Les combinaisons spatiales sont des systèmes complexes conçus pour offrir aux astronautes un environnement propice à la vie pendant les missions spatiales. Qu'il s'agisse de marcher sur la Lune, de réparer des satellites en orbite ou de se rendre sur Mars, les combinaisons spatiales sont essentielles à la sécurité des astronautes et à la réussite des missions. Une combinaison spatiale est un petit vaisseau spatial à elle seule. Son rôle est de protéger le corps humain et de le maintenir en vie, en lui fournissant les éléments indispensables à sa survie dans le vide : oxygène sous une pression permettant à son occupant de respirer, et température compatible à la vie.
L'évolution de la technologie des combinaisons spatiales
Le parcours du développement des combinaisons spatiales est une histoire d'innovation et d'adaptation technologiques, visant à protéger les humains dans l'environnement hostile de l'espace. Des simples combinaisons de vol en haute altitude aux systèmes avancés permettant les sorties extravéhiculaires (EVA), l'évolution des combinaisons spatiales reflète l'ambition de l'humanité en matière d'exploration spatiale. Les premières combinaisons spatiales étaient des versions modifiées de combinaisons de vol en haute altitude, conçues principalement pour fournir de l'oxygène et prévenir le mal de décompression. Au fur et à mesure que les missions devenaient plus ambitieuses, le besoin de combinaisons pour assurer la vie et la mobilité à l'extérieur des vaisseaux spatiaux a conduit à des avancées significatives. Les missions Apollo nécessitaient des combinaisons capables de fonctionner dans le vide de l'espace et à la surface de la Lune, ce qui a conduit au développement de combinaisons dotées d'un contrôle thermique, d'une protection contre les micrométéorites et de caractéristiques de mobilité améliorées. La NASA la considère comme un vaisseau spatial individuel équipé d'un système de support vie (« PLSS » pour « Personal Life Support System »). Elle a beaucoup évolué depuis la première sortie dans l'espace d'Alexeï Leonov, le 18 mars 1965 ou les missions Apollo (1969 à 1972), tout au long des séjours dans la Navette (« Shuttle ») puis dans l'ISS.
Principes de conception des combinaisons spatiales
La conception d'une combinaison spatiale est un défi complexe qui consiste à trouver un équilibre entre la fonctionnalité, le confort et la sécurité. Les principes clés de la conception d'une combinaison spatiale comprennent la mobilité, la protection de l'environnement et les systèmes de communication. Il est essentiel de comprendre ces principes pour saisir comment les ingénieurs conçoivent des combinaisons capables de soutenir la vie dans le vide impitoyable de l'espace. La mobilité dans une combinaison spatiale est essentielle pour l'exécution des tâches pendant les sorties extravéhiculaires. Les combinaisons doivent permettre aux astronautes de se pencher, d'atteindre et de manipuler leur environnement, tout en maintenant la pressurisation. La protection de l'environnement consiste à protéger l'astronaute des températures extrêmes, du rayonnement solaire et des micrométéorites. Enfin, des systèmes de communication sont intégrés aux combinaisons pour maintenir un contact permanent avec les autres astronautes et le centre de contrôle de la mission.
En fonction des besoins et de la partie concernée du corps, on distingue différents segments, le casque, le torse, le pantalon (de la ceinture aux pieds), les bottes et les gants, et les articulations entre ces segments. La combinaison pressurisée est une sorte d’enveloppe-coquille souple, hermétiquement close, gonflée d’oxygène (l’option gaz neutre additionnel n’étant pas actuellement retenue), qui permet la respiration (minimum 20,7 kPa d’oxygène mais 24,1 kPa est recommandé) et le maintien, du fait du gonflement (la pressurisation), d’une pression acceptable pour le corps. Si l’on considère la combinaison non plus « géographiquement » mais « géologiquement », c’est à dire en épaisseur, on voit qu’elle est constituée de nombreuses couches (jusqu’à 16), chacune ayant, naturellement une fonction.
