[Flashback] Comment l'homme a volé vers l'ISS

A l'heure du chant du cygne des navettes, retournons-nous sur les étapes [encore méconnues du grand public] du vol spatial, à savoir l'activité humaine la plus complexe à ce jour. Sans doute également celle où le hasard est systématiquement éliminé. Parce que les contraintes, dans tous les domaines du vol, sont les plus importantes. Il s'agit, dans le cas de la navette spatiale, d'envoyer un objet de 2000 tonnes, soit environ la valeur de 2000 Peugeot 207, à la vitesse de 28 000 km/h.

Un vol se déroule en sept parties distinctes : le pré-lancement, le lancement, l'insertion en orbite, le vol proprement dit, la désorbitation, la rentrée dans l'atmosphère et l'atterrissage.

Une navette prête au décollage est composée de trois éléments, la navette elle-même, un réservoir de carburant (hydrogène/oxygène) et des fusées d'appoint qui fournissent l'essentiel de la poussée nécessaire au décollage. Ces trois parties sont assemblés dans un énorme bâtiment du centre spatial Kennedy. Les techniciens de United Space Alliance montent littéralement l'engin dans l'attitude familière qu'il aura sur le pas de tir, à la verticale, sur une plateforme de lancement mobile. Une fois assemblé sur la plateforme, le véhicule destiné à être lancé sera conduit sur une distance de six kilomètres vers le pas de tir sur le crawler un énorme « camion » à chenilles construit pour le programme Apollo.

Une fois le tout arrivé sur le pas de tir, les opérations de pré-lancement vont pouvoir commencer, elles prendront 28 jours. La plateforme de lancement mobile est tout d'abord connectée au pas de tir. S'ensuit toute une série de vérification des systèmes de sécurité du pas de tir. La charge utile devant être lancée dans l'espace est placée dans la soute de la navette et les portes sont scellées. Les moteurs de la navette subissent ensuite toute une batterie de tests pour s'assurer de leur bon fonctionnement. Les astronautes participent alors à une répétition de la partie finale du compte à rebours. Les systèmes de communication sont activés et testés. La simulation se déroule jusqu'à la mise à feu théorique des moteurs et leur extinction automatique. S'ensuit la finalisation de l'engin avant le compte à rebours : la calibration des gyroscopes qui donnent la position de la navette en vol, l'installation de la mémoire de masse dans les ordinateurs, la purge du réservoir de carburant, le déverrouillage des moteurs et une inspection finale de l'extérieur du véhicule. Le véhicule est alimenté en électricité et tous les systèmes sont vérifiés pour le vol.

- C'est donc trois jours avant le lancement que débute le compte à rebours. Il commence par l'appel aux stations qui permet de vérifier si l'équipe de lancement est prête. S'ensuit une procédure très stricte d'activation et de vérification des équipements et systèmes de la navette.

- A 11 heures du lancement, l'air de lancement est évacuée et le réservoir principal est alimenté en hydrogène et en oxygène liquides. 45 minutes après le début du remplissage, de l'hydrogène liquide va être dirigé vers les moteurs pour les mettre en condition pour le décollage. Le remplissage s'effectue doucement au début afin d'acclimater les parois du réservoir. Le débit s'accélère ensuite.

- Le remplissage se termine environ 6 heures avant le lancement. S'ensuit l'activation des piles à combustible, source d'énergie autonome de la navette. Le personnel non indispensable est évacué de la zone de souffle.

- A 2 h 30 du lancement, l'équipage, qui a mangé, part pour le pas de tir en combinaison de vol. Arrivé sur place, les astronautes sont installés à bord, le commandant de la mission en tête, suivi du pilote et des spécialistes de mission. La porte d' accès de la navette est ensuite fermée et scellée. Le personnel du pas de tir est évacué.

- A 20 minutes du lancement, les ordinateurs se mettent en configuration de vol. La cabine de l'engin est pressurisée. A 9 minutes, le directeur de lancement vérifie avec les  équipes si leurs paramètres sont bons pour la mise à feu.

- Entre 4 et 3 minutes avant le lancement interviennent les tests des surfaces de contrôles de la navette et d'orientation des moteurs. Les piles à combustible prennent le relais pour l'alimentation électrique.

- A 2 minutes du lancement, le réservoir principal est mis sous pression avec de l'hélium.

- A 15 secondes du lancement de l'eau est déversée en grande quantité dans la fosse sous le pas tir pour amortir l'onde de choc acoustique qui, sans cela, endommagerait la navette lors de l'allumage des trois moteurs.

- A 10 secondes du lancement, des chalumeaux sont allumés sous les moteurs pour bruler l'hydrogène résiduel présent dans les tuyères pour éviter une explosion.

- A 6 secondes de lancement, les trois moteurs de la navette sont allumés, ce qui provoque un mouvement de l'engin vers l'avant. Le déplacement est un débattement de deux mètres au niveau du cockpit.

