Soyouz - Définition

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Déroulement d'une mission Soyouz

Entrainement à la cité des étoiles

Le vaisseau Soyouz est lancé exclusivement par la fusée Soyouz depuis Baïkonour, au Kazakhstan. Le retour des Soyouz se fait dans les plaines du Kazakhstan.

Entrainement de l'équipage

Stage de survie

Les équipages sont entrainés à l'utilisation du vaisseau par le biais de simulateurs et sont préparés physiquement pour faire face aux accélérations mais également pour pouvoir survivre si l'atterrissage ne s'effectue pas dans la zone prévue. L'accent est mis sur la cohésion de l'équipage. Le centre d'entrainement principal se situe à la Cité des Étoiles près de Moscou, où on trouve des simulateurs de vaisseau Soyouz permettant de répéter les procédures, simuler les situations d'urgence et les manœuvres de rendez vous avec la station spatiale. Pour le programme de la station spatiale internationale, deux simulateurs Soyouz ont été fournis au centre d'entrainement des équipages de la NASA à Houston. La forme physique des cosmonautes est maintenue, entre autres, grâce à des séances de sport en salle dans un gymnase. Des séances dans une centrifugeuse, qui permet d'atteindre 20 g, préparent aux phases d'accélération qui normalement ne dépassent pas 4 g. Traditionnellement les cosmonautes russes pratiquent de manière intensive le parachutisme en vol libre et à basse altitude et beaucoup ont plus de 500 sauts à leur actif. Les cosmonautes se préparent aussi à l'apesanteur grâce à des vols paraboliques à bord d'un IL-76 qui simulent l'absence de pesanteur durant des périodes de 25 à 30 secondes.

L'entrainement comprend des stages de survie dans des environnements variés. La crise économique a restreint les déplacements réalisés pour mener ces stages qui auparavant comprenaient un séjour dans les contrées écartées de l'Arctique russe. L'équipage est entrainé à survivre à un amerrissage en Mer Noire, dans un désert, dans une région froide, en région montagneuse et dans des zones marécageuses. L'équipage doit parvenir à se maintenir en vie durant 24 heures en utilisant le matériel disponible dans le module de descente.

Construction et assemblage du vaisseau et de son lanceur

Le vaisseau Soyouz et le troisième étage au premier plan sont assemblés aux 1er et 2ème étages

Le vaisseau spatial Soyouz et le lanceur sont construits dans des établissements industriels situés en Russie mais ils sont assemblés dans les installations de la base de lancement de Baïkonour situé depuis l'éclatement de l'Union Soviétique au Kazakhstan. Baïkonour est, depuis le premier vol du vaisseau Soyouz, le seul cosmodrome équipé pour le lancer : il dispose à cet effet de deux pas de tir. Le premier et le deuxième étage du lanceur, qui sont les plus volumineux du lanceur, sont convoyés par rail depuis l'usine Progress de RKK Energia située dans la ville de Samara au sud-est de la Russie ; ils sont assemblés dans le bâtiment MIK-2B du site 2. Le vaisseau Soyouz est construit par la même entreprise dans un établissement situé dans la ville de Koroliov (ancienne Kaliningrad avant 1996) non loin de Moscou. Le vaisseau spatial est préparé pour le vol dans un bâtiment distinct (MIK OK zone 254) de celui affecté au lanceur. Des tests y sont notamment menés dans une chambre anéchoïque pour vérifier le fonctionnement de ses systèmes de télécommunications et de rendez-vous automatique. Environ deux semaines avant le lancement, l'équipage effectue un séjour à Baïkonour pour se familiariser avec le véritable vaisseau avant de retourner s'entrainer à Moscou sur les simulateurs et les maquettes : à cette occasion les cosmonautes pénètrent dans le vaisseau et vérifie les équipements installés. Le vaisseau reçoit ensuite le plein de carburant et de gaz sur un autre site puis est ramené dans le bâtiment initial pour recevoir la coiffe qui doit lui donner un profil aérodynamique et le protéger durant la première phase de vol. Il est ensuite assemblé avec le troisième étage du lanceur (Bloc I). L'ensemble est transporté dans le bâtiment MIK-2B où les deux premiers étages du lanceur ont été préparés et est assemblé avec ceux-ci à l'horizontale. La fusée et le vaisseau sont ensuite placés sur un wagon plat doté d'un système érecteur qui est tiré par une locomotive jusqu'à l'aire de lancement. Arrivé sur le pas de tir, le système érecteur place à la verticale le lanceur qui est alors immobilisé par les bras du système de lancement.

