Conquête spatiale : la navette américaine

Le développement de ce sujet me parait intéressant. Après les marches sur la lune, les américains vainqueurs des soviétiques, se posèrent le difficile problème de la suite à donner à la recherche spatiale. Dès 1968 le congrès fit des coupes dans le budget de la NASA, l'intervention au Vietnam (jusqu'à 500 000 militaires) coûtant fort cher. Il devient évident que le programme Apollo allait être touché. Après Apollo 17 dernière marche (décembre 1972) la NASA décida d'un véhicule réutilisable emportant en orbite basse une charge de 120 tonnes et revenant par ses propes moyens.
La navette était née ! L'administration Nixon accorda les crédits et il fut décidé que celle-ci fera son premier vol en 1977.
A suivre...

Les boosters à poudre dit SRB


Il se compose de 4 segments assemblés par des anneaux, auxquels on ajoute la coiffe électronique et la [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]tuyère orientable.


Le propulseur contient 450 tonnes d'un mélange combustible vivace.


16 % poudre d'aluminium pulvérulente (Carburant)


69,6 % perchlorate d'ammonium (Comburant)


0,4 % poudre d'oxyde de fer (Catalyseur)


12 % Polybutadiene Acrylonitride (Liant)


2 % durcisseur Epoxy


Le produit final a la consistance d'une gomme dure ; il est structuré de façon à avoir une géométrie du canal intérieur complexe destinée à réguler la combustion suivant la courbe de puissance désirée. La puissance au décollage est sur les dernières navettes de 1450 tonnes chaque SRB.


Les SRB sont accrochés au réservoir externe. Après 2 minutes et 46 secondes ils se décrochent ayant brulés toute la poudre.



 

Donc nous avons une navette qui décolle avec 3 SSME (180x3=540 t) + 2 SRB (1450x2=2900 t) soit 3440 tonnes.

Moteur SSME (notez la taille)

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Caractéristiques du moteur SSME


Altitude de conception = 18 300 m


[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]Nombre de Mach de la tuyère = 5,05 (calculé)


Surface du col = 600 cm²


Surface de la tuyère = 4,6698 m²


Pression dans la chambre = 189,4 bar à 100 % de puissance


Pression de sortie = 72,3 bar (calculée)


Durée de fonctionnement = 520 secondes


Dans le vide = 452,5 secondes


Poussée unitaire dans le vide = 2,2265 MN (tonnes) à 104,5 % de la poussée de conception

Merci scuderia57. C'est une machine d'une technologie extraordinaire. La plus complexe envoyée dans l'espace. Les chiffres sont incroyables !

Je vais continuer !

Voici donc cette machine sur le Pad (pas de tir) prête à décoller. notez le gigantisme des boosters (SRB). Navette Atlantis.

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Maintenant le décollage d'une navette avec 7 personnes à bord. 8 minutes 30 secondes extraordinaires.
Texte repris car très technique.

LA NAVETTE SPATIALE : DU DÉCOLLAGE A LA MISE EN ORBITE


Par Serge Chevrel, Association Apollo25


La navette constitue depuis le début des années 80 le moyen de transport spatial des américains. Présentée lors de sa conception comme un moyen idéal de transport, la navette n'a pas rempli toutes les espérances. En particulier, même si elle fournit un accès relativement régulier à l'espace, ce dernier reste encore d'un coût élevé. Mais la navette spatiale est un engin impressionnant, qui force l'admiration à la fois par sa complexité et sa beauté, notamment lorsqu'elle prend son envol pour l'espace. Le but de cet article est de donner quelques éléments d'information sur la phase du décollage, jusqu'à l'arrivée en orbite. Une "randonnée" de 8 mn 30 s que ne doit pas être prêt d'oublier tout astronaute qui se trouve à son bord... 


