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February 6, 2012

Columbia STS-107 – Chronique d’une Catastrophe Annoncée

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Written by: mecifi
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D’après des statistiques datant de fin 2010, les USA ont réalisé 166 vols spatiaux habités, les Russes 123 et les Chinois 3. De ce compte, il faut probablement rajouter ça et là des vols secrets qui n’ont jamais été rendus publics et d’autres qui, au contraire, ont été rendus publics mais jamais réalisés. Au total, toute l’aventure spatiale se résume à moins de 300 vols habités. A titre de comparaison, l’aéroport de Londres Heathrow voit passer environ 700 décollages par jour.  Pour cette raison, les vols spatiaux sont techniquement considérés comme des vols expérimentaux et doivent toujours être encadrés par des précautions extrêmes. Pour avoir eu tendance à considérer ces vols comme normaux, certains managers de la NASA ont causé l’accident de Challenger en 1986 puis Columbia en 2003. En comparant ces deux événements, on a la désagréable impression que, sur le plan humain, rien n’a été appris en 17 ans.

Cet article est au sujet de l’accident du vol spatial habité Columbia STS-107 qui a commencé le 16 janvier 2003 pour finir tragiquement le 1er février de la même année.

La navette Columbia est à la base un avion de 23 mètres d’envergure et 37 mètres de long pour une masse qui peut aller jusqu’à 120 tonnes. A titre de comparaison, un Boeing 737-800 a une envergure de près de 36 mètres, 40 mètres de long mais ne pèse que 79 tonnes chargé de 21 tonnes de carburant et plus de 100 passagers. La navette reste un appareil très lourd comparé à ses dimensions. Le nez, les bords d’attaque des ailes et la dérive sont protégés par un revêtement fait de briques réfractaires en carbone qui sont la seule manière d’assurer une résistance à des températures de l’ordre de 1500 degrés rencontrées lors du retour dans l’atmosphère. La navette vole aussi au delà de Mach 25 et subit de formidables accélérations lors du décollage. Tout ceci justifie une construction plus robuste.

Par contre, à l’instar des avions, la navette spatiale est construite pour ne supporter que les contraintes qu’elle rencontre au cours de sa mission. C’est pour cette raison que les ailes des avions de ligne comportent des zones où un marquage interdit aux techniciens de marcher. Ils pourraient endommager l’extrados de l’aile qui est étudié pour supporter les forces de succion mais pas de pression. Toute recherche de résistance à des forces non rencontrées habituellement en vol exigera plus de structure et de poids. Tout poids inutile va à l’encontre de la raison d’être du véhicule qui est de voler avant tout.

 

Columbia STS-107
Le logo de la STS-107. Le µg représente la microgravité qui était un des sujets d’étude de la mission.
 

 

 

 

Le Réservoir Central Externe (ET)

Pour lancer la navette en orbite, celle-ci est attachée à un gros réservoir orange qui va aussi constituer une sorte de colonne vertébrale. Haut comme un immeuble de 10 étages (47 mètres), il permet aussi l’attache de deux boosters à carburant solide.

 

réservoir externe navette spatiale
Structure du réservoir externe (ET)
 

 

Ce réservoir central est divisé en trois compartiments faciles à distinguer depuis l’extérieur. Sa partie avant est remplie d’oxygène liquide (LOX). Sa partie arrière est remplie d’hydrogène liquide (LH2). Entre ces deux parties, il y a une zone annulaire comportant des instruments et une structure permettant l’attache avant de la navette et des boosters. Tout le corps du réservoir est couvert de 2.5 cm d’épaisseur de mousse polymérisée très proche du PIR utilisé en bâtiment.  Ce PIR isole le réservoir et évite qu’il ne se couvre de glace ou ne surchauffe lors de l’envol. Le réservoir central est connecté à la navette par deux gros tuyaux de 43 centimètres de diamètre. Il fournit de l’hydrogène et de l’oxygène aux 3 moteurs de la navette pendant un peu moins de 9 minutes. Son contenu est aspiré à une telle vitesse, qu’il a fallu installer à l’intérieur des cloisons percées pour éviter la formation de tourbillons.

Le réservoir central est utilisable une seule fois. Lors de l’ascension, il est largué de manière à ce qu’il tombe dans l’océan loin des lignes maritimes « connues » d’après la NASA. Dans les documents de l’Agence, ce réservoir est désigné par les lettres ET pour External Tank.

 

 

Propulseurs SRB 

De chaque coté du réservoir central, sont installés les deux propulseurs SRB qui donneront plus de 83% de la poussée totale de décollage. Chaque propulseur contient 500 tonnes de combustible qui partira à raison de 250 tonnes par minute. Les SRBs burlent de l’aluminium en poudre avec du perchlorate d’ammonium dégageant des gaz qui font passer votre 4×4 pour un véhicule très écologique. Les SRB sont  réutilisables. Certaines de leurs pièces ont été plusieurs fois au bord de l’espace et ont servi sur plus de 30 ans.

Apres leur largage, ils tombent au bout d’un parachute et émettent un signal qui permet aux navires Freedom Star et Liberty Star d’aller les repêcher dans l’Atlantique.

