Combinaison spatiale

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Combinaison spatiale russe Sokol
Combinaison spatiale russe Sokol de Jean-Loup Chrétien
Combinaison spatiale russe de sortie extravéhiculaire Orlan

Une combinaison spatiale est un équipement utilisé pour protéger l'homme lorsqu'il se trouve dans l'espace. L'environnement spatial est caractérisé principalement par un vide presque total et des températures extrêmes. La combinaison spatiale est portée par les astronautes lors des sorties dans l'espace ou à la surface d'autres corps célestes (Lune) mais également à l'intérieur de véhicules spatiaux pour faire face à une dépressurisation accidentelle. Pour permettre la survie de son occupant une combinaison spatiale doit lui fournir de l'oxygène, évacuer le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau expirés et assurer une protection thermique tout en autorisant une mobilité minimale. Généralement à ces fonctions s'ajoutent un système de communications, une protection au moins partielle contre les rayons cosmiques et les micrométéorites et la possibilité pour son occupant d'absorber des liquides. Des progrès importants ont été réalisés depuis la réalisation de la première combinaison spatiale SK-1 portée par Youri Gagarine : les combinaisons spatiales modernes comme l'EMU de la NASA ou la combinaison russe Orlan permettent à leurs occupants de travailler à l'assemblage de la Station spatiale internationale dans le cadre de sorties dépassant 8 heures. Au cours du programme Apollo les astronautes américains ont réalisé des excursions sur le sol lunaire d'une durée équivalente avec leur combinaison spatiale A7L. Les combinaisons spatiales modernes combinent des parties rigides (torse, casque) avec des parties souples. Ces dernières sont constituées de plusieurs couches ayant chacun un rôle dédié : support d'un circuit refroidissement à eau, enceinte étanche, isolation thermique... Les recherches sur les combinaisons spatiales se poursuivent pour améliorer la mobilité du porteur limitée par la combinaison pressurisée malgré la présence de soufflets, réduire l'encombrement et relever le défi des futures missions d'exploration des planètes.

Un environnement spatial hostile[modifier | modifier le code]

L'homme est par de nombreux aspects incapable de survivre dans l'environnement spatial sans équipements spéciaux. Le vide spatial ne lui fournit pas l'oxygène nécessaire à sa survie. Les fluides d'un homme exposé dans le vide gèlent ou s'évaporent presque instantanément entrainant une perte de conscience au bout d'une quinzaine de secondes et un coma irréversible au bout d'une minute. Le Soleil non filtré par l'atmosphère peut le rendre aveugle de manière instantanée. En l'absence d'atmosphère pour brasser le flux thermique du Soleil, la température des parties du corps directement exposés aux rayons de l'astre peut atteindre 150 °C tandis que les parties situées à l'ombre peuvent descendre jusqu'à −120 °C. À l'extérieur de l'atmosphère terrestre, l'homme n'est plus protégé des micrométéorites et des rayons cosmiques.

Les fonctions principales d'une combinaison spatiale[modifier | modifier le code]

Les fonctions principales de la combinaison spatiale sont donc de fournir de l'oxygène, un environnement pressurisé à l'astronaute, de réguler sa température, le taux d'humidité et enfin de résister aux micrométéorites ainsi qu'aux rayonnements solaires (lumière, chaleur, UV) et aux rayons cosmiques. Par ailleurs la combinaison doit permettre à son utilisateur de conserver suffisamment de mobilité pour remplir ses taches. Cette dernière contrainte constitue un des objectifs les plus difficiles à atteindre car une combinaison pressurisée portée dans le vide est rendue rigide par l'absence de pression extérieure.

