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Aperçu de la mission STS-74

Mise en place du module d'amarrage

Alors qu'Atlantis s'est approchée de Mir, l'équipage de la navette a placé, à l'aide du Canadarm, le module d'amarrage (DM) de construction russe sur le dessus du système d'amarrage de l'orbiteur (ODS). Le DM est conçu de manière à ce que la navette puisse s'amarrer sur le flanc de Mir sans toucher les panneaux solaires de la station.

Le DM est constitué d'un tube de 5,1 mètres de longueur et de 2,23 mètres de diamètre dont chaque extrémité est dotée d'un mécanisme d'amarrage identique à ceux de Mir, désignés « systèmes d'amarrage périphériques androgynes ». Deux grandes boîtes de panneaux solaires, destinées à être amenées à bord de Mir, sont entreposées sur les flancs supérieurs du DM.

Des aides à l'amarrage, telles que des cibles spéciales, des caméras de télévision et des appareils d'éclairage, sont montées en des endroits stratégiques du module. Un préhenseur-connecteur, fixé à un petit poteau à une extrémité du DM, permet au Canadarm de le saisir. Dix-huit points en Inconel peints en noir, destinés à être exploités par le système perfectionné de vision spatiale (SPVS), ont été collés soit sur des panneaux blancs, soit directement sur les couvertures thermiques orange qui enveloppent le DM. Ces points, qui ont dix ou quinze centimètres de diamètre, sont disposés selon une configuration permettant au SPVS de les utiliser comme cibles et leur emplacement exact a été mesuré avec une précision de l'ordre du millimètre avant le lancement. Le module d'amarrage est assujetti à l'orbiteur, près de l'arrière de la soute, par quatre verrous. Un bras ombilical rotatif assure l'alimentation en énergie du DM et la transmission de données entre celui-ci et l'orbiteur.

L'ODS est constitué d'un mécanisme d'amarrage comme celui de Mir, fixé à un sas qui est relié à la cabine de la navette par un court tunnel. Une solide structure triangulée maintient fermement l'ODS dans la soute. Une caméra de télévision et deux lampes sont boulonnées à cette structure et six points noirs, répartis en trois paires, sont placés à proximité du sommet du tube de l'ODS.

L'accouplement du DM avec l'ODS se fait en deux phases : désarrimage du DM et mise en place de celui-ci sur l'ODS, puis raccordement des deux éléments. L'opération a duré une heure et demie environ et a commencé lorsque Chris Hadfield et Bill McArthur ont mis le système canadien de vision spatiale (CSVS) en marche. En voici les principales étapes :

Vérification du CSVS

Le CSVS traite les images vidéo des points repères fixés au DM ainsi qu'à l'ODS et détermine leur emplacement exact dans l'espace. Il y a deux systèmes identiques à bord et tous deux ont été mis en état de fonctionner, le deuxième étant configuré de manière à pouvoir prendre immédiatement la relève en cas de défaillance du premier. Chaque système comprenait un ordinateur-agenda équipé de matériel spécialisé de traitement vidéo et de liaisons avec le système vidéo de bord. Pour la mise en place du DM, le système avait été monté à la droite de Chris Hadfield, c’est-à-dire à sa droite lorsqu’il regardait vers l'arrière par son hublot dans la soute. Deux moniteurs TV, également à sa droite, affichaient des vues prises par les caméras dans la soute et sur le Canadarm pour l'aider à voir ce qu'il faisait. Le second moniteur était configuré de manière à pouvoir afficher une des deux sorties du SPVS. Chris pouvait choisir entre un affichage vidéo rehaussé, qui constituait une prise de vue normale avec des cases de poursuite de cibles en surimpression sur l'écran, et un affichage synthétique qui indiquait, sous forme graphique, l'orientation et l'emplacement précis du DM pendant que le bras le déplace. Avant d'utiliser le SPVS, il fallait étalonner la position des caméras et localiser l'emplacement des points repères de telle façon que le système puisse établir avec précision leur géométrie relative.

Préhension du module d'amarrage

Chris Hadfield a ensuite sorti le bras et l'a amené dans une position préalable à la position de préhension proprement dite en le manœuvrant manuellement pour que son effecteur s'aligne sur le préhenseur-connecteur du module d'amarrage. Une fois prêt, Chris Hadfield a avancé le bras d'environ un demi-mètre, jusqu'à ce que l'arbre du préhenseur-connecteur du DM pénètre dans la « canette » de l'effecteur. Au déclenchement d'un commutateur, l'effecteur a saisi l'arbre et, à l'actionnement d'une commande de rigidification, le bras s'est solidarisé au DM.