 

Freedom Star - NASA
Le Freedom Star après la récupération d’un SRB
 

 

 

Freedom Star et Liberty Star - NASA
Navires de récupération de SRB
 

 

 

SRB Récupération
Récupération des SRBs
 

 

 

 

Moteurs de la Navette

La navette est dotée de 3 moteurs qui, malgré leur puissance, jouent un rôle modeste au de collage. Ce n’est que plus tard, quand les boosters sont largués, qu’ils deviennent la source principale de poussée.

Au nombre de 3, les moteurs de la navette brulent de l’oxygène et de l’hydrogène liquide à raison de 500 kg par seconde pendant les 9 minutes que dure leur exploitation. Après, ils exigent une révision totale.

Les moteurs de la navette éjectent de la vapeur d’eau uniquement. Celle-ci se forme après la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène.

 

Moteur de la navette Spatiale
Moteurs de la Navette Spatiale (230 tonnes de poussée par moteur)
 

 

 

Moteur de la navette Spatiale
Moteur au banc d’essai
 

 

 

Moteur de la navette Spatiale
Les moteurs sont révisés par Pratt & Whitney après chaque mission
 

 

 

 

La mission

Appelé officiellement STS-107, ce 113eme vol de la navette avait pour but d’analyser la microgravité de la terre et réaliser des expériences scientifiques en orbite. A cause de limites physiques et techniques, les navettes spéciales ne vont pas très haut. Columbia devait orbiter à environ 270 km de la terre soit 14 fois l’altitude à la quelle volait le Concorde.

A son bord, il y avait 7 membres d’équipage dont le premier astronaute israélien Ilan Ramon et deux femmes, dont l’une, Kalpana Chawla d’origine indienne et héro nationale en Inde.

Tout l’équipage trouvera la mort peu avant la fin de la mission.

 

 

Historique

Malgré toutes les protections mises en place, à chaque décollage, des morceaux d’isolant PIR sont arrachés du réservoir central et pleuvent autour de la navette. Seconde après seconde, la vitesse de la navette augmente et l’impact avec ces débris devient plus dangereux. En 1988, après le retour de la navette Atlantis de sa mission STS-27R, plus de 707 impacts ont été comptés sur les ailes.

 

Attache Navette
Ce cache est perdu régulièrement. Il pèse 750 grammes mais à forte vitesse il peut causer des dégâts.
 

 

 

Columbia
Détail
 

 

Un gros morceau d’isolant couvre les attaches avant de la navette au réservoir central. Il fait environ un mètre de long et à la particularité de s’arracher intempestivement. Durant au moins 6 vols précédents, cet isolant à la forme aérodynamique s’était arraché sans causer de problèmes autres qu’une certaine attitude d’esprit de la part des responsables de la NASA. A force de revoir cet événement récurrent mais sans impact aucun sur le vol, le phénomène a été considéré comme normal. Le sociologue Diane Vaughan parle de« normalisation de la déviance ». On trouve cette attitude en tant qu’élément précurseur dans beaucoup d’accidents d’aviation ou catastrophes industrielles.

Le 16 janvier 2003, marque le départ de la mission STS-107 de la navette Columbia. Avec 7 astronautes à bord, la mission sera dédiée à la recherche sur des sujets variés incluant la microgravité,  l’observation du désert, l’observation du l’ozone ou du calcul de la viscosité du Xénon.

 

 

Le décollage

Le départ de la mission avait été retardé 18 fois en 2 ans. Initialement programmé pour partir le 11 janvier 2001, le vol n’a pu être réalisé que le 16 janvier 2003 soit après plus de deux ans.

La séquence de démarrage se déroule normalement. Vers la fin du compte à rebours de l’eau sous pression est injectée sous la navette pour protéger le pad de lancement et atténuer le bruit. Des petites meules commencent à cracher des gerbes d’étincelles. En effet, au moment où les moteurs principaux démarrent, ils ne sont pas très optimaux et peuvent cracher de l’oxygène et de l’hydrogène imbrulés. Les étincelles évitent l’accumulation de gaz qui pourraient exploser. Très rapidement, les moteurs atteignent leur réglage optimal. A ce stade, ils ont un rendement supérieur à 99.9%. La vitesse des gaz éjectés à dix fois la vitesse du son et des formes caractéristiques de « diamants » apparaissent dedans. A ce moment, les boosters sont activés et c’est le temps 0 du compte à rebours de la mission. A la base de chaque SRB, 4 gros écrous remplis d’azoture de plomb et de RDX explosent. Chaque écrou se sépare en deux parties libérant la fusée qui commence à tanguer de chaque coté.

 

Lancement Atlantis
Ecrou explosif de la navette spatiale
 

 

Columbia s’arrache de l’Aire de Lancement 39A du centre spatial Kennedy en Floride. Quelques secondes, après le contrôle aérien est passé à Houston au Texas. La navette tourne sur elle-même en utilisant ses ailerons et s’incline pour s’orienter déjà vers la direction de son azimut d’orbite. Puis, les trois moteurs principaux commencent à baisser leur puissance en 3 étapes vers 72% pour réduire l’effort sur la navette alors qu’elle franchit la vitesse du son et subit l’effort dynamique maximal. Tout ceci se passe durant les 30 premières secondes du vol.

