Ingénierie des combinaisons spatiales : support vie et mobilité en environnements extrêmes

Les combinaisons spatiales, également connues sous le nom de scaphandres pour activité extravéhiculaire (EVA), sont essentiellement des vaisseaux spatiaux personnels conçus pour protéger les astronautes de l'environnement hostile de l'espace. Elles fournissent un environnement habitable, régulant la température, la pression et l'apport en oxygène, tout en offrant une mobilité et une protection contre les radiations et les micrométéorites. Cet article explore l'ingénierie complexe derrière ces merveilles, en se concentrant sur les systèmes de support vie et les solutions de mobilité qui rendent l'exploration spatiale possible.

La dure réalité de l'espace : pourquoi les combinaisons spatiales sont essentielles

L'environnement spatial présente de nombreux défis qui sont immédiatement mortels pour les humains sans une protection adéquate. Ceux-ci incluent :

• Vide : L'absence de pression atmosphérique ferait bouillir les fluides corporels.
• Températures extrêmes : Les températures peuvent fluctuer considérablement entre une chaleur torride en plein soleil et un froid extrême à l'ombre.
• Radiations : L'espace est rempli de radiations nocives provenant du soleil et d'autres sources.
• Micrométéorites et débris orbitaux : De petites particules se déplaçant à grande vitesse peuvent causer des dommages importants.
• Manque d'oxygène : L'absence d'air respirable nécessite un approvisionnement en oxygène autonome.

Une combinaison spatiale répond à tous ces dangers, offrant un environnement sûr et fonctionnel aux astronautes pour travailler à l'extérieur d'un vaisseau spatial ou d'un habitat planétaire.

Systèmes de support vie : créer un environnement habitable

Le système de support vie (SSV) est le cœur d'une combinaison spatiale, fournissant les éléments essentiels à la survie humaine. Les composants clés incluent :

Pressurisation

Les combinaisons spatiales maintiennent une pression interne, généralement bien inférieure à la pression atmosphérique terrestre (environ 4,3 psi ou 30 kPa). Ceci est nécessaire pour empêcher les fluides corporels de l'astronaute de bouillir. Cependant, des pressions plus faibles nécessitent une pré-respiration d'oxygène pur pendant plusieurs heures avant une EVA pour éviter le mal de décompression (les "bends"). De nouvelles conceptions de combinaisons explorent des pressions de fonctionnement plus élevées pour réduire ou éliminer cette exigence de pré-respiration, en utilisant potentiellement des matériaux et des conceptions d'articulations avancés.

Apport en oxygène

Les combinaisons spatiales fournissent un apport continu d'oxygène respirable. Cet oxygène est généralement stocké dans des réservoirs à haute pression et régulé pour maintenir un débit constant. Le dioxyde de carbone, un sous-produit de la respiration, est éliminé de l'atmosphère de la combinaison à l'aide d'épurateurs chimiques, généralement des cartouches d'hydroxyde de lithium (LiOH). Des systèmes régénératifs d'élimination du CO2, qui peuvent être réutilisés plusieurs fois, sont en cours de développement pour les futures missions de longue durée.

Régulation de la température

Le maintien d'une température stable est crucial pour le confort et la performance de l'astronaute. Les combinaisons spatiales utilisent une combinaison d'isolation, de ventilation et de vêtements de refroidissement liquide (LCG) pour réguler la température. Le LCG fait circuler de l'eau réfrigérée à travers un réseau de tubes portés près de la peau, absorbant l'excès de chaleur. L'eau chauffée est ensuite refroidie dans un radiateur, généralement situé sur le sac à dos de la combinaison ou le système de support vie portable (PLSS). Des matériaux avancés, tels que les matériaux à changement de phase, sont à l'étude pour améliorer l'efficacité de la régulation thermique.