A 0 secondes c'est le lancement, les fusées d'appoint sont allumées alors que la navette est revenue exactement à la verticale.

Le couple formé par les moteurs de la navette et les deux fusées d'appoint développent une poussée de 2910 tonnes sur un engin qui en pèse 2000. Le lancement vient de commencer, la navette accélère rapidement à la verticale, quitte le pas de tir et va chercher sa trajectoire de mise en orbite en effectuant une rotation grâce principalement au jet dirigé des fusées d'appoint et de ses moteurs. Elle continue son ascension sur le dos, réduisant les efforts aérodynamiques sur ses ailes et permettant à ses trois moteurs de pousser vers le haut. Une bonne quarantaine de secondes après le lancement, la puissance des propulseurs est baissée afin d'alléger le stress sur la structure de l'engin du à la pression de l'air. Des ondes de choc apparaissent sur les arrêtes du véhicule qui accélère, annonçant par là l'imminence du franchissement du mur du son. Une minute après avoir quitté le sol, l'engin vole au delà de la vitesse du son à 10 km au dessus du niveau de la mer, soit l'altitude de croisière d'un avion de ligne.

A peine 10 secondes plus tard, la zone de pression aérodynamique maximale est passée, le contrôle au sol annonce : « manette des gaz à fond ».

10 secondes encore et la vitesse dépasse deux fois la vitesse du son et l'altitude deux fois celle d'un avion de ligne. Une quarantaine de secondes plus tard, les fusées d'appoint sont larguées à la vitesse déjà phénoménale de quatre fois la vitesse du son et à presque 46 kilomètres d'altitude.

A partir de cet instant, la navette ne dispose plus que de ses trois moteurs (1) pour atteindre 25 fois la vitesse du son. Et nous sommes à une minute après la séparation des fusées d'appoint, trois minutes après le lancement, la vitesse est de six fois la vitesse du son et l'altitude est de 80 kilomètres. La navette est alors l'engin qui va le plus vite, le plus haut et qui est aussi le moins polluant. Elle rejette de l'eau, produit de la combustion de l'hydrogène par l'oxygène : H20.  

Trois minutes plus tard le couple navette réservoir principal entame un retournement en vue de leur séparation. La vitesse est de douze fois la vitesse du son et l'altitude de 110 kilomètres.

Deux minutes et demi plus tard, les trois moteurs de la navette sont coupés et elle se sépare du réservoir de carburant à la vitesse  de plus de vingt quatre fois la vitesse du son à une altitude de 105 kilomètres. Le réservoir brûlera lors de sa rentrée dans l'atmosphère, au dessus de l'Océan indien.

Le lancement vient de se terminer, les membres d'équipage viennent d'être soumis à une accélération de 3g, où leurs corps pesaient environ 200 kg, pendant huit minutes et demi. A l'arrêt des moteurs, leur corps pèse...rien, leur poids a disparu en une fraction de seconde. Ils ne sont pas encore en orbite et pourtant ils tombent avec la navette, ils flottent dans leurs combinaisons de vol, un grand sourire illumine leurs visages.

En l'état actuel, la navette est sur une trajectoire suborbitale, c'est-à-dire que sans une intervention sur cette même trajectoire de la part de l'équipage, le vaisseau spatial finirait par rentrer dans l'atmosphère après une révolution autour de la Terre. La navette s'éloigne du réservoir principal pendant treize seconde et va entamer l'insertion en orbite. Dans le vide spatial il n'y a pas d'air, donc aucun moyen de contrôler une navette comme un avion, fut-elle équipée d'ailes. Elle dispose de moteurs de manœuvre en orbite pour contrôler l'engin dans les trois dimensions de l'espace. Ils fonctionnent sur le même principe que les trois moteurs principaux, ce sont des fusées.

Une poussée est effectuée pour se mettre en orbite elliptique, en accélérant le véhicule jusqu'à la vitesse de 7,8 kilomètres par seconde et l'altitude de 350 kilomètres.

La trajectoire de la navette autour de la Terre est donc une ellipse. L'altitude et la vitesse du véhicule ne sont pas constantes pendant une révolution. Il existe deux points clé de la trajectoire que décrit une orbite : l'apogée et le périgée. En gros, la navette s'éloigne de la Terre en perdant de la vitesse jusqu'à l'apogée. Puis elle se rapproche de la planète en accélérant et atteindre le périgée. Et ainsi de suite. Elle n'arrête donc pas de tomber vers la Terre mais ne la rencontre jamais parce que sa vitesse est trop grande. Mais elle ne l'est pas assez pour se détacher de son influence. Il en est de même pour la Lune ou tout ce qui gravite en orbite autour d'un autre corps, partout dans l'univers.

Il faut deux poussées des moteurs de manœuvre orbitaux pour réaliser une orbite dite circulaire, c'est-à-dire avec une faible différence entre l'apogée et le périgée. Une autre est effectuée à l'apogée de l'orbite obtenue pour la circulariser.