Dès que la vitesse passe au-dessus de mach 1, les moteurs principaux augmentent de puissance jusqu’à 104%. Deux minutes après le lancement, la navette se débarrasse des boosters. A ce stade, et de manière temporaire, la navette est plus lourde que les 690 tonnes de poussée fournie par ses moteurs. Sa vitesse baisse un peu et le vol devient de plus en plus horizontal le temps de bruler plus de combustible. A t+9 minutes, le réservoir central se vide et il est largué également. A ce moment, la navette est pratiquement en orbite.

 

Lancement Atlantis
Lancement de la Navette (ici Atlantis)
 


Vidéo de la NASA montrant la séquence de décollage avec ralenti

Des inquiétudes

Le lendemain du lancement, le vendredi 17 janvier 2003, les techniciens de la NASA commencent à inspecter les premières vidéos disponibles et remarquent une anomalie à la seconde 81.  Un flash très furtif apparait alors que la navette est à 66’000 pieds d’altitude et fonce à deux fois et demie la vitesse du son.

Le site de lancement avait 5 cameras destinées à suivre Columbia pendant son ascension. Deux des cameras n’avaient pas le bon angle pour enregistrer l’événement. Une camera avait perdu la navette et filmait le ciel. Une autre avait un objectif mal réglé qui fournissait des images floues. La dernière montrait un impact mais sous un angle défavorable ne permettant pas d’estimer les effets. En 1986, après l’accident de Challenger, les cameras de la NASA avaient les mêmes problèmes.

Les techniciens de la NASA et ceux de Boeing travaillent d’arrachepied pour estimer les dégâts avec les informations disponibles. Les tests et simulations les conduisent à faire des sessions prolongées jusqu’au weekend inclus (alors que leur management leur avait demandé de ne pas travailler et de voir tout ça lundi). Convaincus que quelque chose de grave s’était passée, ils pensent même à un retour prématuré de la mission dès mardi. Ils demandent à leur hiérarchie l’ouverture d’une enquête et une inspection de la navette. L’email qu’ils ont envoyé le dimanche au responsable du Directorat du Centre Spatial Johnson à Houston demandant qu’on dise à l’équipage de faire une inspection visuelle de l’aile est resté sans réponse.

Comme rien ne bouge, un ingénieur prend sur lui de demander l’aide du Département de la Défense (DoD). Celui-ci a des satellites espions et d’autres équipements au sol qui lui permettent d’avoir des photos de la navette en orbite. Ces photos auraient permis de faire une analyse des dégâts. Le DoD commence à travailler sur les options possibles quand il obtient une demande d’annulation de la requête. En effet, Linda Ham, un manager de la NASA,  a compris qu’une personne était passée par-dessus sa tête pour demander l’assistance des militaires. Dans les notes du DoD, on voit la demande de la NASA arriver, puis elle est suivie par une annulation 90 minutes plus tard. Un email est même envoyé au DoD pour leur dire que tout va bien avec la navette mais aussi pour leur rappeler de ne pas donner suite aux demandes qui ne viennent pas par les canaux officiels. La navette est en orbite depuis 6 jours déjà.

Les techniciens et autres ingénieurs étaient dans une situation impossible. Quand ils demandaient plus de ressources pour enquêter, on exigeait d’eux qu’ils montrent d’abord la preuve qu’il y a eu des dégâts. Mais pour pouvoir estimer l’étendue des dégâts, ils avaient justement besoin des moyens techniques qu’ils demandaient.

L’équipage poursuit ses expériences dans une bonne ambiance et n’a pas la moindre idée de la guerre intestine qui se passe au sol.

 

 

La Presse s’en Mêle

A J+9, des journalistes sont au courant de l’incident et la NASA commence à recevoir des questions sur le sujet. La chose tombait très mal vu qu’une conférence de presse était prévue en direct avec la navette. Les responsables de la NASA décident de prendre les devants et informent l’équipage. Il serait plus juste de dire : ils désinforment l’équipage. En effet, ils leur racontent que tout va bien avec la navette et que toute cette histoire est montée en flèche par les medias à partir de rien.

Depuis les hublots, seule une partie de l’aile gauche est visible. Cette mission n’était pas dotée d’un bras télescopique capable de porter une camera. Par contre, il était possible de programmer une sortie de cosmonaute pour une inspection visuelle. Les choses sont si bien présentées au commandant de bord que celui-ci se range à l’avis de ses interlocuteurs et ne voit pas l’utilité de réaliser une sortie. A cet instant, il avait signé son arrêt de mort.

 

 

La dernière chance

Le 29 janvier 2003, le Département de la Défense offre encore une fois son aide à la NASA. Le bureau qui s’occupe de la sécurité des missions reçoit une proposition d’aide à la réalisation d’images de la navette. La proposition est déclinée poliment et aucune image ne sera prise.

La veille du retour tragique, une réunion est tenue mais le problème de l’impact n’est pas à l’ordre du jour et sera à peine évoqué.

 

 

Le retour

La navette vole le dos vers la terre pour présenter sa partie renforcée à l’espace d’où peuvent venir des micrométéorites. Elle vole également à l’envers. C’est-à-dire les moteurs principaux vers la direction de la marche. Elle subit totalement la gravité de la terre. Seule sa vitesse de 8 km par seconde crée une force vers l’extérieur qui vient contrer la gravité et maintenir le véhicule en orbite.