Préparatifs

Bénédiction de l'équipage par un pope avant l'envol
Cérémonie officielle avant l'envol

L'équipage arrive à Baïkonour environ une semaine avant le lancement. Celui-ci est précédé de certains rituels et cérémonials qui se sont progressivement institutionnalisés au cours de la longue vie du programme Soyouz : ils comprennent notamment la plantation d'un arbrisseau dans la steppe kazakh et la bénédiction solennelle par un pope orthodoxe. Les cosmonautes arrivent sur le pas de tir revêtus de leur tenue Sokol. L'équipage s'installe normalement deux heures avant le lancement alors que le plein d'ergols a déjà été fait (il commence 6 heures avant le lancement). Pour accéder au module de descente, les cosmonautes pénètrent dans le vaisseau via une ouverture pratiquée dans la coiffe de la fusée qui donne sur l'écoutille située sur le flanc du module orbital puis se glissent par l'écoutille interne dans le module de descente situé plus bas. Deux techniciens les assistent en se positionnant dans le module orbital : les cosmonautes pénètrent un par un dans le module orbital avant de se glisser dans leur cabine aidés par les techniciens. Le premier à s'installer est l'ingénieur de vol qui doit vérifier que le module de descente est en état de vol et en particulier que les couchettes de l'équipage sont correctement installées. Une fois ce contrôle effectué, il s'installe sur la couchette de gauche. Le suivant est le passager qui s'installe sur le siège de droite. Enfin le commandant descend à son tour et s'installe dans la couchette centrale. Tandis que les techniciens referment successivement l'écoutille séparant le module de descente et le module orbital, puis l'écoutille latérale du module orbital, l'équipage établit le contact par radio avec le centre de contrôle de Baïkonour.

Durant le laps de temps qui précéde le lancement une check-list est passée en revue et la pression interne est périodiquement vérifiée. Trente minutes avant le lancement la tour de service est écartée, la tour de sauvetage est armée et les équipements de survie sont positionnés en mode automatique. A T-40 secondes le lanceur commence à tirer son énergie de ses propres batteries et les cordons ombilicaux sont débranchés, à T-20 secondes les moteurs du premier étage sont lancés. Lorsque la poussée a atteint la valeur nominale, les pinces qui tiennent la fusée la lâche et celle-ci s'élance.

Lancement

Lancement de Soyouz TMA-3
Vaisseau Soyouz sur le point de s'amarrer à la station

Lorsque la fusée a franchi Max Q (pression aérodynamique maximum) à 46 km d'altitude et 115 secondes après le lancement, la tour de sauvetage est larguée puis à 49 km d'altitude et t+165 secondes c'est le tour des 4 propulseurs du premier étage. A 85 km d'altitude, alors que les couches les plus denses de l'atmosphère ont été traversées, la coiffe est à son tour larguée permettant aux astronautes d'observer par les deux hublots de la cabine une pellicule de glace extérieure qui se fragmente et est rapidement emportée par la pression. A t + 288 secondes, le deuxième étage central est à son tour largué et le troisième étage s'allume pour une durée de 238 secondes. Après l'arrêt de celui-ci les astronautes se retrouvent en apesanteur. Le contrôle au sol passe du centre de Baïkonour au centre de contrôle situé à Moscou.

Manœuvres orbitales et rendez vous avec la station spatiale

Si le vol s'est déroulé dans des conditions nominales le vaisseau se trouve sur une orbite basse légèrement elliptique de 240 x 200 km. Durant la première orbite les panneaux solaires et les antennes de télécommunications sont déployés, la pression interne est vérifiée dans les deux modules. Le système de rendez-vous automatique Kours est contrôlé ainsi que les systèmes radio et de contrôle d'attitude. Les cosmonautes retirent leur combinaison spatiale Sokol et l'écoutille qui sépare le module de descente et le module orbital est ouverte.