Contraintes[modifier | modifier le code]

Atmosphère et pression[modifier | modifier le code]

Dans les véhicules spatiaux[modifier | modifier le code]

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 1 atmosphère (1013 hectopascals). Cette pression résulte à hauteur de 79 % de la présence d'azote et de 21 % de la présence d'oxygène. Mais l'homme peut vivre sous une pression beaucoup plus faible comme le prouvent les populations habitant l'altiplano (Amérique du Sud) à près de 4 000 mètres d'altitude. Les vaisseaux des premières missions américaines de l'ère spatiale, dont celles du programme Apollo, se contentaient d'une atmosphère composée uniquement d'oxygène avec une pression réduite à 0,33 atmosphère (pour Apollo). Une atmosphère de ce type permet de réduire la masse du vaisseau car l'épaisseur de la coque pressurisée peut être réduite[Note 1]. Elle permet également de simplifier le système de support de vie par la disparition du circuit d'azote et de faciliter les sorties extra-véhiculaires en réduisant le temps consacré à purger l'organisme de son azote (hyperoxygénation). Mais une atmosphère composée d'oxygène pure constitue pour l'organisme un poison sur le long terme[Note 2]. C'est pour cette raison qu'une atmosphère similaire à celle de la Terre (pression, composition des gaz) est maintenue à bord des stations spatiales (Skylab, Saliout, Mir et Station spatiale internationale) dans lesquels les astronautes effectuent des séjours de longue durée.

Dans le cadre des sorties dans l'espace[modifier | modifier le code]

Il est exclu de maintenir une pression atmosphérique identique à celle de la Terre dans une combinaison spatiale. En effet dans le vide une combinaison sous cette pression est complètement rigide et interdit pratiquement tout mouvement des membres. Par ailleurs l'emport d'azote complique le système de support de vie portable qui doit être le moins encombrant possible. Toutes les combinaisons spatiales, qu'elles soient russes ou américaines, utilisent une atmosphère d'oxygène pure avec une pression nettement inférieure à 1 atmosphère pour permettre une certaine mobilité. Ainsi en ce qui concerne les combinaisons spatiales utilisées pour les sorties dans l'espace depuis la Station spatiale internationale, la pression dans la combinaison EMU américaine est de 0,3 atmosphère (300 hectopascals) alors que la combinaison russe Orlan a une pression de 0,4 atmosphère (400 hectopascals) et est donc théoriquement plus rigide à l'usage. Il résulte de cette caractéristique et d'une approche différente des risques d'accident de décompression un temps de préparation avant les sorties extra-véhiculaires très différents : un cosmonaute russe se prépare en respirant durant une demi-heure de l'oxygène sous une pression identique à celle de sa combinaison spatiale ce qui correspond pratiquement au délai nécessaire pour enfiler sa tenue ; un astronaute utilisant l'EMU doit par contre se préparer en respirant durant 4 heures l'oxygène sous pression réduite[1].

Mobilité[modifier | modifier le code]

Les premières sorties dans l'espace dans les années 1960 ont mis en évidence que la combinaison pressurisée limitait fortement à la fois la mobilité des membres et la dextérité manuelle. Du fait de la rigidité de la combinaison pressurisée réaliser des mouvements très simples entrainait une importante dépense d'énergie qui épuisait rapidement un homme même en très bonne condition physique. Ainsi au cours des sorties extra-véhiculaires du programme Gemini la combinaison spatiale à usage mixte (intra-véhiculaire et extra-véhiculaire) utilisée maintenait par défaut les membres de l'astronaute dans une position assise correspondant à son utilisation à l'intérieur du vaisseau. L'astronaute devait faire un effort important et constant pour modifier la position de son bras, et était dans l'incapacité d'effectuer des taches longues nécessitant de lever un bras au-dessus du niveau de l'épaule ou de l'abaisser au-dessous de sa taille[2].

Les types de combinaison[modifier | modifier le code]

Il existe trois types de combinaison spatiale[3] :

Les combinaisons optimisées pour les activités intra-véhiculaires.

Il s'agit du premier type de combinaison spatiale développé au début de l'ère spatiale lorsque aucun activité spatiale extravéhiculaire n'était incluse dans les missions. Leur objectif est de protéger le membre de l'équipage du vaisseau spatial d'une décompression accidentelle ou d'une contamination de l'atmosphère de la cabine par un produit toxique. Elle doit permettre une évacuation dans l'urgence du vaisseau et la survie une fois la cabine évacuée. Elle est portée en particulier durant le lancement jusqu'à la mise en orbite ainsi que durant la rentrée atmosphérique du vaisseau. Compte tenu de ces objectifs, elle doit être légère et peu encombrante. Enfin le confort de la combinaison est très important notamment l'absence de parties rigides, car l'astronaute subit des accélérations importantes (jusqu'à 20 g si le déroulement du lancement ou de la rentrée se passent mal) et le vaisseau est soumis à d'importantes vibrations. Ces combinaisons incluent notamment une réserve d'oxygène, un système de refroidissement avec circuit liquide, un système de communications, une bouée permettant à l'astronaute de flotter en cas d'amerrissage, des équipements de survie (lampe flash, fusée de détresse, ...) et éventuellement un parachute ou au moins un système permettant d'en accrocher un. La combinaison spatiale russe Sokol utilisée à bord des vaisseaux Soyouz et l'ACES portée par l'équipage de la Navette spatiale américaine sont les représentants les plus récents de ce type de combinaison spatiale.