Le 1er février, il est 2:30 du matin en Floride quand les préparatifs du retour commencent. Les cosmonautes sont contents de rentrer à la maison. Tourner autour de la terre, c’est amusant un petit moment, mais après on a envie de revenir. Comme pour l’arrivée d’un avion de ligne, les prévisions météo sont évaluées puis les systèmes de l’appareil vérifiés. Ces vérifications sont formalisées dans de longues check-lists pour l’équipage mais aussi pour le personnel au sol.

A 8 heures du matin, tout est validé et la décision pour le retour est donnée par le chef de mission à Houston : ça sera un GO.

Dans les dix minutes, l’équipage est informé. Le commandant de bord Rick Douglas Husband, un Texan de 45 ans, entame la procédure de de-orbitage alors que la navette passe au-dessus de l’océan Indien en volant vers l’est. Les paramètres numériques pour l’ordinateur de bord sont calculés puis chargés depuis la terre directement dans la mémoire de l’ordinateur de bord. Ils sont ensuite énoncés par radio au commandant de bord qui vérifie qu’ils sont entrés correctement dans le système.

A 8:15 du matin, la navette se retourne en position normale et deux petits moteurs de part et d’autre de la gouverne de direction sont allumés. Pendant 2 minutes et 28 secondes, ils vont bruler un mélange de mono méthyle hydrazine (MMH) et du tétraoxyde d’azote (N2O4) afin de produire une force qui fera ralentir la navette. Dès que sa vitesse se réduit, la navette commence à tomber vers la terre. Cette réduction de vitesse est minime : de l’ordre de 300 km/h.

Dans le cockpit, en plus des deux pilotes, deux autres membres d’équipage occupent les sièges observateurs. Les trois autres cosmonautes se trouvent un étage plus bas dans une soute. Autour d’eux, il n’y a que des armoires et des caissons métalliques solidement arrimés. Ils ne voient rien de ce qui se passe.

Une demi-heure plus tard, la navette est à 120 kilomètres d’altitude (400’000 pieds) au-dessus du Pacifique. Cet endroit est appelé « interface d’entrée ». C’est là où les premières particules d’atmosphère terrestre commencent à se faire sentir et influencer la trajectoire. La compression des molécules d’air contre les bords d’attaque de la navette fait progressivement monter la température de ceux-ci à 1370 degrés C. Le site d’atterrissage est à 4300 miles nautiques.

A 8:50, la navette vole à 74 km d’altitude et affiche une vitesse de mach 24 en s’approchant des cotes de la Californie. La température dépasse les 1450 degrés C. Dès ce moment,Columbia rentre dans une phase de 10 minutes de réchauffement maximal.

A 8:52, la navette commence à avoir une forte tendance de lacet négatif (vers la gauche). L’ordinateur de bord utilise le trim d’ailerons pour compenser (la gouverne de direction est bloquée jusqu’à mach 3.5). A ce stade, l’aile gauche avait commencé à provoquer plus de trainée aérodynamique que l’aile droite. L’équipage ne se rend compte de rien, mais cette tendance est un signe précurseur des problèmes à venir.

A la même minute, la température du puits du train d’atterrissage gauche commence à augmenter rapidement. L’air chaud s’engouffrait progressivement à l’intérieur de l’aile et arrivait jusqu’au train d’atterrissage.

A 8:53, Columbia passe au-dessus des cotes de la Californie au nord de la ville de San Francisco. L’altitude est de 70.6 km et la vitesse mach 23. La température est à 1540 degrés. L’air est plus dense et les effets du frottement et de la compression se font sentir de plus en plus fort.

En 26 secondes, 4 sondes de pression hydraulique des circuits de l’aile gauche tombent en panne. Les techniciens du centre de contrôle des missions à Houston voient les alertes tout de suite, mais décident de ne pas inquiéter l’équipage pour le moment.

A 8:55, la navette vole au-dessus du Nevada à une altitude de 69.3 km. La vitesse est de mach 22.5 et la température atteint 1650 degrés.

A 8:58, elle passe la frontière du Texas. Altitude : 63.9 km. Vitesse mach 19.5 et la température en légère baisse mais restant toujours au-dessus de 1500 degrés.

L’équipage voit une première alarme s’afficher. Elle concerne la perte de pression dans les deux roues du train d’atterrissage gauche. Un des pilotes essaye de contacter Houston mais la communication est entrecoupée et inaudible.

A 8:59, la tendance de lacet est si forte que le trim d’ailerons arrive à 3 degrés. Trois petites fusées (RCS) sur l’avant de la navette sont activées par l’ordinateur de bord. Habituellement, ces fusées s’allument brièvement par pulses pour ajuster la trajectoire. Au bout de quelques secondes, ces RCS sont allumées continuellement fournissant leur puissance de correction maximale.

A 8:59:32, le pilote automatique de la navette comment à perdre la gestion. La trajectoire se transforme progressivement en entrée balistique non contrôlée.

A 8:59:33, le voyant Master Alarm s’allume dans le cockpit et une alarme sonore retentit.

A 8:59:36, le trim d’ailerons dépasse les 3 degrés

A 8:59:37, la quatrième fusée RCS s’allume de manière continue. Les cameras au sol enregistrent un flash brillant. Tous les circuits hydrauliques, au nombre de 3, perdent leur pression. Les surfaces de vol de Columbia reviennent au neutre et celle-ci ce cabre brutalement.