T - 9 mn: "Go for the launch !" ("Bon pour le départ"). Le compte à rebours vient de reprendre après un arrêt normal de 10 minutes dans la chronologie du lancement. Tout est "OK" et le départ est imminent. Cela fait plus de 2 heures que les 6 membres de l'équipage sont installés à bord de la navette (1). Quatre d'entre eux se trouvent dans le cockpit proprement dit ou "flight deck". Il s'agit du commandant de bord (CDR), sur le siège de gauche, du pilote, sur le siège de droite et du spécialiste de mission (MS) numéro 2 et d'un spécialiste de charge utile (PS) (2), sur des sièges situés au milieu et en arrière de ceux du comandant et du pilote. Les deux autres astronautes, un spécialiste de mission et un spécialiste de charge utile, se trouvent dans le compartiment inférieur de l'habitacle (le "mid-deck", sous le "flight deck). Cette partie inférieure ne comporte pas de hublots et les astronautes qui s'y trouvent ne voient donc rien pendant le décollage. 

Suite...

T -7 mn : Le bras d'accès à la navette se rétracte. Il y a une heure que l'écoutille de la navette a été verrouillée et 25 mn que le personnel de la "White Room" (3) a quitté le pas de tir pour se mettre dans la zone de sécurité situé à quelques kilomètres de là. Les astronautes, solidement sanglés sur leurs sièges, participent pour certains, et écoutent pour d'autres, la longue liste technique de tous les derniers préparatifs pour le lancement. Les sièges ne sont pas très confortables. Ils sont formés de deux pièces d'acier plat recouvertes d'un coussin peu épais... Ce design un peu particulier est fait pour supporter les forces auxquelles seront soumises les astronautes en cours de vol et en cas d'atterrissage un peu brusque (un "crash landing"). 

T -3 mn 30 s: "Internal power". Cela veut dire que la navette fonctionne à partir de maintenant sur ses propres réserves énergétiques (batteries électriques), l'alimentation venant de l'extérieur étant coupée. 

T -31 s: Les ordinateurs au sol laissent la main aux ordinateurs de bord de la navette. La séquence de lancement ("launch sequence") commence, dictée par la navette elle même, qui est maintenant autonome. Si un problème survenait obligeant à interrompre le compte à rebours, celui ci devrait reprendre à T – 20.

Suite...

T -15 s: Au niveau du pas de tir, tout est relativement calme. On voit cependant se produire de temps en temps des éclairs à la base de la navette. Pour quelqu'un de non averti, cela pourrait paraître inquiétant. Mais cela est tout à fait normal. Il s'agit simplement d'une série de brûleurs, disposés tout autour, et en dessous des tuyères des moteurs principaux, qui ont pour rôle de brûler l'hydrogène qui s'échappe des réservoirs, avant que ce dernier ne s'accumule en trop grande quantité sous la navette. Le risque est en effet qu'en se mélangeant avec l'air, il se produise une explosion spontanée susceptible d'endommager l'engin spatial. 

T -6.5 s : Les ordinateurs commandent l'allumage, à 0.012 s d'intervalle, de chacun des trois moteurs principaux (SSME) de la navette. Ils sont mis en action en premier, 6.5 s avant les boosters à poudre (SRB) car contrairement à ces derniers, ils peuvent être stoppés si besoin était. Le délai avant l'allumage des boosters est utilisé pour tester très en détail les moteurs SSME. Cinquante fois par seconde, un ordinateur pour chaque moteur examine une trentaine de paramètres critiques (pressions et flux des carburants, température, vibrations, puissance, etc.). Si, à T -3 s, les trois moteurs ont atteint 90% de leur puissance, et si à T = 0 s, tous les paramètres sont dans les limites tolérées, alors les ordinateurs de la navette envoient les ordres des commandes pyrotechniques pour l'allumage des SRB et libérer la navette du pas de tir. A T -3 s, un "timer" réglé à 2.64 s est justement mis en route pour procéder à l'allumage des SRB. Par 5 fois dans l'histoire des vols navette, les tests de contrôle ont révélé une défaillance nécessitant l'arrêt des moteurs pendant le délai de 6.5 s et le tir a donc été avorté ("abort" en anglais). Heureusement, il s'agissait à chaque fois de problèmes relativement mineurs qui n'ont pas mis en danger les équipages sur le pas de tir (aucun n'a nécessité l'abandon du vaisseau en urgence). L'un de ces abandons eut lieu lors du vol Challenger STS-51F le 12 Juillet 1985, 3 secondes avant la mise à feu des boosters. Un autre eut lieu le 30 septembre 1994 à seulement 1.9 s après l'allumage lors du vol Endeavour STS-68. 

didipat17 a écrit:Beau thème. Très intéressant même pour un  non connaisseur comme moi.