Désarrimage du module d'amarrage

Juste avant le désarrimage, Bill McArthur et Chris Hadfield ont configuré le SPVS de manière à suivre le DM avec la caméra B (arrière gauche). Ensuite, ils ont désaccouplé le bras ombilical rotatif qui reliait l'orbiteur au DM et ont dégagé les quatre verrous fixant le module à l'orbiteur.

Déplacement à la position stationnaire basse

À l'aide d'un crayon optique, Bill McArthur a déplacé les cases de poursuite apparaissant en surimpression sur les images des points repères de l'affichage rehaussé du second moniteur, permettant ainsi au SPVS de suivre les points. Une fois que le SPVS les avait localisés, on faisait passer le moniteur à l'affichage synthétique qui aidait Chris Hadfield à guider le DM en position stationnaire, à 4,5 mètres au-dessus de la soute.

Déplacement à la position intermédiaire

Ensuite, Chris Hadfield a fait suivre au bras une séquence complexe de manœuvres qui levait le DM de deux mètres et l'a fait avancer de huit mètres, à proximité du système d'amarrage de l'orbiteur. Parallèlement, il a fait basculer le DM de 90 degrés vers le bas, puis virer de 155 degrés vers la droite. Cette séquence a été entrée dans l'ordinateur du bras comme une manœuvre automatique que Chris Hadfield aurait pu activer. Il était toutefois peu probable qu'il abandonne le mode manuel pour passer en mode automatique.

Déplacement à la position préalable à la mise en place

La caméra A, c'est-à-dire la caméra avant gauche, a alors été sélectionnée pour le SPVS qui a localisé les cibles sur l'ODS et le DM et les a suivies. On a mis le mécanisme d'amarrage de l'ODS en marche et déployé son anneau de préhension en vue de l'amarrage. Chris Hadfield a manœuvré manuellement le bras de manière à placer le DM à environ un mètre juste au-dessus de l'ODS. Il a vérifié que rien n'entravait la trajectoire du bras en regardant par le hublot, en se reportant à un certain nombre de vues prises par d'autres caméras et en consultant l'affichage synthétique du SPVS.

Manœuvre dite « de MacLean »

Avant la manoeuvre finale, on a procédé à une vérification de la précision de poursuite du SPVS. Chris Hadfield a mis le bras en mode d'entraînement simple et a sélectionné l'articulation de lacet de l'épaule pour l'exécution du mouvement. Pendant que le SPVS suivait les points repères du DM, il a fait basculer le bras de quatre degrés vers l'arrière, puis il l' a ramené dans sa position initiale. 

Cette manœuvre est dite « de MacLean » parce que c'est Steve MacLean, astronaute de l'Agence spatiale canadienne, qui, après avoir testé le bras en orbite en 1992, s'est rendu compte que les rotations d'articulations simples du bras étaient extrêmement précises et pouvaient servir de guide de position pour le SPVS.

Déplacement à la position de mise en place

La manoeuvre finale a amené le mécanisme d'amarrage du DM à moins de 15 centimètres de l'anneau de préhension déployé de l'ODS. Il s'agissait de la phase la plus délicate de l'opération; il fallait en effet que les deux mécanismes d'amarrage soient parfaitement alignés pour que la mise en place soit réussie. Le SPVS a suivi cette manœuvre au moyen de la caméra A.

Mise en place

La mise en place proprement dite a été impressionnante. L'anneau de préhension de chaque mécanisme d'amarrage comportait trois rampes de guidage avec dispositifs de verrouillage en saillie qui, à la jonction, se sont engagées dans une lèvre de l'anneau opposé. Ces dispositifs de verrouillage étant très rigides, le Canadarm ne pouvait pousser le DM dans l'ODS avec suffisamment de force pour les enclencher.

Aussi, Chris Hadfield a-t-il désengagé les articulations de manière à décontracter le bras. Ken Cameron a actionné alors six micropropulseurs du système primaire de contrôle d'attitude pendant 1,52 seconde, ce qui a donné assez d'accélération à l'orbiteur pour que l'ODS vienne tamponner le DM stationnaire au-dessus de lui et s'y accroche. Si la manœuvre n'avait pas réussi (les anneaux auraient pu être mal alignés et le DM aurait pu rebondir), Chris aurait tenté de repositionner les deux anneaux et, cette fois-ci, abaisser très délicatement le DM jusqu'à trois centimètres du point de contact avec l'ODS. Ken Cameron aurait actionné de nouveau les micropropulseurs. Si cette méthode « quasi statique » avait échoué elle aussi, ils auraient modifié leur tentative initiale pour procéder à un dernier essai. À ce moment, la salle de contrôle de mission aurait analysé la position exacte du bras lors du premier essai et aurait indiqué à Chris Hadfield les nouveaux angles à donner au bras pour aligner correctement le module d'amarrage. Une dernière mise à feu aurait alors été commandée.