A 8:59:46, la navette est cabrée presque à la verticale et suit une trajectoire balistique avec le vecteur vitesse parallèle au sol. Des oscillations importantes de l’ordre de 30 à 40 degrés par seconde sont ressenties par l’équipage. L’accélération est de l’ordre de 0.8 à 3g seulement. Un des moteurs de la navette se sépare. Les cameras au sol le suivent pendant 37 secondes où il tombe en se désintégrant.

 

Columbia
Apres la perte de contrôle. Une seconde sépare chaque image de la suivante.
 

 

A 9:00:03, un des pilotes appuie sur un bouton pour réenclencher le pilote automatique.

A 9:00:05, les pilotes lancent des pompes hydrauliques pour tenter de pressuriser le système. A ce moment, les indicateurs de quantité et de pression sont tous à zero.

A 9:00:18, la navette se casse en deux parties qui commencent progressivement à se séparer. Les cellules qui produisent du courant sont situées dans la baie arrière. Privés d’énergie, tous les systèmes du cockpit s’éteignent. Cette séparation est provoquée par les contraintes thermiques. Les contraintes physiques n’avaient pas dépassé les limites structurelles de la navette.

Pas plus tard que 9:00:35 (+/- 5secondes), la cabine se dépressurise et poursuit sa trajectoire en tournoyant. La dépressurisation se passe très rapidement et les occupants perdent conscience. La rotation de cette partie de la navette est déterminée par les calculs, mais aussi par les cameras au sol qui montrent que la lumière émise augmente et diminue cycliquement correspondant à la rentrée dans l’atmosphère d’un objet non symétrique et tournoyant.

A partir de 9:00:35, Durant cette phase, les membres d’équipage sont inconscients, mais vivants pour la plupart, sont soumis à des forces qui projettent le haut de leurs corps contre la structure de la navette. En effet, les harnais de sécurité mal conçus lâchent et les casques sont perdus également. C’est durant cette phase que les blessures mortelles sont reçues.

 

Lancement Atlantis
Dernière image du cockpit encore en un seul morceau
 

 

A 9:00:53, le cockpit commence à se désintégrer.

 


Entrée et désintégration de Columbia
 

 

Près de Dallas, des témoins voient une formidable explosion dans le ciel et plusieurs objets brillants apparaissent en défilant rapidement vers l’est. Le bruit arrive jusqu’au sol évoquant aux vétérans le tonnerre des bombes à cluster. Puis, pendant plus d’une demi-heure, les débris pleuvent sur le Texas.

Un homme reçoit un morceau de métal sur sa voiture. Ailleurs, c’est une vache qui est tuée par un débris. Un autre habitant du Texas dit avoir vu un moteur de la taille d’un camion tomber du ciel. Dans la ville de Palestine, un fragment de la navette tombe en pleine rue devant un policier qui faisait la circulation. Un peu loin, dans une zone de fermes et de caravanes, tombe un casque, puis un crane humain presque tout nettoyé de sa chair. Des gens trouvent un cœur, une jambe coupée en-dessous du genou, une main, un torse, un fémur… Tout est récupéré et mis à disposition de la NASA.

Des collectionneurs ramassent des débris et les prennent chez-eux. Bientôt, ils apparaissent sur eBay. Les enchères sont retirées et le FBI offre une période d’amnistie de trois jours à ceux qui rendent ce qu’ils ont trouvé.

 

 

La dernière vidéo
Durant le retour vers la terre, il y a une petite camera qui passe de main en main dans le cockpit. Les cosmonautes se filment pendant qu’ils travaillent et commentent le vol. Vers la fin de l’enregistrement, le copilote dit :

–          C’est brillant vers le nez. Tout autour c’est jaune orange
–          Attends un peu tu vas les voir sur ton hublot !
–          Wow !
–          Tu n’as pas envie d’être dehors en ce moment lance le commandant de bord

L’ambiance est très détendue et ça rigole souvent. Chawla, lit un chiffre sur un ordinateur portable. Elle se trompe, puis s’excuse et rectifie. Tout semble normal. D’après la NASA, la navette s’est désintégrée 11 minutes après la fin de cet enregistrement.

 


Vidéo récupérée après l’accident
 

 

 

 

L’enquête
La NASA se réveille avec une gueule de bois formidable. Le président Bush passe à la télévision le jour même alors que la presse mondiale ne parle que de l’accident.

L’enquête se concentre sur ce que les techniciens ne savaient que trop bien : l’impact avec l’isolant.

En laboratoire, une aile est fabriquée en fibres de glace et son bord d’attaque muni de protections retirées depuis la navette Entreprise qui reposait dans un musée depuis sa fin de service en 1977. A l’aide d’un canon à air comprimé, des tirs sont réalisés. Le projectile étant le fameux isolant de l’attache au réservoir principal externe. La majorité des impacts ne produisaient que des fissures qui ne menaçaient pas l’intégrité de l’aile. Cependant, vers la fin des tests, un tir réussit à casser un morceau d’isolant en laissant une zone non protégée de 40 x 40 cm.

Sans l’isolant thermique, l’air chaud et le plasma arrivent au contact de l’aluminium de l’aile et finissent par le faire fondre et puis s’engouffrent à l’intérieur de l’aile provoquant sa destruction.