Merci à toi. Je continue jusqu'à la satellisation de la navette. C'est bien sûr très technique et peu connu du grand public, mais on se rend compte de la complexité d'un tel envol. Ensuite je développerai très peu les 135 vols de ce monstre en 30 années. Je reviendrai seulement sur les 2 accidents qui marquèrent durablement la NASA. Le 28 janvier 1986 la disparition de Challenger 73 secondes après l'envol et le 1er février 2003, la désintégration de Columbia lors de sa rentrée dans l'atmosphère.

Suite décollage...

Lorsqu'on regarde pour la première fois une navette au moment de l'allumage des SSME, on a généralement un instant de frayeur... L'ensemble se met à pencher du coté du gros réservoir externe (ET), comme si tout allait tomber à la renverse... La déviation de la verticale n'est pas négligeable puisqu'elle atteint 50 cm au sommet du réservoir. Ce comportement, qui est tout à fait normal, s'appelle le "ET-twang". Il s'agit d'une réaction à l'impulsion des moteurs qui montent en puissance, l'ensemble du véhicule spatial (au total 2000 T) étant toujours maintenu fermement sur le pas de tir. Le délai de 6.5 s avant l'allumage des SRB est aussi utilisé pour attendre que l'ensemble soit revenu en position verticale stable. C'est à cette condition que les boosters seront mis à feu. 

Chaque booster est constitué d'un bloc de poudre, dont la combustion une fois entamée ne peut être stoppée par aucun dispositif, ni à l'intérieur du booster lui même, ni au niveau de la tuyère située à sa base. Une fois l'allumage effectué, c'est parti pour 2mn10s de combustion ininterrompue... et cela, quoi qu'il arrive... On comprend pourquoi on prend beaucoup de précautions avant l'allumage de ces deux gros pétards. On arrive tout de même à les contrôler et même à obtenir une poussée variable lors de leur fonctionnement. En effet, dans le cylindre formant le booster, la poudre (perchlorate d'ammonium: 70% en pourcentage poids, aluminium: 16%, oxyde de fer: 0.4%; polymère qui maintient le tout: 13%) est moulée en laissant une cavité centrale vide. La forme de cette cavité contrôle l'aire de la surface brûlée et donc la poussée. Cette forme, qui à la base du booster, est celle d'une étoile à cinq branches, fait place plus haut à un cercle (surface plus réduite que celle de l'étoile), permettant ainsi de diminuer la poussée. C'est ainsi que cette dernière est par exemple réduite au bout de 50 s de vol (voir plus loin). 

Une photo du réservoir externe les 1700 tonnes de carburants que les moteurs SSME brûlent en 8 minutes 30 secondes. Voyez les proportions.

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Suite décollage...

MAX Q


T + 30 s : L'accélération de la navette n'a cessé d'augmenter depuis l'instant du décollage et sa vitesse approche maintenant Mach 1. Elle va même trop vite ! La pression aérodynamique qui s'exerce sur sa structure devient trop forte. Les risques de dommages sur les ailes ou autres parties de l'engin ne sont pas négligeables, et une réduction de la poussée s'impose donc. Le pilote automatique réduit la poussée des trois moteurs SSME de 100% à 65%. C'est ce qu'on appelle le "throttle down" (réduction de la poussée). La poussée des SRB se trouvera également réduite quelques instants plus tard (voir plus haut). 

T + 40 s : La vitesse est de Mach 1. A ce moment, la pression dynamique est maximale, les vibrations et le bruit sont à leur maximum d'intensité à l'intérieur du vaisseau. 