Systèmes de support de vie et gestion thermique
Le système de conditionnement se situe à l’intérieur et au contact de la peau. Il a pour fonction le chauffage et le rafraichissement avec circulation de fluides à l’intérieur d’une centaine de mètres de tubes très fins incorporés dans un tissu élastique (élasthanne ou « spandex » chez les Américains) et couvrant tout le corps, avec une multitude d’évents permettant d’évacuer la sueur. C’est ensuite la « peau » extérieure, totalement étanche et blanche pour refléter la chaleur. Celle-ci est très élevée au Soleil dans l’environnement terrestre, 1360 W/m2, moins dans l’environnement martien, entre 490 et 715 W/m2. Mais la chaleur, dans un milieu totalement étanche, provient surtout du corps en fonctionnement interne et en exercice. Cette chaleur doit pouvoir être évacuée. La température interne recherchée est de 22°C mais elle peut varier de 18 à 27°C. Entre les deux vêtements une poche-vessie (« bladder ») entoure les segments du torse et du pantalon. Plutôt qu’une seule poche, c’est une succession de poches aplaties reliées entre elles. L’air doit impérativement circuler et vite (vitesse 0,15 à 0,17 m3 par minutes) car le gaz respirable se charge en gaz carbonique par la respiration et doit être impérativement et immédiatement recyclé.
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Dans les EMU (« Extravehicular Mobility Units ») actuels, l’air propre, provenant de deux sources d’oxygène « embarquées » (« Primary Oxygen Circuit » avec 0,55 kg d’Oxygène et « Secondary Oxygen Pack » avec 1,19 kg d’oxygène), entre par le casque et sort, chargé de CO2 et d’impuretés, par des tubes à la taille et aux chevilles, vers le CCC (Contaminant Control Cartridge) du sac à dos. Le CCC peut retenir le gaz carbonique pendant 8 heures. Le système PLSS à l’époque d’Apollo (« A7L ») avait une masse entre 38 et 58 kg. Le recyclage du CO2 se faisait anciennement avec de l’hydroxyde de lithium (LiOH) et se fait aujourd’hui avec de l’oxyde d’argent (MetOx). Mais le système est lourd, le recyclage est lent. On a trouvé une solution, le Rapid Cycle Amine, plus rapide et de moindre masse qui fonctionne aussi comme déshumidificateur et purificateur bactériologique. On recherche toujours un recyclage en boucle fermée mais ce sera pour « plus tard ».
L'entraînement des astronautes dans les combinaisons
L'entraînement des astronautes avec les combinaisons spatiales est un processus intensif, qui se concentre sur la familiarisation avec le fonctionnement de la combinaison et l'amélioration des performances dans des conditions spatiales simulées. L'entraînement se déroule dans divers environnements, des piscines aux chambres à vide, chacun étant conçu pour imiter certains aspects de l'environnement spatial. Le laboratoire de flottabilité neutre (NBL), par exemple, utilise une grande piscine pour simuler l'apesanteur de l'espace. Les astronautes passent des heures immergés dans l'eau pour s'entraîner aux tâches qu'ils effectueront dans l'espace. Cette méthode les aide à s'habituer à se déplacer dans des combinaisons spatiales et à effectuer des réparations ou des expériences scientifiques dans un environnement simulant l'apesanteur. Un exemple d'entraînement à l'utilisation d'une combinaison spatiale consiste à s'entraîner à l'installation de composants sur l'extérieur de la Station spatiale internationale (ISS). Les astronautes utilisent des maquettes de l'ISS et des pièces de satellites dans le LNB, ce qui leur permet d'améliorer leur capacité à effectuer des tâches complexes dans une combinaison encombrante.
Innovations et développements futurs de la NASA
La NASA travaille sur le « xEMU » (« Exploration EMU ») pour le programme Artemis avec en perspective les missions martiennes. Cette combinaison se distinguera d’abord par son « x » de l’EMU actuel c’est-à-dire qu’on la prévoit pour se déplacer non plus en flottant dans l’espace mais sur ses pieds (donc avec de meilleures articulations et de bonnes bottes). Il s’agit ensuite de mettre au point un vêtement et surtout des annexes de plus faible masse, qu’on puisse mettre et enlever plus facilement, avec un meilleur approvisionnement en eau, une meilleure évacuation de la chaleur et une meilleure gestion des déchets. Cette dernière se faisait jusqu’à présent par la transpiration couplée à un sublimateur. On projette de le remplacer par le « Spacesuit Water Membrane Evaporator » (« SWME ») plus fiable et plus efficace.