 

Columbia Impact Test
Test d’impact sur les pannaux RCC
 

 

 

 

Processus de décision

Comme après la tragédie de Challenger, le processus de décision de la NASA se retrouve sous le microscope.  Le revêtement isolant des ailes est si fragile qu’il  est même interdit de le toucher à la main. Sur certaines de ses zones, le fait de presser légèrement avec le doigt peut laisser une marque. Encore une fois, ces matériaux sont conçus avec un cahier de charges précis et supportent seulement les contraintes pour lesquelles ils sont conçus et pas autre chose.  Un impact avec un morceau de glace, des oiseaux ou des morceaux d’isolants peuvent causer des dégâts.

La NASA semble avoir subi un effet négatif de l’expérience. Alors que les réservoirs externes étaient utilisés depuis 25 ans, ce temps ne semble pas avoir été mis à profit pour se rendre compte de la menace que représentaient les impacts d’isolants qui se détachent. Au contraire, avec le temps qui passait, cette menace était intégrée et considérée comme un problème normal, inévitable mais non dangereux. Pourtant, lors du premier vol de Columbia en 1981, plus de 300 briquettes d’isolant avaient du être remplacées à cause d’une pluie de débris dégagés par le réservoir externe.

Par la suite, après chaque mission, la navette revenait avec un moyenne de 143 dommages d’impacts sur ses protections thermiques dont 31 avait au moins une dimension supérieure à 2.5 cm. L’intrados de la navette avait lui une moyenne de 101 impacts après chaque décollage dont 23 avaient un diamètre supérieur à 2.5 cm. En particulier, l’isolant qui couvre l’attache avant de la navette s’était détaché à 6 reprises avant l’accident toutes documentées par la NASA :

Mission STS-7 en 1983

Mission STS-32R en 1990

Mission STS-50 en 1992

Mission STS-52 en 1992

Mission STS-62 en 1994

Mission STS-112 en 2002 (Atlantis et non Columbia)

Dans chaque cas, c’est toujours l’isolant du bras gauche (appelé -Y) qui se détachait. La NASA n’a jamais pu expliquer pourquoi le droit n’était pas touché par le même problème. Une des raisons possibles serait la proximité de ce dernier du tuyau d’oxygène qui doit fournir une sorte de protection contre les forces aérodynamiques.

Dès la première occurrence en 1983, l’incident a reçu l’attention des ingénieurs et puis le problème est classé comme résolu. Le 1992, lors de la STS-50, la navette reçoit un impact qui causa le dommage le plus important de son histoire. L’impact avait laissé une dépression de 22 cm de long, sur 12 cm de large et plus de 1 cm de profondeur. Là encore, une enquête est ouverte. Deux jours avant le prochain vol, le dossier d’incident est fermé avec l’indication que cet événement n’est pas un problème affectant la sécurité du vol.

Un peu plus tard, l’inspection de la navette après le retour de la mission STS-52 donne froid dans le dos. Les techniciens dénombrent 290 traces d’impact sur le revêtement de protection thermique. Seize impacts étaient plus grands que 2.5 cm.

La mission STS-112, où ce même incident arrive, est la dernière occasion ratée pour reconnaitre la gravité de ce problème. Là, les managers vont encore plus loin et refusent de classer l’événement comme anomalie en vol. En plus, ils décident de faire voler au moins deux missions avant de voir comment ils peuvent régler ce problème récurrent et ennuyeux.

Lorsque les techniciens du vol tragique avaient demandé à leurs managers de lancer une enquête pendant que Columbia tournait en orbite, la réponse fut un non catégorique tout à fait en ligne avec la culture qui s’était instaurée à la NASA sur le sujet.

Dans un briefing datant de 3 mois avant l’accident de Columbia, le management de la NASA en arrive à utiliser de drôles d’arguments pour justifier la non gravité supposée de cet incident répétitif. L’un d’eux est que les techniciens qui fabriquent l’isolant ont plus de « 20 ans d’expérience » ! Puis ils utilisent des « procédures validées ». Et puis la probabilité d’occurrence n’est « ni plus élevée, ni moins élevée que lors des vols précédents ». Le transparent utilisé regroupe ces déclarations qui témoignent d’une logique biaisée et d’une culture de sécurité totalement tordue. Les « procédures validées » est une expression qui ne veut rien dire. Les 20 ans d’expérience des techniciens ne sont pas une garantie. Tout comme le fait que dans le passé ça s’est toujours bien terminé. Les compagnies d’investissement mettent toujours une petite note dans leurs contrats indiquant que les performances passées ne présument pas des performances futures ! De la même façon, des pratiques risquées et tordues peuvent donner de bons résultats à plusieurs reprises. Ceci ne veut jamais dire qu’elles donneront tout le temps de bons résultats.

 

Columbia
Présentation « rassurante » de la NASA
 

 

Après l’accident de Challenger en 1988, la commission d’enquête écrivait : Le phénomène qui conduit à accepter la perte de joints lors de précédents vols est très clair. Le vol Challenger en est un excellent exemple. Il y a plusieurs références à des vols qui se sont déroulés avant. Le succès de ces vols est considéré comme une preuve de sécurité. Pourtant, la destruction de ces joints n’est pas quelque chose de prévue dans leur conception. Elle aurait du être prise comme une alerte que quelque chose ne va pas. Cette destruction n’est pas quelque chose de laquelle la sécurité peut être inférée. Le parallèle avec ce qui s’est passé en 2003 est frappant.