T + 60 s: La navette arrive dans des zones d'air plus raréfié, et les vibrations et le bruit commencent à diminuer un peu. Le régime des trois moteurs SSME est à nouveau amené à pleine puissance ("throttle up"). 

Les astronautes vivent cette partie du vol, jusqu'à l'extinction des boosters, non pas avec angoisse, mais avec une certaine appréhension. Les boosters ont toujours été considérés par les ingénieurs comme le point faible du système navette et la cause la plus probable de problèmes graves. L'accident de Challenger en 1986 a malheureusement confirmé ce jugement. Qu'arriverait-il, si pour une raison ou une autre, les boosters (et donc aussi le réservoir externe) devaient être largués à ce stade du vol ? Théoriquement, la navette pourrait revenir se poser en planant sur une piste proche de son point de départ. Cependant, la plupart des ingénieurs pense que le vaisseau serait en fait incontrôlable et que cela conduirait certainement à un crash avec la perte de l'équipage. Bien que la procédure soit prévue, une séparation prématurée ("fast sep abort"), n'est officiellement pas considérée par la NASA comme un "intact abort" pour employer son propre jargon. De toute façon, vu leur nature, un problème rencontré au niveau des boosters serait forcément grave, avec un fort risque d'explosion qui ne laisserait vraisemblablement pas le temps à l'équipage de réagir pour réaliser la séparation (un bouton de séparation manuelle de l'ET existe dans le cockpit, situé entre le commandant de bord et le pilote).

Suite du décollage

S'il n'y a pratiquement pas de parade face à un problème grave sur un booster, de nombreuses procédures de retour en urgence (en anglais des "launch aborts") sont prévues en cas de problème sur un des trois moteurs principaux (SSME) durant la phase d'ascension, ou tout autre problème comme une dépressurisation de l'habitacle, etc. Pendant toute la phase de l'ascension, le souci majeur de l'équipage (surtout du commandant) est de se tenir prêt pour un abandon ("abort") et exécuter un retour en catastrophe. Il existe de nombreuses procédures d'abandon selon la gravité du problème et le moment du vol ou se dernier se produit. Réagir très vite pour activer la bonne procédure occupe une grande partie du temps d'entrainement de l'équipage. Aucune de ces procédures de retour en urgence n'a été jusqu'à présent utilisée lors des vols navette. Jusqu'à 2 mn de vol, si l'on admet qu'un des SSME cesse de fonctionner, un retour peut être tenté à Cap Kennedy. Il s'agit dans ce cas d'un "RTLS abort" (Return To Launch Site). Mais aucun commandant de bord n'aimerait vivre une telle situation en raison des risques très importants qu'elle comporte. En effet, la manoeuvre serait plutôt délicate à exécuter. Une fois les boosters largués (le réservoir externe reste attaché au vaisseau, sinon les deux moteurs restants ne seraient plus alimentés en carburant), la navette devrait, sur sa lancée, se positionner moteurs dans le sens de la marche et le nez vers la Floride pour annuler sa vitesse. Arrivée à environ 65 km d'altitude au dessus de l'océan Atlantique, elle commencerait à descendre comme une brique qui pèserait 450 Tonnes ! Les moteurs fourniraient alors une légère accélération vers l'ouest, en direction de Kennedy. Une fois le réservoir largué, la navette commencerait sa descente planée vers la piste... Facile à dire, mais difficile à réaliser... Notons que cette procédure de "RTLS abort" ne vaut que si un seul moteur est en panne. Si deux moteurs se trouvaient hors d'état de fonctionner, l'équipage pourrait tenter un retour, mais les chances de réussite seraient minimes et il en résulterait malheureusement la perte du vaisseau et de son équipage. 

Suite décollage !