Par exemple, la combinaison Apollo A7L utilisait une conception multicouche comprenant :

• Une couche de confort interne
• Un vêtement de refroidissement liquide (LCG)
• Une vessie de pressurisation
• Une couche de contention pour contrôler la forme de la combinaison
• Plusieurs couches de Mylar aluminisé et de Dacron pour l'isolation thermique
• Une couche extérieure en tissu Beta enduit de Téflon pour la protection contre les micrométéorites et l'abrasion

Contrôle de l'humidité

Une humidité excessive peut entraîner la formation de buée sur la visière et un inconfort. Les combinaisons spatiales intègrent des systèmes pour éliminer l'humidité de l'atmosphère de la combinaison. Ceci est souvent réalisé en condensant la vapeur d'eau et en la collectant dans un réservoir. Des systèmes améliorés de contrôle de l'humidité sont en cours de développement pour minimiser la perte d'eau et améliorer le confort de l'astronaute.

Contrôle des contaminants

Les combinaisons spatiales doivent protéger les astronautes des contaminants nocifs, tels que la poussière et les débris. Des systèmes de filtration sont utilisés pour éliminer les particules de l'atmosphère de la combinaison. Des revêtements et des matériaux spéciaux sont également utilisés pour empêcher l'accumulation d'électricité statique, qui peut attirer la poussière. Pour les missions lunaires, des recherches importantes sont menées sur les stratégies d'atténuation de la poussière, car la poussière lunaire est abrasive et peut endommager les composants de la combinaison.

Mobilité : permettre le mouvement dans un environnement pressurisé

La mobilité est un aspect essentiel de la conception d'une combinaison spatiale. Les astronautes doivent être capables d'effectuer une variété de tâches, des manipulations simples aux réparations complexes, tout en portant une combinaison encombrante et pressurisée. Atteindre une mobilité adéquate nécessite une attention particulière à la conception des articulations, à la sélection des matériaux et à la construction de la combinaison.

Conception des articulations

Les articulations d'une combinaison spatiale, telles que les épaules, les coudes, les hanches et les genoux, sont essentielles pour permettre le mouvement. Il existe deux principaux types de conceptions d'articulations :

• Articulations rigides : Ces articulations utilisent des roulements et des liaisons mécaniques pour offrir une large amplitude de mouvement avec une force relativement faible. Cependant, elles peuvent être encombrantes et complexes. Les combinaisons rigides, qui utilisent abondamment des articulations rigides, offrent une mobilité supérieure à des pressions plus élevées, mais au détriment du poids et de la complexité.
• Articulations souples : Ces articulations utilisent des matériaux flexibles et des conceptions à circonvolutions pour permettre le mouvement. Elles sont plus légères et plus flexibles que les articulations rigides, mais nécessitent plus de force pour être pliées et ont une amplitude de mouvement limitée. Les articulations à volume constant sont un type d'articulation souple conçue pour maintenir un volume constant lorsque l'articulation est fléchie, réduisant ainsi la force requise pour la mouvoir.

Les conceptions hybrides, qui combinent des articulations rigides et souples, sont souvent utilisées pour optimiser la mobilité et la performance. Par exemple, l'EMU (Extravehicular Mobility Unit) actuelle utilisée par la NASA comporte une combinaison d'un torse supérieur rigide et d'un torse inférieur et de membres souples.

Conception des gants

Les gants sont sans doute la partie la plus difficile d'une combinaison spatiale à concevoir pour la mobilité. Les astronautes doivent être capables d'effectuer des tâches délicates avec leurs mains tout en portant des gants pressurisés. La conception des gants se concentre sur la minimisation de la résistance au mouvement, la maximisation de la dextérité et la fourniture d'une protection thermique et contre les radiations adéquate.

Les caractéristiques clés des gants de combinaison spatiale incluent :

• Doigts pré-courbés : Les doigts sont souvent pré-courbés pour réduire la force nécessaire pour saisir des objets.
• Matériaux flexibles : Des matériaux minces et flexibles, comme le caoutchouc de silicone, sont utilisés pour permettre une plus grande amplitude de mouvement.
• Articulation des jointures : Des jointures articulées sont incorporées dans les doigts et la paume pour améliorer la dextérité.
• Dispositifs de chauffage : Des radiateurs électriques sont souvent intégrés dans les gants pour garder les mains de l'astronaute au chaud.

Malgré ces avancées, la conception des gants reste un défi important. Les astronautes signalent souvent une fatigue des mains et des difficultés à effectuer des tâches de motricité fine tout en portant des gants de combinaison spatiale. La recherche se poursuit pour développer des conceptions de gants plus avancées offrant une meilleure dextérité et un meilleur confort.

