on en ait besoin.

Image 13 : Divers types de câbles d'ancrage
Image 13 : Divers types de câbles d'ancrage

Rangement

Quiconque a déjà possédé un bateau vous le dira d'emblée, le cordage peut constituer un véritable cauchemar lorsqu'il s'emmêle. En orbite, il est primordial que tout le matériel soit organisé et qu'il soit rangé en toute sécurité de sorte à éviter des situations risquées. Les longs câbles de sécurité constituent un problème particulier que l'on peut résoudre en utilisant des dévidoirs à ressort. Ces derniers permettent de déployer puis de rembobiner au besoin les câbles de sécurité.

Image 14 : Dévidoirs permettant le déploiement et le rangement des câbles de sécurité.
Image 14 : Dévidoirs permettant le déploiement et le rangement des câbles de sécurité.

Activité à réaliser en classe

Le concept des câbles de sécurité semble, à première vue, assez simple. Voici donc une activité qui donnera du fil à retordre aux élèves de votre classe.

Le défi

Demander aux élèves de concevoir et de fabriquer un câble de sécurité de 1,5 mètre de long capable de résister à la force exercée par un poids d'un kilogramme lâché d'une hauteur de 1,5 mètre.

Matériel

  1. Une paire de gants de hockey
  2. Une boîte en carton (ou une boîte similaire) au fond coussiné qui sera placée sous le poids
  3. Un solide boulon à œil suspendu à environ 2 mètres du sol
  4. Un chronomètre
  5. Un poids d'un kilogramme doté d'un boulon à œil (et non d'un crochet) pour le soulever.

Installation

  1. Les élèves peuvent préparer leur câble à l'avance, mais ils ne doivent pas l'attacher à quoi que ce soit.
  2. Lorsque les élèves sont prêts, l'instructeur donne l'ordre de commencer et il part le chronomètre.
  3. Portant les gants de hockey, les élèves doivent alors attacher leur câble de sécurité au support et au poids d'un kilogramme, soulever ce dernier à la hauteur du support et le laisser tomber jusqu'au bout du câble de sécurité (si le câble est assez solide, il empêchera le poids de tomber au fond de la boîte coussinée).
  4. Le chronomètre permet de chronométrer les élèves jusqu'à ce que le poids ait tombé jusqu'au bout du câble de sécurité.

Pointage

  1. Placer le câble sur une balance précise et déterminer sa masse (au gramme près, si possible).
  2. Chronométrer l'activité à la seconde près, du début de l'activité jusqu'à la chute du poids.
  3. Calculer le pointage selon la formule suivante : masse (du câble de sécurité) x durée de l'activité (temps nécessaire aux élèves pour réaliser l'expérience).
  4. L'élève ayant reçu le pointage le plus bas gagne. Les élèves dont le câble de sécurité brise sont automatiquement disqualifiés.

Autres activités

Gants et câbles de sécurité

Pour les élèves du niveau primaire/élémentaire

Pour cette activité, on peut également utiliser un câble de sécurité (solide) préfabriqué. Il suffit alors de demander aux élèves de réaliser l'expérience dans le plus court laps de temps possible. L'utilisation des gants de hockey rend cette expérience difficile et permet d'illustrer à quel point il est difficile de travailler vêtu d'une combinaison spatiale.

CONSEIL : Il convient d'ajuster la hauteur du support et la longueur du câble de sécurité pour les élèves des niveaux primaire et élémentaire.

« Attache-détache »

Pour les élèves du niveau primaire/élémentaire

Cette activité illustre la stratégie « attache-détache » utilisée pour toutes les activités EVA / de manipulation de charges utiles dans l'espace.

Concept

  1. Placer les pupitres des élèves en groupes, ou en « grappes ».
  2. Les élèves devront réaliser diverses tâches leur demandant de se déplacer d'un groupe à l'autre.
  3. Un élève ne peut aller à un autre groupe, à moins qu'il ne soit ancré en tout temps.
  4. Le câble de sécurité doit être suffisamment long pour que l'élève puisse rejoindre le groupe adjacent, mais pas assez long pour se rendre jusqu'aux autres.

Matériel requis

  1. Câbles de sécurité fabriqués à partir d'une corde de nylon (chaque câble doit avoir une longueur d'environ 2 mètres).
  2. 2 boucles (avec mécanisme à ressort) pour chaque câble de sécurité. Nouer une boucle à chaque extrémité.
  3. 1 point d'ancrage solide (immuable) pour chaque groupe d'élèves (TRUC : Vous pouvez utiliser des pots de peinture de 4 litres remplis de sable et de gravier. Fermez les pots de peinture à l'aide d'un marteau)

Marche à suivre

Préparer le matériel suivant

  1. Préparer des feuilles de papier portant l'inscription « panneaux solaires » (en préparer suffisamment pour chaque groupe).
  2. Préparer d'autres groupes de feuilles portant les inscriptions
    1. Vivres
    2. Équipement de survie
    3. Équipement scientifique
    4. Carburant à fusée
    5. Modules d'habitation
    6. Équipement de communication
    7. Équipement d'urgence
  3. Donner un groupe de feuilles à chaque groupe d'élèves. En d'autres mots, donner à un groupe d'élèves toutes les feuilles « panneaux solaires », à un autre groupe toutes les « Vivres », etc., de sorte que chaque groupe ait le monopole d'une ressource donnée.
  4. Remettre deux câbles de sécurité à chaque groupe.

Défi

Assembler une station spatiale.

  1. Décider, en tant que classe, des articles de base nécessaires à la construction de la station spatiale.
  2. Demander à chaque groupe d'aller chercher (auprès des autres groupes) les éléments nécessaires pour terminer l'assemblage de la station spatiale.
  3. [ATTENTION] Passer en revue la stratégie et le protocole d'ancrage ci-dessous. Il est crucial que tous comprennent les règles.
  4. Stratégie :
    1. Pas plus de trois personnes peuvent être debout en tout temps (ce mode simule une EVA).
    2. Les ressources doivent être recueillies directement auprès du groupe qui la détient, c.-à-d., elles ne peuvent être passées d'un groupe à l'autre.
    3. Les câbles de sécurité ne doivent jamais se croiser.
    4. Les élèves doivent respecter en tout temps la règle « attache-détache » et ce, sans exception.

Conclusion

Lorsque toutes les stations spatiales auront été construites, discuter :

  1. des problèmes qui sont survenus;
  2. des solutions possibles pour régler ces problèmes;
  3. des protocoles de sécurité que vous pourriez élaborer afin de rendre cette simulation d'assemblage encore plus sécuritaire et efficace.

CONSEIL : Vous pouvez modifier la quantité des ressources afin de les adapter au nombre de groupes prenant part à l'activité.

De plus, cette activité peut être modifiée de multiples façons. Par exemple, elle peut être jumelée à un cours d'arts plastiques où chaque groupe pourrait fabriquer des représentations matérielles des ressources. Ces ressources pourraient alors être « livrées » à un seul groupe en vue de leur assemblage.