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L'art du freinage

La rentrée atmosphérique des engins spatiaux est un processus risqué, qui doit freiner le véhicule sans l'endommager.

Numéro 3

Comme l'a malheureusement montré la tragédie de Columbia, la rentrée atmosphérique des engins spatiaux constitue la phase critique de leur retour sur Terre. Le véhicule doit ralentir très fortement, afin de passer de près de 10 kilomètres par seconde à une centaine de mètres par seconde (200 à 300 km/h). "Pour diviser ainsi la vitesse de la navette par cent, il n'existe pas d'autre solution que d'utiliser le frottement sur les couches de l'atmosphère", explique Jean-Luc Vérant, de l'Onera. Le freinage répulsif pour compenser l'attraction terrestre, tel qu'on peut le voir dans l'album de Tintin On a marché sur la lune, consommerait en effet bien trop de carburant. Les navettes sont donc conçues pour offrir une surface de frottement maximale, afin d'optimiser le freinage.
 
Ces frottements sont efficaces, mais échauffent énormément l'air entourant le véhicule. Les températures s'élèvent à 2000°C au contact des parois. "Des températures qui ne sont même pas atteintes dans l'industrie sidérurgique, et qui correspondent à la périphérie d'un coeur nucléaire", rappelle le chercheur. "La moindre dégradation du système de protection est alors dramatique". Pour que ces températures ne détériorent pas la navette, il importe de maintenir une séparation entre les gaz chauds qui se forment à l'extérieur et les organes vitaux de l'appareil. Le revêtement (Thermal Protection System ou TPS) doit à la fois être isolant, léger et facile à assembler. Les matériaux utilisés sont des composites isolants à base de carbone.Calcul numérique du champ de température autour du Mars Sample Return Orbiter
Calcul numérique du champ de température autour du Mars Sample Return Orbiter

L'Onera mène des recherches sur l'état du gaz autour de l'engin spatial afin de déterminer comment on peut s'opposer aux transports de chaleur entre l'extérieur et l'intérieur. "Il s'agit d'études de mécaniques des fluides à très haute température".

Les recherches sur la rentrée atmosphérique des engins visent à évaluer la meilleure trajectoire possible. "Mais cette trajectoire ne peut pas être définie indépendamment d'autres facteurs, comme la forme de la navette ou ses protections thermiques". Les calculs s'apparentent à la quadrature du cercle : comment freiner au maximum le véhicule tout en maintenant sa stabilité, sans créer de réchauffement trop important ? Plusieurs trajectoires sont étudiées pour déterminer le meilleur compromis entre les aspects aérodynamiques et thermiques.


"Ces recherches servent également à économiser du carburant lors des explorations planétaires, grâce au phénomène d'aérocapture", précise Jean-Luc Vérant. L'aérocapture consiste à plonger dans l'atmosphère de la planète, afin de bénéficier du freinage par frottement, avant de se positionner sur l'orbite prévue. Elle permet d'économiser 50 % de carburant par rapport au freinage aérodynamique, qui consiste à tourner de nombreuses fois autour de la planète en frottant légèrement les plus hautes couches de l'atmosphère. "Ce serait l'assurance pour l'équipage qu'en cas de problème, il reste suffisamment de carburant pour avoir une marge de manoeuvre".

copyright © CNES MSRO en phase de rentrée martienne
copyright © CNES
MSRO en phase de rentrée martienne

L'aérocapture, qui n'a jamais encore été réalisée, vient d'être récemment étudiée en détail par la Nasa, le Cnes et l'Onera, pour une mise en orbite en douceur autour de la planète Mars dans le cadre du projet Mars Sample Return Orbiter.

Columbia, une réaction en chaîne

La tragédie de Columbia le 1er février 2003 est venue rappeler que la rentrée atmosphérique des navettes spatiales était loin d'être une routine. Les causes de l'accident semblent aujourd'hui connues. Un morceau de mousse isolante du réservoir externe aurait heurté et fragilisé le bord d'attaque de l'aile gauche de la navette au moment du décollage. Lors de la rentrée atmosphérique, le plasma d'air chaud aurait pénétré dans la structure de la navette à cet endroit, créant en cascade une dégradation d'éléments vitaux du véhicule jusqu'à sa désintégration.

 

Cécile Michaut, journaliste scientifique.

  

 

24.09.2003