Dimanche vers 10 h 40 MT, le vaisseau spatial Orion de la NASA s’écrasera dans l’océan Pacifique après son voyage de plusieurs semaines vers la lune et retour. Les passionnés de l’espace peuvent se connecter au livestream de la NASA pour assister à une physique extrême – ce qui sera la dernière étape de la mission historique Artemis 1, qui a été lancée depuis la Floride le 15 novembre.
Les chiffres sont ahurissants : la capsule Orion frappera l’atmosphère terrestre à des vitesses de près de 25 000 mph (ou environ 11 kilomètres par seconde) et connaîtra des températures proches de 5 000 degrés Fahrenheit dans le processus.
Iain Boyd est professeur au Département des sciences de l’ingénierie aérospatiale Ann et HJ Smead. Il a passé sa carrière à étudier l’hypersonique, ou les véhicules qui se déplacent beaucoup plus vite que la vitesse du son. Il dirige également un institut de la NASA de 15 millions de dollars appelé Advanced Computational Center for Entry System Simulation (ACCESS). Cet effort étudie de nouvelles façons de protéger les engins spatiaux alors qu’ils subissent les extrêmes de la pénétration des atmosphères sur Terre, Mars et au-delà.
Il a parlé des conditions auxquelles Orion peut s’attendre ce week-end et des raisons pour lesquelles l’industrie croissante du tourisme spatial pourrait nécessiter de nouveaux types d’écrans thermiques pour engins spatiaux.
La NASA utilise une manœuvre appelée « saut d’entrée » pour ralentir la capsule Orion. Qu’est-ce que cela signifie?
L’alternative à une entrée sautée est une entrée directe – juste entrer directement dans l’atmosphère terrestre et descendre. Dans une entrée par saut, vous entrez dans l’atmosphère sous un angle moins profond, puis vous revenez dans l’espace et revenez à nouveau. C’est un peu comme quand on saute des cailloux sur un lac. C’est une façon de décélérer sans rentrer tout de suite dans le chauffage. Il offre également plus de flexibilité sur l’endroit où la capsule atterrira.
Tout de suite. Même avec ces manœuvres, Orion va faire face à des conditions époustouflantes dimanche. À quoi pouvons-nous nous attendre ?
Lorsque vous volez très rapidement dans l’air ou dans tout autre gaz, le gaz lui-même s’échauffe. C’est comme la friction quand on se frotte les mains. Dans ce cas, lorsque vous revenez de la lune à ces vitesses, les températures des gaz sont supérieures à la température de surface du soleil – plusieurs milliers de degrés.
Orion ne transporte aucun membre d’équipage humain dans cette mission. Mais ce sera le cas à l’avenir. Comment la NASA les protégera-t-elle de ce genre de chaleur ?
Contrairement aux avions, les véhicules hypersoniques, y compris les capsules, ont ce qu’on appelle un système de protection thermique. Habituellement, il s’agit d’une collection de différents matériaux qui recouvrent l’extérieur du véhicule pour s’assurer que cette chaleur est maintenue à l’extérieur.
Artemis utilise ce que nous appelons un système de protection thermique « ablation ». Il s’agit d’un matériau qui, de par sa conception, se désintègre sous l’effet de la chaleur et se désagrège atome par atome, mais de manière contrôlée et bien comprise. En se désintégrant, ces atomes évacuent l’énergie et la chaleur du véhicule.
Cette stratégie est assez similaire à ce que la NASA a fait à l’époque d’Apollo. Les scientifiques explorent-ils également de nouvelles façons de protéger les engins spatiaux lors de leur rentrée ?
L’un des points forts de l’institut ACCESS est que nous allons analyser la prochaine mission Mars Sample Return de la NASA, prévue pour la fin de cette décennie.
La NASA va voler vers Mars, faire atterrir un rover à la surface, ramasser de la terre et des roches martiennes et voler jusqu’au bout. Cette capsule entrera dans l’atmosphère terrestre à environ 14 kilomètres par seconde. Le vaisseau spatial Orion se déplacera à environ 11 kilomètres par seconde. Quatorze kilomètres par seconde ne ressemblent pas à un grand saut, mais cela s’avère être un régime physique différent. Nous allons avoir besoin de différents matériaux et d’un autre type de bouclier thermique.
Comment fonctionneraient ces nouveaux écrans thermiques ?
Certaines des approches qui sont à l’étude sont ce qu’on appelle des matériaux tissés. Vous commencez par tisser ensemble des fibres de carbone, puis vous injectez de la matière dans les interstices entre les fibres. Cela semble low-tech, mais c’est en fait de la très haute technologie.
Les fibres elles-mêmes subiront toujours l’ablation. Mais lorsque les produits chimiques injectés entre les fibres chauffent, ils se décomposent et se transforment en gaz. Ce gaz s’écoule de l’intérieur du bouclier thermique vers l’extérieur, créant des effets de refroidissement supplémentaires
À mesure que l’industrie du tourisme spatial se développe, nous allons voir beaucoup plus de lancements d’engins spatiaux depuis la Terre et, espérons-le, revenir. Quels types de problèmes cela soulèvera-t-il?
L’un des principaux défis pour une économie spatiale réussie sera d’avoir des véhicules plus efficaces et des boucliers thermiques plus efficaces. Et cela va nous obliger à mieux comprendre tous ces processus physiques et chimiques. Chaque couche que nous pouvons raser de notre bouclier thermique parce que nous sommes convaincus que nous n’en avons pas besoin augmentera l’efficacité de ramener des choses de l’espace.