Les combinaisons spatiales dédiées aux activités extra-véhiculaires

Les combinaisons spatiales dédiées aux activités extra-véhiculaires sont utilisées exclusivement durant les sorties dans l'espace ou sur la Lune ou à terme sur d'autres corps planétaires. Leurs caractéristiques peuvent varier en fonction de la mission précise que l'astronaute doit remplir mais elles comprennent toutes un système de protection thermique efficace contre des températures pouvant aller de -157 °C à +121 °C, une protection contre les rayons cosmiques et les micrométéorites, un éclairage, des points d'accrochage pour les outils. Ce type de combinaison doit permettre à l'astronaute de conserver une grande mobilité sans devoir exercer en permanence des forces trop importantes. Dans la Station spatiale internationale, russes (combinaison Orlan) comme américains (EMU) utilisent ce type de combinaison spatiale qui comprend un torse rigide et au niveau des articulations des joints avec roulements à bille qui accroissent la mobilité du porteur. Le poids de ces combinaisons comme la présence de nombreux points de contact durs interdisent l'utilisation de ce type de combinaison durant les phases de lancement ou de rentrée atmosphérique. Ce type de combinaison est apparu relativement tardivement : en 1971 pour les Russes (Orlan D) et en 1983 pour les Américains (EMU)

Les combinaisons spatiales mixtes adaptées à la fois aux activités intra-véhiculaires et extra-véhiculaires.

Les combinaisons adaptées aux deux usages ont été utilisées au début de l'ère spatiale pour faire face aux contraintes d'encombrement et de masse qui ne permettaient pas l'emport de deux combinaisons pour un même membre d'équipage. Les combinaisons spatiales A7L du programme Apollo sont de ce type. Elles présentent l'inconvénient d'être inconfortables pour les astronautes durant les phases d'accélération et constituent un handicap par leur encombrement et leur poids en cas d'évacuation d'urgence du vaisseau spatial. Pour les raisons énoncées, ce type de combinaison spatiale n'est plus utilisé depuis les années 1970 par les Russes comme par les Américains. Toutefois dans le cadre de futures missions vers la Lune ou Mars, le recours à ce type de combinaison spatiale pourrait revenir à l'ordre du jour pour répondre aux capacités d'emport limitées des vaisseaux spatiaux utilisés.

Les différents composants d'une combinaison spatiale[modifier | modifier le code]

Afin de préserver l'intégrité physique de l'astronaute durant une activité extra-véhiculaire (souvent abrégée en EVA, sigle pour « Extra-Vehicular Activity »), la combinaison spatiale doit fournir :

  • une pression interne stable (actuellement de 0,29 atmosphère), cet air n'est renouvelé que par du dioxygène pur, pour assurer une respiration normale à une si faible pression (qui correspond à celle du sommet de l'Everest)
  • une réserve d'eau, d'oxygène et un épurateur de gaz ;
  • un moyen d'approvisionnement et d'évacuation des gaz et liquides, y compris des urines ;
  • un système de régulation de la température, qui oscille entre −100 °C à +120 °C (une bonne isolation et un système de refroidissement par circulation d'eau dans des petits tubes incorporés au sous-vêtement LCVG) ;
  • une protection contre les radiations électromagnétiques ;
  • une protection contre les micrométéorites grâce à des matériaux résistants (Kevlar...) ;
  • un système de communication UHF par lequel passent également la télémétrie et l'EEG ;
  • la mobilité et l'autonomie de l'astronaute lors des EVA ;
  • des connexions additionnelles (embouts, interfaces, etc).