La NASA s’est aussi rassurée par des statistiques truquées. Tout d’abord, la perte de l’isolant -Y a été moyennée avec celle de l’isolant +Y. Or ce dernier ne s’est jamais détaché, donc sa probabilité de causer des problèmes était précisément de zero. Puis, chaque fois que les images n’étaient pas présentes, on a considéré que rien ne s’était détaché selon la formule : si on n’est pas là pour le voir, ça ne se passe pas. On a aussi éliminé certaines missions… avec beaucoup de bonne volonté, les décideurs ont réussi à se congratuler avec le chiffre de 99%. C’est-à-dire 99% de chances que rien ne se détache du réservoir central. Sur le papier tout du moins.

 

Culture NASA
Culture interne de la NASA
 

 

 

 

Pression Politique

Un fait, qui semble presque sans relation avec le STS-107 a joué un rôle important. La NASA était impliquée dans la Station Spatiale Internationale. Projet couteux et dépassant son budget. Pour regagner de la crédibilité et maintenir le soutien de la Maison Blanche, elle devait se montrer capable de contrôler ses missions en termes de couts et de calendrier. En Février 2004, la mission STS-120 était prévue pour installer un module important, Node 2, de la Station Internationale. Pour que cette mission soit à l’heure, il fallait finir les précédentes au plus vite. Ceci exigeait de faire partir 10 missions en moins de 16 mois. Comme le souligne la commission d’enquête, même si le vol Columbia STS-107 n’avait rien à faire avec la Station Spatiale, il a été tout de même touché par la pression temporelle qui régnait à tous les niveaux.

Des ingénieurs de la NASA avaient expliqué après l’accident que le 19 février 2004, la date arbitrairement choisie pour le départ de la STS-120, semblait avoir été gravé sur la pierre. Dès 2002, une capture d’écran montre un screen saver d’un PC de la NASA indiquant jusqu’en secondes le temps restant pour le départ de la STS-120. Les autres missions semblaient bien moins importantes en regard de celle-ci.

 

Columbia
Fond d’écran indiquant le temps restant pour la STS-120 (elle ne partira qu’en fin 2007)
 

 

 

 

Un sauvetage

Une des raisons avancées par les responsables de la NASA pour justifier leur refus d’une enquête technique était leur perception que de toute manière, rien ne pouvait être fait même en cas de découverte d’avarie grave sur la navette. Après, l’accident, une étude a été faire pour voir qu’elles auraient été les options.

Le scenario suppose que la NASA réagisse immédiatement à l’alerte donnée et lance une demande de photos au DoD puis une sortie dans l’espace au plus tard à J+5. A ce stade, les dégâts auraient été estimés comme incompatibles avec une rentrée dans l’atmosphère.

A J+6, les médecins de la NASA auraient immédiatement ordonné à l’équipage de cesser les expériences et toute activité physique afin d’économiser les consommables. Le consommable le plus critique était l’hydroxyde de lithium emporté en canettes qui absorbaient le dioxyde de carbone expiré par les occupants de la navette. En réduisant l’activité physique, il était possible de le faire durer jusqu’à J+30. L’oxygène pouvait assurer la survie jusqu’à J+31 c’est-à-dire jusqu’au matin du 16 février.

La première idée possible, aurait été la réparation en remplissant le trou avec des outils en métal ou des pièces en titane cannibalisées dans la cabine de Columbia. Le tout aurait été retenu par des sacs d’eau qui se serait congelée avec le froid de l’espace. Plus tard, cette eau aurait quelque peu  protégé l’aile. Il n’y aurait eu aucun autre moyen de tester cette réparation que de réaliser une rentrée. La rentrée aurait pu se faire selon un profil modifié limitant les frictions.

La seconde option était de lancer une mission de secours. En travaillant jour et nuit et sept jours par semaine, les techniciens auraient pu avoir la navette Atlantis prête sur le pad de lancement. Ses moteurs principaux étaient montés. Son réservoir principal était déjà assemblé avec les boosters. En effet, avant même le départ de Columbia, la NASA préparaitAtlantis pour une mission qui devait partir le 1er mars. En accélérant les préparatifs sans sauter aucune étape critique, cette navette aurait pu partir à la rencontre de Columbia dès le 10 février, c’est-à-dire 5 jours avant que les niveaux de CO2 ne deviennent mortels.

Atlantis aurait pu être lancée avec un équipage de quatre. Les deux pilotes et deux astronautes entrainés pour des sorties dans l’espace. Il y en avait 9 de disponibles à cette époque. De plus, courant février, la météo était favorable ouvrant de nombreuses fenêtres pour le lancement de la mission de secours.

Les navettes auraient pu s’approcher l’une de l’autre et orbiter ensemble. Ceci est une manœuvre très délicate mais totalement maitrisée depuis le programme de la Station Internationale. Les occupants seraient sortis un par un pour passer à bord d’Atlantis aidés par l’équipage de secours.

Atlantis serait revenue avec 11 personnes à son bord. Les 7 membres d’équipage de Columbia auraient été tassés dans le compartiment situé en dessous du cockpit.