Sélection des matériaux

Les matériaux utilisés dans une combinaison spatiale doivent être solides, légers, flexibles et résistants aux températures extrêmes et aux radiations. Les matériaux courants incluent :

• Tissus : Des tissus à haute résistance, comme le Nomex et le Kevlar, sont utilisés pour les couches extérieures de la combinaison afin de fournir une résistance à l'abrasion et à la perforation.
• Polymères : Des polymères, tels que le polyuréthane et le caoutchouc de silicone, sont utilisés pour la vessie de pressurisation et d'autres composants flexibles.
• Métaux : Des métaux, tels que l'aluminium et l'acier inoxydable, sont utilisés pour les composants durs, comme les articulations et les casques.

Des matériaux avancés, tels que les nanotubes de carbone et les alliages à mémoire de forme, sont à l'étude pour les futures conceptions de combinaisons spatiales. Ces matériaux offrent le potentiel d'une résistance, d'une flexibilité et d'une durabilité améliorées.

Construction de la combinaison

La construction d'une combinaison spatiale est un processus complexe qui implique la superposition minutieuse de différents matériaux et composants. La combinaison doit être étanche à l'air, flexible et confortable à porter. Des techniques de fabrication, telles que le collage, le soudage et la couture, sont utilisées pour assembler la combinaison. Le contrôle de la qualité est essentiel pour s'assurer que la combinaison répond à des exigences de performance strictes.

Tendances futures dans l'ingénierie des combinaisons spatiales

La technologie des combinaisons spatiales évolue constamment pour répondre aux défis des futures missions d'exploration spatiale. Certaines des tendances clés dans l'ingénierie des combinaisons spatiales incluent :

Pressions de fonctionnement plus élevées

Comme mentionné précédemment, l'augmentation de la pression de fonctionnement des combinaisons spatiales peut réduire ou éliminer le besoin de pré-respiration d'oxygène. Cela simplifierait considérablement les opérations d'EVA et améliorerait la sécurité des astronautes. Cependant, des pressions plus élevées nécessitent des conceptions de combinaisons plus robustes et une technologie d'articulation avancée.

Matériaux avancés

Le développement de nouveaux matériaux avec une résistance, une flexibilité et une résistance aux radiations améliorées est crucial pour les futures conceptions de combinaisons spatiales. Les nanotubes de carbone, le graphène et les polymères auto-réparants sont tous des candidats prometteurs.

Robotique et exosquelettes

L'intégration de la robotique et des exosquelettes dans les combinaisons spatiales peut améliorer la force et l'endurance des astronautes. Les exosquelettes peuvent fournir un soutien supplémentaire aux membres, réduisant la fatigue lors de longues EVA. Les bras robotiques peuvent aider à des tâches complexes et permettre aux astronautes de travailler dans des environnements dangereux.

Réalité virtuelle et augmentée

Les technologies de réalité virtuelle et augmentée peuvent être utilisées pour fournir aux astronautes des informations et des conseils en temps réel lors des EVA. Les affichages tête haute peuvent superposer des données sur le champ de vision de l'astronaute, telles que des schémas, des listes de contrôle et des informations de navigation. Cela peut améliorer la conscience de la situation et réduire le risque d'erreurs.

Impression 3D et fabrication à la demande

La technologie d'impression 3D peut être utilisée pour fabriquer des composants de combinaisons spatiales personnalisés à la demande. Cela permettrait aux astronautes de réparer des combinaisons endommagées et de créer de nouveaux outils et équipements dans l'espace. La fabrication à la demande pourrait également réduire le coût et le délai de production des combinaisons spatiales.

Collaboration internationale dans le développement des combinaisons spatiales

L'exploration spatiale est une entreprise mondiale, et le développement des combinaisons spatiales implique souvent une collaboration internationale. La NASA, l'ESA (Agence Spatiale Européenne), Roscosmos (Agence Spatiale Russe) et d'autres agences spatiales travaillent ensemble pour partager les connaissances, les ressources et l'expertise. Par exemple :

• La Station Spatiale Internationale (ISS) : L'ISS est un excellent exemple de collaboration internationale, avec des astronautes de plusieurs pays utilisant et entretenant des combinaisons spatiales développées par différentes agences.
• Recherche et développement conjoints : Les agences spatiales collaborent souvent sur des projets de recherche et de développement liés à la technologie des combinaisons spatiales, tels que les matériaux avancés et les systèmes de support vie.
• Partage de données : Les agences spatiales partagent des données et des leçons apprises de leurs expériences avec les combinaisons spatiales, contribuant à améliorer la sécurité et la performance.