Les manœuvres permettant de rejoindre la station spatiale vont nécessiter 35 orbites donc s'étaler sur près de 48 heures. Théoriquement le rendez-vous pourrait avoir lieu plus rapidement mais cela nécessiterait de consommer une quantité de carburant dont le vaisseau ne dispose pas. Durant cette période les cosmonautes contrôlent et éventuellement corrigent à intervalles réguliers les corrections d'orbite qui sont effectuées par le système pour faire converger les trajectoires du vaisseau et de la station spatiale. Entre deux manœuvres le vaisseau est orienté de manière à ce que l'incidence des rayons solaires soit optimale sur les panneaux solaires puis il est mis en rotation lente (2 °/secondes) autour de son axe de lacet pour maintenir cette position sans avoir à utiliser les moteurs de contrôle d'attitude. Deux périodes de repos sont prévues durant cette période. Pour dormir l'équipage accroche son sac de couchage soit dans le module orbital soit dans le module de descente.

Retour sur Terre

Le module de descente Soyouz TMA-9 suspendu sous son parachute
Retour de l'expédition 20 avec en arrière plan la capsule et les hélicoptères des équipes de récupération

Après un séjour dans l'espace qui peut durer jusqu'à 6 mois, le vaisseau Soyouz ramène un équipage à Terre. Les préparatifs incluent l'installation des couchettes (l'équipage n'est pas le même que celui du lancement du vaisseau) et leur réglage pour prendre en compte l'allongement du corps des astronautes après leur séjour prolongé en apesanteur. Le retour, lorsqu'il se déroule de manière nominale, dure moins de trois heures trente et l'atterrissage a lieu dans une zone de steppes située au nord de Baïkonour et à mi-distance d'Astana, la capitale du Kazakhstan. La précision des systèmes du vaisseau permet, dans des circonstances normales, d'atterrir à moins de 30 km du point visé.

Départ de la station et séparation du module de descente

L'orbite est modifiée et environ 2 heures 30 après avoir quitté la station spatiale, le vaisseau est retourné à 180 ° et les rétrofusées sont mises à feu suffisamment longtemps pour que le vaisseau réduise son orbite et déclenche le processus de rentrée atmosphérique. Environ une demi-heure après cette manœuvre, le vaisseau pivote de 90 ° de manière à se trouver donc dans une position perpendiculaire à son axe de progression ; l'équipage effectue alors le largage du module orbital puis celui du module de service en déclenchant l'explosion de boulons pyrotechniques. Chaque module va suivre une trajectoire divergente durant son retour vers la Terre sans risque de collision. Le revêtement thermique et la partie extérieure du périscope du module de descente sont également largués. Le vaisseau désormais réduit au seul module de descente est orienté de manière à présenter sa base protégée par le bouclier thermique vers l'avant. Les astronautes font donc désormais face à l'arrière de leur vaisseau. Le module de service contenait l'essentiel de l'avionique du vaisseau et après son largage l'instrumentation du module de descente repose sur un système de guidage et navigation secondaire aux capacités limitées qui est activé pour cette phase et qui utilise l'énergie stockée dans une batterie.

Rentrée atmosphérique

L'orientation du module de descente est maintenue de manière à ce que celui-ci ait suffisamment de portance pour limiter la décélération maximale à 4 g. L'angle de rentrée est maintenu par les petits moteurs d'orientation du module de descente qui corrigent si nécessaire l'assiette du vaisseau par de brèves impulsions déclenchées automatiquement par le système de guidage du vaisseau. Le commandant du vaisseau peut reprendre la main et agir lui même sur ces moteurs. Si le système de contrôle d'attitude est défaillant, le vaisseau adopte automatiquement une trajectoire de rentrée dite balistique avec un angle de descente plus abrupt qui fait subir aux astronautes une décélération maximale de 8,5 g ; dans ce scénario le vaisseau se pose environ 400 km avant le point d'atterrissage nominal. A 120 km d'altitude, la densité de l'atmosphère commence à s'accroitre et la température du bouclier thermique s'élève à cause des forces de friction. Les communications radio sont coupées jusqu'à ce que l'altitude de 40 km soit atteinte. Pour les cosmonautes qui ont effectué un séjour prolongé en apesanteur c'est un moment pénible malgré leur entrainement. La décélération culmine lorsque le module de descente se trouve à 30 km d'altitude puis se réduit par la suite. Lorsque l'altitude de 10–12 km est atteinte, la vitesse qui était initialement de 7,8 km/s a été ramenée à 250 m/s. Il ne reste plus que quinze minutes avant l'atterrissage et les moteurs de contrôle d'orientation sont désactivés pour éviter que le carburant corrosif attaque les sustentes des parachutes qui doivent être déployés.