L'histoire des combinaisons spatiales de la NASA est un récit captivant d'innovation, de défis et d'évolution. Depuis le projet Mercury au début des années 1960, qui proposait des combinaisons simples pour maintenir la pression, jusqu'aux conceptions sophistiquées et axées sur la science pour l'exploration lunaire lors des missions Apollo, chaque combinaison était une merveille de l'ingénierie de son époque. L'introduction de l'unité de mobilité extravéhiculaire (UME) dans le cadre du programme de la navette spatiale a marqué un tournant dans le développement des combinaisons spatiales. Ces combinaisons, conçues pour être utilisées dans la soute de la navette et pour les sorties dans l'espace, offraient une meilleure mobilité, de meilleurs systèmes de survie et une meilleure protection contre le vide et les micro-débris de l'espace.
Les combinaisons spatiales modernes sont conçues pour fonctionner à des températures allant de -157°C à 121°C, ce qui souligne l'incroyable protection thermique qu'elles offrent. Une innovation notable de ces nouveaux modèles est l'intégration de la technologie de réalité augmentée (RA) dans la visière du casque, qui fournit aux astronautes des données en temps réel et des aides à la navigation directement dans leur champ de vision. L'accent mis sur la modularité dans les nouvelles conceptions de combinaisons spatiales permet des mises à niveau faciles au fur et à mesure que les nouvelles technologies deviennent disponibles.
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Approche de SpaceX et voyages spatiaux commerciaux
La philosophie de conception de la combinaison spatiale de SpaceX est axée sur un équilibre entre l'esthétique, la fonctionnalité et le confort. Contrairement aux combinaisons spatiales traditionnelles, qui sont encombrantes et purement utilitaires, la combinaison de SpaceX est élégante, légère et conçue pour accompagner les mouvements de l'astronaute. Cette philosophie reflète l'objectif plus large de SpaceX de rendre les voyages dans l'espace plus accessibles et de veiller à ce que les astronautes soient non seulement en sécurité mais aussi à l'aise. Créée en collaboration avec le costumier hollywoodien Jose Fernandez, la combinaison spatiale de SpaceX a une allure futuriste, mais elle est conçue pour fonctionner. Elle est pressurisée et comporte un gant compatible avec un écran tactile, ce qui permet aux astronautes d'interagir facilement avec les commandes du vaisseau spatial. Le casque, fabriqué sur mesure pour chaque astronaute, intègre des systèmes de communication et de refroidissement.
Les combinaisons spatiales de SpaceX et celles de la NASA diffèrent sur plusieurs points. Alors que la combinaison de SpaceX est conçue pour les activités intra-véhiculaires pendant le lancement et la rentrée, les combinaisons de la NASA, comme l'EMU, sont destinées aux activités extravéhiculaires (EVA) ou aux sorties dans l'espace. La combinaison spatiale de SpaceX est nettement plus profilée et plus légère que l'EMU traditionnelle de la NASA, ce qui donne la priorité à la facilité de mouvement à l'intérieur du vaisseau spatial.
La combinaison mécanique à contre-pression (MCP)
Cette combinaison « MCP » (pour « Mechanical Counter Pressure ») est un peu comme les combinaisons de plongée. Elle est au moins aussi ancienne que les combinaisons pressurisées mais n’a pas connu le même engouement de la part des institutions qui pouvaient les faire utiliser par les pilotes fréquentant les hautes altitudes, ni ensuite par la NASA. Il s’agit de revêtir une combinaison souple mais étanche que l’on plaque au plus près du corps après l’avoir enfilée. Le système de conditionnement se situe à l’intérieur de la couche de mousse entre la peau et la couche externe étanche. Les parties du corps qui bougent peu sont renforcées par des bandes fixes (dites « lignes de non extension ») qui tiennent entre elles des panneaux de tissu plus souple. L’oxygène n’est utilisé que pour la respiration et ne l’est plus pour la pressurisation. Pour donner toutefois davantage de volume au gaz respirable et faciliter le gonflement des poumons malgré un tissu très ajusté, les personnes qui étudient ce BioSuit proposent une vessie plate pectorale reliée avec le casque qui permet une inspiration plus large d’oxygène à chaque fois que l’on en a besoin.