Cette collaboration internationale est essentielle pour faire progresser la technologie des combinaisons spatiales et permettre de futures missions d'exploration spatiale. Chaque agence apporte des perspectives et une expertise uniques, menant à des solutions plus innovantes et efficaces. Par exemple, des entreprises européennes se sont spécialisées dans le développement de tissus avancés pour la protection thermique, tandis que les ingénieurs russes ont une vaste expérience des systèmes de support vie en circuit fermé.

Exemples de combinaisons spatiales notables à travers l'histoire

Plusieurs combinaisons spatiales clés ont marqué des jalons importants dans l'exploration spatiale :

• Combinaison spatiale Vostok (URSS) : Utilisée par Youri Gagarine, le premier homme dans l'espace, cette combinaison était principalement conçue pour un usage intravéhiculaire lors des courts vols Vostok.
• Combinaison spatiale Mercury (USA) : La première combinaison spatiale américaine, elle fournissait un support vie de base lors des vols suborbitaux et orbitaux du programme Mercury.
• Combinaison spatiale Gemini (USA) : Améliorée pour des missions de plus longue durée et des EVA limitées, elle a vu des améliorations dans la mobilité et les capacités de support vie.
• Combinaison Apollo A7L (USA) : Conçue pour l'exploration de la surface lunaire, elle comprenait une protection thermique avancée, une mobilité et un support vie pour les EVA sur la Lune.
• Combinaison spatiale Orlan (Russie) : Utilisée pour les EVA depuis la station spatiale Mir et l'ISS, c'est une combinaison semi-rigide connue pour sa facilité d'enfilage et de retrait.
• Extravehicular Mobility Unit (EMU) (USA) : La principale combinaison spatiale utilisée par les astronautes de la NASA pour les EVA sur l'ISS, elle fournit un support vie avancé, une mobilité et des composants modulaires pour une gamme de tâches.

Défis et considérations

L'ingénierie des combinaisons spatiales est par nature une entreprise difficile. Voici quelques considérations clés :

• Poids et encombrement : Minimiser le poids est crucial pour les coûts de lancement et la mobilité de l'astronaute. Cependant, une protection adéquate nécessite un certain encombrement, créant un compromis.
• Fiabilité : Les combinaisons spatiales doivent être extrêmement fiables, car une défaillance peut être mortelle. La redondance et des tests rigoureux sont essentiels.
• Coût : Le développement et l'entretien des combinaisons spatiales sont coûteux. Équilibrer la performance et le coût est un défi constant.
• Facteurs humains : Les combinaisons spatiales doivent être confortables et faciles à utiliser. Une mauvaise ergonomie peut entraîner de la fatigue et des erreurs.

Conclusion

Les combinaisons spatiales sont un témoignage de l'ingéniosité humaine et de l'excellence en ingénierie. Ce sont des systèmes complexes qui fournissent un environnement habitable et permettent aux astronautes d'explorer et de travailler dans les environnements les plus extrêmes imaginables. À mesure que nous nous aventurons plus loin dans l'espace, les exigences envers la technologie des combinaisons spatiales ne feront qu'augmenter. En continuant à innover et à collaborer, nous pouvons développer des combinaisons spatiales encore plus avancées qui permettront aux futures générations d'explorateurs de repousser les limites de la connaissance et de la découverte humaines. Des habitats lunaires aux missions sur Mars, les combinaisons spatiales resteront un outil essentiel pour étendre notre présence dans le cosmos.

L'avenir de l'exploration spatiale repose en grande partie sur ces incroyables pièces d'ingénierie. L'amélioration continue du support vie, de la mobilité et de la protection ouvrira de nouvelles possibilités pour la découverte scientifique et l'expansion humaine à travers le système solaire et au-delà.