Pourquoi... L'entrée dans l'atmosphère est-elle périlleuse pour les astronautes ?

Le voyage spatial est un danger de tous les instants qui ne laisse place à aucune erreur. Mais qui aurait dit que l'angle d'approche d'une navette soit si important aux abords de la Terre ? Les explications.

Avec son lancement, la rentrée dans l'atmosphère d'une navette spatiale est l'une des phases les plus critiques des missions de vol habité. Parmi les facteurs à prendre en compte, l'angle d'entrée dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre. Celui-ci est calculé avec précision secondes après secondes, aussi bien à bord que dans le centre de contrôle au sol. Qu'est ce qui en fait un critère obligatoire pour que l'atterrissage se déroule dans de bonnes conditions ?  


Un freinage particulier 

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Avant son atterrissage, la navette va être freinée par l'atmosphère. © NASA Dryden Flight Research Center (NASA-DFRC)

Pour le comprendre, voyons comment se déroule une phase d'approche normale d'une navette spatiale près de l'atmosphère terrestre. La navette est en orbite autour de la Terre à environ 250 km d'altitude et se déplace à approximativement 7,5 km par seconde. Cette vitesse est acquise grâce à l'énergie dégagée lors du lancement et de l'utilisation des moteurs de propulsion. C'est d'ailleurs elle qui permet au vaisseau de rester en orbite autour de la Terre.

Pour descendre, il a fallu trouver un moyen de dissiper cette énergie, et donc freiner. Il n'est pas possible d'utiliser les moteurs pour ralentir un vaisseau. Celui-ci ne dispose pas de quantité de carburant nécessaire pour effectuer cette tâche en fin de mission. L'idée est donc de se servir des molécules d'air de l'atmosphère. Lorsque la navette y pénètre, elle entre en contact avec des couches denses par rapport à l'espace, et les comprime. Cela induit des forces de frottement le long du véhicule et donc un échauffement : l'énergie liée à la vitesse est convertie en chaleur. La navette freine et perd donc de l'altitude.

 

Phase de haute précision 

Le vaisseau ne peut arriver dans les couches supérieures de l'atmosphère avec un angle aléatoire. Imaginons-nous lançant une pierre dans un lac. Le caillou pénètre avec un certain angle à la surface de l'eau, ce qui va conditionner son devenir. Avec un angle aigu et une vitesse rapide, il va rebondir en surface : c'est l'effet de ricochet. A l'inverse, avec un angle trop obtus, il va couler au fond. Pour une navette spatiale et la surface atmosphérique dense de la Terre, c'est à peu près la même chose. Le vaisseau a d'ores et déjà une vitesse importante. Si l'angle d'approche est trop aigu, il va rebondir sur les couches atmosphériques supérieures et se perdre aux confins de l'espace. En revanche, pour un angle trop obtus, il plongera à une vitesse décuplée par la pesanteur terrestre. La chaleur dégagée sera alors trop intense : il brûlera en vol comme une torche.

 

La résistance à la chaleur  

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La navette présente sa partie la plus résistante à la chaleur pour démarrer sa descente. © NASA

Pour une approche optimale, un vaisseau doit donc aborder l'atmosphère sous un angle d'environ 40°. Ensuite, après quelques secondes, elle se redresse à , ce qui lui permet de perdre de la vitesse tout en douceur. Toute cette phase est gérée par les ordinateurs de bord, et les angles sont calculés en temps réel au dixième de degré près pour éviter tout risque d'incident. Pour protéger la navette, les chercheurs ont du mettre au point un bouclier spécial résistant à une haute température : le bouclier thermique. Il est constitué de 24 000 tuiles de céramique. Au-dessus, les plaques résistent à une température de 650° et en-dessous, à 1 200°. Aux abords de l'atmosphère, la navette se présente en face ventrale, exposant ainsi la zone qui résiste le mieux à la chaleur. Ensuite, c'est l'ensemble du bouclier qui la protège tout au long de sa descente dans l'atmosphère.

La chaleur générée par le frottement est donc la principale ennemie d'une navette entrant dans l'atmosphère terrestre. Le 1er février 2003, Columbia s'est désintégrée au dessus du Texas avec à son bord sept astronautes. A l'origine de ce drame, une pièce qui s'est détachée lors du décollage de la navette, provoquant une brèche dans le bouclier thermique. Lors de la rentrée, de l'air surchauffé s'est engouffré, induisant l'explosion du vaisseau.

L'angle d'approche et la résistance de la navette à la chaleur sont donc des éléments primordiaux pour que le retour sur Terre soit possible. Peut-être y penserez-vous la prochaine fois que vous ferez des ricochets au bord d'un lac...


Pourquoi