Par la suite, Columbia aurait soit été revisitée pour une mission de réparation, soit le centre de contrôle à Houston aurait allumé à distance les fusés de de-orbitage au moment opportun pour que le véhicule finisse sa course quelque part dans le Pacifique Nord.

 

 

Le mot de la fin

Le 26 juillet 2005, 29 mois après l’accident, le programme spatial reprend avec le lancement de la navette Discovery avec 6 membres d’équipage. La sécurité du vol STS-114 ne fait pas l’unanimité alors que 26 techniciens et ingénieurs émettent un rapport exprimant leur inquiétude. La hiérarchie force les choses et la navette s’envole. Quelques secondes apes le décollage, deux vautours sont tués lors de l’impact avec le réservoir externe. Un peu plus tard, ce réservoir perd des pièces qui tapent contra la navette et endommagent une partie de son revêtement.

Une fois en orbite, une sortie est programmée  pour réaliser des réparations. L’équipage reçoit des vidéos depuis le sol montrant des techniciens réalisant la maintenance et expliquant les gestes étape par étape. La navette revient sur terre avec succès mais les vols sont interrompus pendant un an.

 

Commentaire d’un lecteur:

Concernant l’angle d’attaque (AoA) des navettes spatiales, il faut le dissocier de celui généralement observé dans aéronautique, c’est un sujet éminemment intéressant notamment pour l’extraordinaire planeur spatial réutilisable qu’était la navette spatiale.
L’AOA de la navette en rentrée atmosphérique est déterminé pour 40° mais cela n’a rien à voir avec celui d’un avion en matière d’incidence. En effet, pour les avions l’aile est porteuse, mais à ce niveau d’incidence, le profil n’est plus exploitable en matière de sustentation.
L’angle de 40° permet à la navette de générer une onde de choc devant, ce qui permet à la structure de ne pas entrer directement en contact avec le gaz très chaud (plasma) généré par le freinage aérodynamique. Pour la navette, cela avoisine 2000°, mais, grâce à ce principe, le planeur spatial est réutilisable, sinon l’ensemble de la structure serait trop fatigué par les hautes températures et ne permettrait plus un autre vol. C’est, cette onde choc, par sa caractéristique qui crée un écoulement de l’air autour du planeur propice à rendre compatible l’architecture d’un tel engin, pour une réentrée atmosphérique.
Le principe des tuiles thermiques, c’est l’ablation, c’est-à-dire, un matériau qui s’érode au fur et à mesure du temps d’échauffement (arrachement de matière) et ceci sur plusieurs dizaines de centimètres. Cela permet d’éviter de communiquer l’accumulation de chaleur à la cellule, ce qu’elle ne supporterait pas.
Lorsqu’on augmente l’AOA du planeur, on augmente l’onde de choc frontale, ce qui augmente globalement la traînée et ralenti l’engin.
Donc, pour allonger la trajectoire, on réduit l’angle d’incidence, (AOA) ce qui augmente en fait, le planer (meilleure portante résiduelle), l’engin allonge sa trajectoire. Pour obtenir l’effet inverse, on augmente l’incidence, ce qui augmente la résistance générale à l’avancement, le ratio de planer se dégrade et la distance franchissable diminue.
Donc dans ces deux cas, il n’y a pas à proprement parler d’effet de portance, car, l’aile n’est pas soumise à un écoulement aérodynamique traditionnel, ce n’est en fait, qu’une modification générale de la traînée (résistance) offerte par l’intrados de la navette, qui fait office dans cette phase, de bouclier thermique.
La variation de cette incidence (AOA) entre un avion conventionnel et la navette n’a donc rien à voir lorsque le planeur spatial est en phase de conversion d’énergie cinétique en énergie calorifique.
Le Bank est une manière de modifier la trajectoire sans changer les éléments aérodynamiques du moment, c’est-à-dire, l’incidence et l’angle de rentrée. En fait, on incline le nez du planeur vers un azimut différent à gauche ou à droite de la trajectoire idéale, ceci permet d’augmenter la distance à parcourir (on fait des S) et donc de subir plus de temps de freinage (parcours plus grand) subterfuge qui se solde par un raccourcissement du point d’aboutissement au sol.
Ce sont, je pense, les fameux S-Turn qui permettent de gérer assez finement l’arrivée du planeur dans la bonne trouée d’atterrissage, c’est-à-dire le cône de présentation pour la prise en compte de la piste.
Dès lors que la vitesse est revenue à une valeur plus raisonnable, vers Mach 3,ou 4, le planeur peut reprendre une valeur d’AOA plus conventionnelle, elle passe alors vers 20°ce qui est encore important comparativement à un avion standard.
Plus la densité de l’air augmente, plus la traînée du planeur augmente et comme il n’est pas très fin, plus il faut diminuer l’assiette pour conserver une vitesse suffisante pour l’arrondi final.
Cet arrondi permettra de transformer l’énergie cinétique pour obtenir un taux de chute compatible pour le contact au sol.
o L’angle de rentrée, (a) c’est l’angle en rapport avec le sol (horizon)
o L’angle d’attaque, (AoA) c’est l’angle entre l’aile et la masse d’air.
En fait, les calculateurs de vol adaptent en permanence le meilleur profil de vol en matière d’incidence, d’angle et d’assiette en phase finale.

 

 

 

 

 

 

 

 



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