Reste maintenant à atteindre la cible visée, la Station Spatiale Internationale. L'engin a été lancé sur une trajectoire de poursuite, sur le même plan orbital que la station spatiale internationale. C'est le paramètre principal pour un rendez-vous spatial. Le lancement est effectué quand l'objet à atteindre dans l'espace passe exactement au dessus de la base de lancement. Il n'y a plus ensuite qu'a orienter le véhicule lancé selon l'angle avec lequel l'objet à atteindre passe au dessus de la base de lancement. C'est la raison des fameuses « fenêtres de tir ». La navette et la station croisent donc sur un même plan mais selon des orbites différentes.

Toute la complexité d'un rendez-vous spatial consiste à faire coïncider l'apogée et le périgée de l'orbite de la navette avec ceux de la station. Un rendez-vous spatial dure plusieurs orbites, parce que les poussées d'ajustement des trajectoires ne s'effectuent qu'aux points clés de l'orbite de la navette, soit le périgée et l'apogée.

Une fois la station en vue, il faut annuler la vitesse relative entre les deux véhicules et se rapprocher très doucement pour se présenter devant le port d'amarrage de la station.

La navette se solidarise avec la station, les trappes entre les deux engins s'ouvrent et l'équipage de la navette peut entrer dans la station.

Une fois les tâches de la mission accomplies, il reste la part la plus importante de la mission : le retour sur Terre.

La navette se désolidarise de la station, entame un tour complet autour du complexe orbital et s'éloigne pour se poster loin vers l'arrière en vue de la rentrée.

Les membres d'équipage revêtent leurs combinaisons de vol et se sanglent sur leurs sièges. Le point cible de contact avec le sol est traditionnellement la piste du Centre Spatial Kennedy, non loin d'où la navette est partie. A un point de l'orbite situé à l'opposé de la piste d'atterrissage, de l'autre côté de la Terre, la navette commence sa désatellisation. Elle présente son nez vers l'arrière et le pilote imprime une poussée dans le sens contraire de la trajectoire. L'engin est freiné et perd de l'altitude. La navette subit une rotation pour placer le nez vers l'avant et relevé vers le haut selon un angle de 40°, dans le sens de la trajectoire.  L'engin tombe de 350 km à 122 km.

Nous sommes à une demie-heure de la fin du voyage. A 122 km d'altitude, la navette rencontre les hautes couches de l'atmosphère, il ne va pas tarder à faire très chaud dehors. La vitesse est de 25 fois celle du son. Un plasma commence à se former autour de la navette qui essuie des températures qui ferait fondre une voiture comme du beurre dans une poêle. L'air devient de plus en plus dense, le nez de la navette est d'une couleur rose électrique, comme les bords d'attaque des ailes, le ventre est orange vif. Toute l'énergie dépensée pour le lancement est convertie en chaleur renvoyée par le bouclier thermique. L'air freine le véhicule qui effectue des virages en S pour accentuer le phénomène. Une trainée incandescente est clairement visible du sol par temps clair quand la navette rentre dans l'atmosphère de nuit, comme une étoile filante.

La vitesse ne baissera vraiment qu'à l'arrivée en Floride, de l'ordre de quatre fois la vitesse du son. Le pilote et le commandant vont se relayer pour accrocher le couloir d'approche pour s'aligner sur la piste de Cape Canaveral. La navigation est désormais celle d'un avion classique, hormis le fait qu'il descend avec une vitesse et une pente bien supérieures. Deux fortes détonations supersoniques clairement perçues du sol indiquent que la navette est sur le point d'atterrir. Le pilote entame un virage à 180° pour s'aligner sur la piste à la bonne vitesse et à la bonne altitude. Si la rentrée atmosphérique est contrôlée par les ordinateurs de bord, l'approche et le poser de l'engin se font à la main. Le pilote dispose d'un système à réalité augmentée pour l'aider à garder la bonne trajectoire et qui s'affiche directement devant ses yeux, superposés au monde extérieur. La piste se dessine avec un repère qu'il va devoir faire coïncider avec la trajectoire de la navette. La pente suivie par l'engin est de l'ordre de sept fois celle d'un avion de ligne. Le commandant prend le manche et pose dans un plané parfait le train principal de la navette en un point précis de la piste, à la vitesse de 470 km/h. Le nez de l'engin commence à s'abaisser vers 340 km/h. La roue avant touche le sol, le pilote déploie le parachute de freinage. La navette s'arrête lentement après avoir largué le parachute.

(1) Comme l'a théorisé Constantin Tsiolkovski il y a plus d'un siècle, la masse énorme de carburant nécessaire pour que l'engin quitte le sol est éjectée par la tuyère de son moteur et est convertie en énergie cinétique. Plus un engin brûle de carburant lors de son ascension, moins il est lourd. C'est la raison pour laquelle on découpe une fusée, ou un lanceur quelconque, en plusieurs étages qui se séparent progressivement de l'objet à lancer, l'allégeant d'autant et nécessitant moins de puissance à la fin de l'ascension qu'au début.