Si ce dernier essai avait échoué, Jerry Ross et Bill McArthur auraient été prêts à endosser leur combinaison spatiale pour effectuer une sortie extravéhiculaire dans la soute. Ils auraient fixé des courroies entre le DM et l'ODS de façon à maintenir leur position relative, pendant que l'anneau de préhension de l'ODS aurait été amené dans le DM, de manière à armer les dispositifs de verrouillage. Une fois ceux-ci enclenchés, l'anneau de préhension de l'ODS se serait rétracté, ramenant ensemble les joints d'étanchéité du système d'amarrage. Douze crochets auraient été enclenchés pour accoupler fermement les deux structures.

À cette étape, Chris Hadfield aurait quitté son poste pour rejoindre Jerry Ross en passant par le compartiment intermédiaire et le sas. Ils auraient entrouvert les écoutilles avec précaution et vérifié l'étanchéité de l'ODS et du DM. De plus, Chris aurait installé, dans l'axe longitudinal, une caméra qui pointe vers le haut par un hublot dans l'écoutille avant du DM en vue de la jonction avec Mir. Pendant ce temps-là, Bill McArthur aurait fermé les systèmes du SPVS et rangé les enregistrements vidéo de l'opération, en affichage rehaussé et synthétique, à être analysés plus tard. Il aurait pris également les commandes du bras, dégagé celui-ci du DM et l'aurait mis en position pour l'amarrage.

Rendez-vous, approche et amarrage

Grâce à l'amarrage parfait entre Atlantis et Mir, la mission STS-74 a été un succès. Cette phase était non seulement la plus cruciale du vol, mais aussi la plus difficile. Elle a nécessité toute l'attention du centre de contrôle de mission et de l'équipage. Les opérations de rendez-vous ont commencé au lancement, lorsque l'orbite de Mir se trouvait presque au-dessus du site de lancement de façon que celle d'Atlantis soit dans le même plan. Une fois la navette sur son orbite, elle a commencé à suivre Mir et l'a rattrapée au bout d'environ trois jours. En raison de la nature de la mécanique orbitale, comme nous le verrons ci-après, Atlantis a dû évoluer sur une orbite plus basse que Mir pour se déplacer plus rapidement que celle-ci. Environ cinq heures avant l'amarrage, la phase finale du rendez-vous s'est amorcée; l'orbiteur s'est retrouvé alors à 76 km derrière Mir.

Une importante mise à feu, suivie de quelques mises à feu de correction et d'une petite mise à feu correctrice finale, a placé Atlantis sur une orbite se trouvant à près de deux kilomètres au-dessous de celle de la station orbitale. Pendant tout ce temps, l'équipage de la navette a suivi Mir, d'abord optiquement à l'aide des suiveurs stellaires et, ensuite, une fois à portée de la station, avec son antenne en bande KU. Les mesures ainsi recueillies ont été introduites dans l'ordinateur de bord qui guidait le vol. La navette a gagné du terrain et, lorsqu'elle s'est retrouvée immédiatement au-dessous de Mir, Ken Cameron, le commandant, a actionné les micropropulseurs pour l'amener et la stabiliser à 52 mètres de la station. Atlantis s'est retrouvée alors sur l'Axe-R, cette ligne imaginaire reliant Mir au centre de la Terre. Au signal, Ken Cameron a enfoncé la manette de commande de translation et a commencé à se rapprocher de la station.

Cette phase était celle de l'approche et présentait beaucoup de difficultés. Le commandant devait contrôler la trajectoire avec précision, dans un corridor très étroit, mais il disposait heureusement de nombreuses aides. La plus importante lui venait d'une caméra montée dans l'écoutille du module d'amarrage, pointant droit sur un repère dans l'anneau d'amarrage du module Kristall de Mir. Ce repère étant parfaitement aligné, le commandant savait qu'il n'y avait pas de problème. D'autres caméras l'ont aidé à repérer sa position, et deux télémètres à laser se trouvant dans la soute ainsi qu'un laser manuel, appelé Lidar (que Chris Hadfield pointe par un hublot au-dessus de lui) lui ont indiqué la distance et la vitesse de rapprochement. De plus, le Canadarm se trouvait en position d'équilibre pour l'amarrage, en surplomb du côté gauche dans l'espace, sa caméra de poignet pointée vers le haut sur Mir et sa caméra de coude alignée exactement sur le plan de contact entre la navette et la station. La vue prise par cette caméra a donné à l'équipage la confirmation visuelle de la distance exacte séparant les deux géants au cours des dernières phases du rapprochement.