Historique[modifier | modifier le code]

Au temps de l'aviation[modifier | modifier le code]

Avec le développement des techniques de l'aviation au début du XXe siècle, les aviateurs sont amenés à voler de plus en plus haut. En gagnant en altitude les pilotes d'avion sont confrontés à deux obstacles :

  • l'oxygène se raréfie : la pression de l'air (et donc la pression partielle de l'oxygène) diminue de moitié à chaque fois qu'on s'élève de 5,5 km. À partir de 3 km d'altitude le pilote risque l'hypoxie qui entraine la perte de conscience dans un délai qui dépend de chaque individu.
  • la température chute d'environ 5 °C à chaque fois qu'on s'élève d'un kilomètre

Pour s'affranchir de ces contraintes, on met au point durant la Première Guerre mondiale les premiers masques à oxygène et les pilotes sont équipés de vêtements épais destinés à combattre le froid. Dans les années 1920 les pilotes, qui tentent d'établir de nouveaux records, utilisent les premières combinaisons de vol comportant des masques à oxygène et protections thermiques intégrés. Mais lorsque l'altitude dépasse 10 km les masques à oxygène ne permettent plus de fournir suffisamment d'oxygène aux poumons. Dès cette époque les combinaisons entièrement pressurisées sont mises à l'étude. Toutefois leur mise au point sera longue. La première combinaison de ce type, ne permettant aucune mobilité, est la Tch-1 réalisée par l'ingénieur soviétique E.E. Tchertovski en 1931 pour des tentatives de record d'altitude en ballon. À peu près à la même époque une combinaison pressurisée est mise au point en Angleterre par le professeur John Scott Haldane et le spécialiste des scaphandres de plongée sous-marine Robert H. Davis : elle est utilisée par le pilote militaire anglais R.F.D. Swain pour établir un nouveau record d'altitude (15,4 km) en 1936. Aux États-Unis le pilote Wiley Post tente en 1934 d'établir de nouveaux records de vitesse de traversée de son pays de la côte Ouest à la côte Est en utilisant les courants-jets qui circulent à très haute altitude. À cet effet il porte une combinaison étanche pressurisée et réchauffée par les gaz sortant du moteur de son avion[4]

Les recherches[modifier | modifier le code]

Les combinaisons spatiales développées[modifier | modifier le code]

Les combinaisons spatiales américaines[modifier | modifier le code]

Edwin Aldrin avec une A7L sur la Lune lors d'Apollo 11.

Les combinaisons spatiales A7L du programme Apollo sont les plus complexes à avoir été utilisées jusqu'à présent. Construites sur mesure par les entreprises américaines ILC Dover et Hamilton Sundstrand et utilisées entre 1968 et 1975, elles pèsent 72 kg mais l'attraction lunaire étant six fois moins forte que la gravité terrestre, les astronautes avaient l'impression de porter à peine 14 kg. L'autonomie maximale pour les astronautes est de h 30 (moins h de marge de sécurité, permettant des EVA nominales de h 30), correspondant aux réserves d'oxygène, d'énergie électrique et d'eau pour le refroidissement. Limite de températures opérationnelle entre -179 °C et 149 °C [5]. Pression opérationnelle: 0,26 atmosphère[6].

Les combinaisons spatiales soviétiques et russes[modifier | modifier le code]