Atterrissage

À 10 km d'altitude un capteur de pression déclenche l'éjection du couvercle du compartiment des parachutes. Une paire de petits parachutes extracteurs attachés au couvercle déploient un premier parachute stabilisateur de 24 m2 qui ralentit brutalement la vitesse de 250 m/s à 90 m/s. Au bout de 20 secondes, le parachute principal de plus de 1 000 m² s'extrait à son tour. Il est ligaturé et une fois complètement extrait un cordon détonnant permet son ouverture alors que la capsule est parvenue à une altitude de 5,5 km. Si le déploiement ne s'effectue pas correctement, un parachute de secours d'une superficie de 570 m² est ouvert à une altitude comprise entre 3 et 6 km. Après le déploiement, le module de descente reste suspendu sous le parachute durant un certain temps en faisant un angle de 30 ° par rapport à l'horizontale pour accélérer le refroidissement de la coque portée à l'incandescence puis le vaisseau reprend une position normale, bouclier thermique vers le bas. À une altitude comprise, selon les auteurs, entre 3 et 5,5 km le bouclier thermique est largué ce qui permet de dégager un altimètre qui est activé et les tuyères des fusées qui seront utilisées dans la phase finale de l'atterrissage. La pression de la cabine est égalisée avec la pression extérieure grâce à une valve dont l'ouverture est déclenchée automatiquement. Le parachute principal permet de réduire la vitesse de descente à 8 m/s. Cette vitesse est encore trop élevée ; aussi l'altimètre déclenche, à 1,5 mètre du sol, des rétrofusées qui doivent réduire cette vitesse à 2 ou 3 m/s au moment du contact avec le sol. Le choc est également absorbé par des amortisseurs situés sous la tête des couchettes. L'atterrissage est malgré tout souvent rude : parfois la capsule rebondit plusieurs fois ou se met à rouler poussé par la pente, ou tiré par son parachute (lorsque le vent souffle) avant de se stabiliser parfois tête bêche. Les cosmonautes déclenchent un dispositif qui désolidarise le parachute du vaisseau pour éviter d'être trainés sur le sol en cas de vent violent.

Récupération des cosmonautes

Une unité de récupération, rattachée depuis 2006 au Service Fédéral de la Navigation Aérienne (Rosaeronavigatsia) et dont la création remonte aux débuts de l'astronautique soviétique, est chargée de localiser le vaisseau, récupérer l'équipage et le module de descente et de les évacuer. Elle dispose à cet effet de plusieurs hélicoptères de transport tels que des Mil Mi-8, de véhicules tous-terrains et d'avions. Le contact est pris par radio avec le vaisseau alors que celui-ci est encore en train de descendre au bout de son parachute. Dès que le module de descente a touché terre, les membres de l'équipe de récupération aident les membres de l'équipage, souvent affaiblis par le séjour prolongé en apesanteur, à s'extraire du vaisseau.

Lorsque le vaisseau ne se pose pas dans la zone visée, les premiers arrivés sur les lieux, susceptibles d'assister les cosmonautes, peuvent être des personnes déjà présentes sur le site. Des inscriptions en anglais et en russe sont visibles à la fois sur la paroi qui était couverte par le bouclier thermique et à l'intérieur du compartiment de parachutes. Elles informent d'éventuels sauveteurs improvisés qu'ils doivent éviter de se tenir près des tuyères des rétrofusées, qu'un équipage est enfermé à l'intérieur de la capsule et donne de brèves instructions pour ouvrir l'écoutille : des clés sont vissées à l'extérieur pour permettre de démonter l'écoutille.

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