T + 1 mn 30 s: "Discovery, Houston, performance... nominal". Par cet appel Houston signale que les boosters se comportent de façon normale. En effet, les boosters sont des engins capricieux, qui d'un vol à l'autre, ont des performances légèrement variables. Cela dépend de la façon dont le mélange de la poudre a été fait en usine, mais aussi de facteurs extérieurs comme la température ambiante, etc. Chaque série de booster se comporte donc différemment et un vol peut hériter d'une série de "hot boosters" (des boosters "chauds"), qui donnent une poussée plus importante que celle nominalement prévue, tandis qu'un autre vol peut hériter d'une série de "cold boosters"( des boosters "froids") qui donnent une poussée un peu plus faible que celle escomptée... 
Régulièrement, au cours de leur combustion, le centre de contrôle informe les astronautes sur l'état et les performances des SRB. Cette information est importante car elle a une incidence sur les procédures d'urgence à utiliser en cas d'abandon de la mission ("launch abort"). 

T + 2 mn: Vu de l'intérieur du cockpit, la rotondité de la Terre apparait dans sa splendeur et le ciel s'est assombri très rapidement. Il est maintenant noir. Mais le commandant et le pilote n'ont guère le temps de contempler les étoiles car la séparation des deux boosters est proche... Ils voient en effet sur le tableau de bord que la pression dans la chambre de combustion des deux SRB est soudainement devenue très faible et que ces derniers sont donc sur le point de cesser de fonctionner. 

@Admin : Merci. C'est un sujet ou il fallait faire connaitre quelques détails, surtout pout le départ et la montée sur l'orbite. C'est une machine très complexe et surtout fragile, tant au départ que lors de la rentrée dans l'atmosphère. Il u eu 135 tirs en 30 années. Malheureusement 2 échecs qui ont entraînés la disparition de 14 astronautes. Je reviendrais en détails sur les causes de ces accidents. En tout cas je continue !

Suite décollage !

T + 2 mn 11 s: Les astronautes entendent un "bang" qui leur donnerait des frissons s'ils ne savaient qu'il s'agit des boulons explosifs chargés de séparer les boosters (SRB) du réservoir externe qui viennent d'entrer en action. Aussitôt, les fortes vibrations et le bruit cessent. A travers les hublots, les astronautes perçoivent un éclair venant de l'extérieur. Ce dernier correspond à la mise à feu des petites fusées situées sur le nez et la queue de chacun des boosters, et qui sont destinées à les éloigner de la navette. En effet, bien que les boosters cessent brusquement de fonctionner par manque de combustible, ils continuent sur leur lancée et risquent de percuter la navette. Ils sont donc écartés de sa trajectoire.
Depuis le décollage, l'accélération est graduellement passée de 1.6 g à 2.5 g. Au moment de l'éjection des boosters, elle descend subitement à 0.9 g, pour augmenter à nouveau graduellement.
En fin de combustion, les SRB ont consommé près de 1000 T de poudre, la vitesse est de l'ordre de 1800 km/h, et l'altitude est de 44 km. Sur leur lancée, ils continuent à monter jusqu'à une altitude de 65 km avant de retomber dans l'océan Atlantique à environ 270 km du pas de tir, ou ils seront récupérés et réutilisés pour prochain vol (leur poids à vide est de 87 T). 

Une petite parenthèse en annexe de la Navette.

Vendredi la NASA a lancé la capsule ORION propulsée par la fusée Delta IV. C'est la première fois depuis 1972 (Apollo 17) qu'un engin sort de l'attraction terrestre. Le train Orion est monté à 5800 km de la terre lors de la seconde révolution. Ensuite la capsule est revenue sur terre (en mer).
Tout à été nominal et le but a été atteint. Valider la rentrée dans l'atmosphère à 38 000 km/h où la température du bouclier atteint environ 2000 degrés. Orion mesure 5,03 [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] de diamètre et la partie habitée a une longueur de 3,3 m. L'ensemble Orion a une masse de 21,3 tonnes dont 8,9 tonnes pour le module de commande, 3,4 tonnes pour le module de service et 7,9 tonnes pour le carburant. Le vaisseau peut être réutilisé une dizaine de fois.Maintenant il faudra attendre 2017 voir 2018 pour un lancement autour de la lune avec 4 astronautes par le lanceur SLS plus puissant que la fusée lunaire Saturne 5, avec 4200 tonnes au décollage pour un poids de 3000 tonnes, 121 m de haut et 8.5 m de diamètre.

SLS en essai.

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