La combinaison SK-1 est la première combinaison spatiale soviétique. Elle est utilisée dans le cadre du programme Vostok (1961–1963) en particulier par Youri Gagarine, premier homme à être allé dans cet espace. Cette combinaison spatiale intra-véhiculaire pressurisée est utilisée au lancement et à l'atterrissage. Lors du retour sur Terre le cosmonaute s'éjecte du vaisseau à haute altitude et atterrit en parachute. La combinaison est conçue pour lui permettre de survivre à un amerrissage. Elle a une masse d'un vingtaine de kilogrammes. Alexei Leonov effectue le 18 mars 1965 dans le cadre de la mission Voskhod 2 la première sortie extra-véhiculaire dans l'espace de tous les temps équipé d'une combinaison Berkut. Celle-ci est la première combinaison spatiale mixte (intra-véhiculaire/extra-véhiculaire). La combinaison pressurisée avec deux réglages (0,27 et 0,4 atmosphère) a une masse de 20 kg. Un paquetage dorsal d'une vingtaine de kilogrammes comprend une réserve d'oxygène de 45 minutes. La combinaison spatiale Yastreb est développée en même temps que le vaisseau Soyouz pour les sorties extra-véhiculaires. Un système de cordes et de poulies est utilisé pour pallier les problèmes de mobilité rencontrés par Leonov. Elle n'est utilisée qu'une seule fois durant le vol conjoint de Soyouz 4 et Soyouz 5 au cours duquel les équipages ont échangé leur véhicules. Durant une longue période, s'étendant de 1963 jusqu'à l'accident de Soyouz 11, les cosmonautes soviétiques ne portent plus de combinaisons spatiales pour des raisons d'encombrement. La mort de l'équipage de Soyouz 11 à la suite d'une dépressurisation accidentelle de la cabine remet en cause ce choix. La combinaison spatiale intra-véhiculaire Sokol est utilisée pour la première fois dans le cadre du vol Soyouz 12 le 27 septembre 1973 dans sa version K. Plusieurs versions sont développées par la suite. La version actuelle, Sokol-KV2, a une masse de 10 kg et est pressurisée avec une pression de 0,4 atmosphère. L’approvisionnement en oxygène s'effectue par un tuyau ombilical. La combinaison Strizh est développée pour l'équipage de la navette spatiale Bourane. Cette combinaison spatiale intra-véhiculaire permet aux cosmonautes en cas de défaillance de la navette de s'éjecter jusqu'à une altitude de 30 km. Son fonctionnement a été testé à plusieurs reprises dans le cadre de vols non habités mais elle n'a été utilisée qu'une seule fois au cours de l'unique vol de la navette Bourane en 1988. L'Union soviétique développe à la fin des années 1960 dans le cadre de son programme de mission vers la Lune la combinaison spatiale extra-véhiculaire Orlan pour permettre des sorties à la surface lunaire. Aucune tenue du modèle relativement léger (59 kg) développé ne sera utilisée mais une nouvelle version (D) de cette combinaison spatiale est portée pour la première sortie extra-véhiculaire effectuée par l'équipage de la station spatiale Saliout 6 en décembre 1977. Plusieurs modèles se succèdent : D (utilisée à bord de Saliout 6 et 7 entre 1977 et 1984), DM (Saliout 7 et Mir entre 1985 et 1988), DMA (Mir entre 1988 et 1997), M (Mir et Station spatiale internationale entre 1999 et 2009) et enfin MK depuis 2009. Tous ces modèles sont pressurisés à 0,4 atmosphères. Leur poids est passé progressivement de 73,5 kg (Modèle D) à 120 kg et l'autonomie de 5 heures à 7 heures.

Les combinaisons spatiales chinoises[modifier | modifier le code]

Les combinaisons spatiales européennes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. particulièrement cruciale pour les premiers vaisseaux américains qui ne bénéficiaient pas de lanceurs puissants ainsi que pour le module lunaire Apollo qui dut combattre des problèmes de surpoids
  2. Le risque d'incendie est également beaucoup plus élevé comme l'a démontré l'accident d'Apollo 1.

Références[modifier | modifier le code]

  1. US Spacesuits, p. 15-18
  2. US Spacesuits, p. 93
  3. US Spacesuits, p. 11-15
  4. US Spacesuits, p. 3-10
  5. entre -290°F et +300°F, Operations Handbook Extra Vehicular Mobility Unit de la NASA, réédité par Periscope Film LLC en 2012, section 2-3
  6. 3.75 psi, Operations Handbook Extra Vehicular Mobility Unit de la NASA, réédité par Periscope Film LLC en 2012, section 2-3

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Kenneth S. Thomas, Harold J. Mc Mann, U.S. Spacesuits, Springer Praxis,‎ 2006 (ISBN 978-1-4419-9565-0)
  • (en) Nicholas de Monchaux, Spacesuit fashionning Apollo, MIT Press,‎ 2011 (ISBN 978-0-262-01520-2)
  • Jean-François Pellerinl, Guide des combinaisons spatiales et du vol habité, Tessier & Ashpool,‎ 2006 (ISBN 2-909467-09-09[à vérifier : isbn invalide])

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]