Lorsqu'Atlantis s'est retrouvée à neuf mètres, Ken Cameron a interrompu la remontée et a exécuté une manoeuvre de positionnement angulaire, commandée par ordinateur, pour faire les dernières corrections d'alignement entre les deux vaisseaux. Lorsque Mir a été prête et que les communications avec Moscou et Houston ont été établies, il a entamé l'approche à raison de trois centimètres par seconde. Au bout de cinq minutes de manœuvre lente et minutieuse, les deux anneaux d'amarrage se sont entrechoqués et se sont emboîtés. Ken Cameron a amorcé immédiatement une séquence de mise à feu qui a poussé Atlantis sur Mir et a assuré la préhension. L'accouplement final s'est fait à la solidarisation des joints des anneaux d'amarrage et à la fermeture des douze crochets qui ont assuré la jonction des deux engins.

Mécanique orbitale – « Freiner pour accélérer »

Tous les objets évoluant dans l'espace traversent des champs gravitationnels qui font s'incurver leur trajectoire. Comme l'a découvert Isaac Newton, la pesanteur est une force que possèdent tous les objets et l'attraction entre deux objets est fonction de leur masse et de la distance qui les sépare. Dans le cas de la navette en orbite autour de la Terre, on peut considérer qu'elle a une masse négligeable et qu'elle se déplace sous l'influence d'un champ de force centrale.

Le mouvement est l'élément qui importe. Nous sommes tous attirés vers le centre de la Terre, mais, si nous nous déplaçons suffisamment rapidement et dans le bon sens, l'horizon se dérobera toujours au-dessous de nous et nous nous retrouverons en orbite. Sur une orbite circulaire, la vitesse et le sens de votre mouvement demeurent constants par rapport à la surface de la Terre. L'altitude de l'orbite est proportionnelle à la quantité d'énergie utilisée. En ajoutant de l'énergie, vous grimpez dans le « puits gravitationnel » de la Terre, adoptant ainsi une orbite plus grande. La remontée se faisant toutefois au détriment de la vitesse, vous vous déplacerez plus lentement par rapport à la Terre et il vous faudra plus de temps pour effectuer une révolution.

La dynamique orbitale a cela d'étrange : pour aller plus lentement, il faut ACCÉLÉRER; pour aller plus vite, il faut FREINER! Pour vous retrouver derrière un objet, vous allez plus haut et vous ralentissez. Pour rattraper l'objet, vous descendez et augmentez votre vitesse. En fait, vous faites un compromis entre l'énergie potentielle (l'altitude) et l'énergie cinétique (la vitesse). Toutes les orbites constituent un équilibre entre ces formes d'énergie.

La forme de l'orbite est un autre de ses éléments distinctifs. Dans le cas de deux orbites de la même taille, l'accomplissement d'une révolution prendra le même temps. Les orbites pourraient toutefois avoir des formes différentes. Pratiquement toutes les orbites autour de la Terre sont elliptiques, comprenant un point bas, le périgée, et un point haut, l'apogée. Selon le moment et le sens de la mise à feu, celle-ci modifiera soit la taille et la forme de l'orbite, soit sa forme uniquement.

En actionnant les micropropulseurs pour s'éloigner de la Terre, on amorce une remontée qui déplace l'orbite vers un nouvel apogée mais l'orbite ne devient pas plus grande pour autant! L'inverse est vrai aussi : une mise à feu vers la Terre fait s'amorcer une descente qui déplace l'orbite vers un nouveau périgée.

Les opérations de rendez-vous, d'approche et d'amarrage avec un objet cible nécessitent un doigté particulier où entrent en jeu la taille et la forme de l'orbite : il faut perdre de l'énergie (freiner) pour rattraper l'objet cible, ajouter de l'énergie (accélérer) une fois à proximité de l'objet et enfin modifier la forme de l'orbite et ajouter de l'énergie à petits coups jusqu'à la rencontre avec l'objet.