Défis environnementaux et risques biologiques
La première contrainte que l'homme doit surmonter dans l'espace est la température, elle peut passer de 150 °C face au Soleil à -120 °C à l'ombre. Il est certain qu'un astronaute exposé directement au Soleil risque de souffrir de la chaleur comme du froid. Pour un être humain placé dans le vide sans protection, cela signifie que son corps étant sous pression, il va subir une décompression rapide. Les fluides corporels ne redescendent plus aussi simplement car la gravité n'est plus présente. Le cœur reste toujours programmé comme sur Terre, et continue de pousser principalement vers le haut, les fluides qui remontent sans cesse vers le torse et la tête de la personne, qui ressent alors le syndrome de la tête pleine ou le « boufi face ». Le rayonnement cosmique, c'est de manière générale le flux de particules de haute énergie présent dans tout l'Univers. Ces radiations sont dangereuses pour l'être humain, car elles peuvent briser les chaînes d'ADN et ainsi, causer la perte d'informations.
Une micrométéorite est une petite météorite, une particule dans l'espace, pesant généralement moins d'un gramme, mais constituant une menace à l'exploration spatiale. Ces débris de micrométéorites sont une menace très réelle pour la sécurité des astronautes. Lors d'une sortie dans l'espace, en tenant compte du fait que l'astronaute est approvisionné en O2, un malaise peut survenir si la variation de pression est trop rapide. Le fait de baisser la pression de la navette à 0,70 atm à la veille de la sortie permet d'évacuer en douceur l'azote contenu dans le sang. La combinaison ne peut en rien éviter ce malaise connu notamment en plongée sous-marine sous le nom de maladie des caissons.
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Composants structurels du scaphandre
La combinaison portée à l'intérieur de la navette spatiale est bien différente. Déjà, elle est plus légère et moins encombrante. Elle protège l'équipage d'une décompression accidentelle dans la capsule. Le casque est une bulle pressurisée en plastique transparent permettant au membre de l'équipage de respirer dans l’espace. Il est conçu pour résister aux impacts. Il contient des écouteurs et un microphone relié à une radio. Un tube près de la bouche de l’astronaute lui permet de boire. Fixée au-dessus du casque, cette visière ajustable en or protège des effets dangereux des rayons solaires. La nuit, quatre projecteurs permettent de travailler dans l’obscurité. Elle dispose également d’une caméra couleur de la taille d'un timbre-poste. Cette unité, constamment fixée au dos du scaphandre, assure la survie de son porteur. Elle fournit de l’oxygène pur, absorbe le dioxyde de carbone expiré par l'astronaute et désodorise l'air intérieur.
La visière de ce casque est faite en polycarbonate et non en verre car le polycarbonate est plus résistant et plus solide. Elle est épaisse de 3mm. Cette visière offre un large champ de vision. La visière est dorée car son revêtement sert à réfléchir la chaleur et la lumière tout en permettant à l’astronaute de voir au travers. Afin de protéger les astronautes des rayons solaires et rayons UV, il existe un couvre-casque qui s’appelle EVVA (Extravehicular Visor Assembly). Les extrémités des doigts sont la partie du corps la plus exposée au froid. Ces gants sont conçus pour garder la chaleur tout en leur permettant de travailler avec souplesse. Le silicone à leur bout reproduit une sensation de toucher. Un anneau de roulement permet de tourner le poignet. Cet ensemble se compose d’un pantalon, de bottes, d'articulations pour les chevilles, les genoux et les hanches.
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