Soyouz | Rendez-vous et amarrage

Le vaisseau Soyouz a été conçu dès son origine pour réaliser des missions d'amarrage, soit vers un vaisseau similaire, soit vers une station orbitale. Pour atteindre cet objectif, Soyouz a besoin d'un système de rendez-vous qui lui permet de rejoindre sa cible, et d'un système d'amarrage qui lui permet de s'y accrocher.

1. Le système d'amarrage

Les premiers Soyouz (11F615) étaient équipé d'un système d'amarrage relativement rudimentaire, qui permettait simplement à deux vaisseaux de s'accrocher.

Fig. 1 : Réplique d'un vaisseau Soyouz de première génération (11F615).
National Space Center de Leicester. Crédit : Nicolas PILLET.

Avec l'entrée en service des premières stations orbitales DOS, il a fallu développer un système qui permettait non seulement l'amarrage, mais qui était équipé d'une écoutille autorisant les cosmonautes à passer du vaisseau à la station. Ce nouveau système, appelé SSVP, est encore utilisé aujourd'hui pour les missions vers la Station Spatiale Internationale.

Fig. 2 : Vue du système SSVP de Progress M-66.
Crédit : NASA.

2. Le système de rendez-vous

Les premières versions du vaisseau Soyouz étaient équipées d'un système appelé Igla. Depuis la version Soyouz TM (11F732A51), Le système utilisé est le Kours, dont le principal avantage est de ne nécessiter aucune manœuvre de la part de la station orbitale ciblée, qui reste ainsi totalement passive.

Ces deux systèmes sont entièrement automatiques et ne nécessitent pas d'intervention humaine, à part pour leur mise en service en début de mission.

3. Le profil de rendez-vous

3.1. Premiers rendez-vous orbitaux

Les premières expériences de rendez-vous spatiaux ont été réalisées en Union soviétique en 1962 et 1963 avec les vols jumelés Vostok-3/Vostok-4 et Vostok-5/Vostok-6. Lors de ces missions, le second vaisseau était lancé vingt-quatre heures après le premier, au moment où celui-ci repassait au-dessus du cosmodrome de Baïkonour.

Cliquez ici si vous ne voyez pas la vidéo.

Vidéo 1 : Animation montrant un rendez-vous orbital de type Vostok.
Crédit : Космический испытатель.

Imaginons que l'orbite du premier vaisseau soit connue avec exactitude, et que la précision du lanceur soit parfaite. Si le second vaisseau est lancé à l'heure exacte où le premier repasse au-dessus du pas de tir, alors il arrivera précisément au même point que lui.

Les missions Vostok n'étaient que des « vols groupés ». Les premières véritables tentatives soviétiques de rendez-vous et d'amarrage ont été réalisées par les vaisseaux Soyouz en 1967-1968 (Cosmos 186/Cosmos 188, Cosmos 212/Cosmos 213 et Soyouz-2/Soyouz-3).

Pour que le système Igla puisse être opérationnel, il faut que les deux engins soient à moins de 25km de distance. Cette condition repose uniquement sur la précision du lanceur. Or, compte-tenu de la précision du lanceur Soyouz (11A511), la probabilité qu'elle soit vérifiée n'était que de 70% [1].

3.2. L'ère des stations orbitales Saliout

Quand l'Union soviétique s'est lancée dans l'exploitation de ses premières stations orbitales, il a été décidé de les placer sur des orbites plus élevées que l'orbite initiale des vaisseaux Soyouz, de manière à réduire le freinage induit par la haute atmosphère.

La conséquence est que les vaisseaux Soyouz ne peuvent plus réaliser de rendez-vous direct comme montré sur la vidéo 1. Ils sont injectés sur des orbites plus basses que la station et, par conséquent ils avancent plus vite. Ils vont donc naturellement « rattraper » la station.

Fig. 3 : La station orbitale Saliout lors de l'un des premiers rendez-vous orbitaux.
Crédit : Videocosmos.

Deux paramètres entrent alors en jeu : l'angle de phase et le temps de mise en œuvre des corrections d'orbite.

- L'angle de phase est le retard du vaisseau sur la station. A titre indicatif, pour un Soyouz évoluant sur une orbite à 220km d'altitude et une station évoluant à 400km, la réduction naturelle de l'angle de phase est de 12° par orbite.

- L'angle de phase diminue naturellement, mais pour rejoindre l'altitude de la station, le vaisseau Soyouz devra réaliser un certain nombre de corrections d'orbite en utilisant ses moteurs. Chacune de ces corrections devra avoir une durée bien précise, afin d'apporter la variation de vitesse (dV), et donc d'altitude, recherchée.

Or, chaque correction demande du temps. Il faut d'abord mesurer l'orbite avec précision avec des stations sol (les mesures s'étalent sur quatre orbites, deux avant la correction et deux après), ensuite il faut en déduire par le calcul les paramètres de la corrections, puis les charger dans la mémoire du vaisseau (ce qui n'est possible que quand celui-ci est dans une zone de visibilité des stations de poursuite) et, enfin, il faut procéder à la correction en allumant les moteurs. Ce processus devra être répété à chaque correction étant donné que, par définition, une correction modifie l'orbite.

Autrement dit, plus on tolère un angle de phase initial élevé, plus il faudra réaliser de corrections d'orbite, et plus le temps de vol vers la station sera long.

Compte-tenu de la capacité de mesure dont l'Union soviétique dispose dans les années 1970, il est décidé d'utiliser pour les vaisseaux Soyouz un profil de vol sur vingt-quatre heures, qui les conduira à rejoindre les stations Saliout lors de leur dix-septième orbite. Pour qu'un rendez-vous soit possible dans ce laps de temps, l'angle de phase initial doit être inférieur à 90°.

Pour obtenir un angle de phase donné au moment du lancement d'un Soyouz, il y a deux moyens :

   - calculer l'instant exact du lancement en fonction de l'orbite de la station,
   - pour une date de lancement donnée, ajuster l'orbite de la station.

Compte tenu des contraintes de planification des lancements, les Soviétiques coupent la poire en deux. Ils fixent les lancements de manière optimale, et un mois avant le jour J ils ajustent l'orbite de la station.

3.3. La station orbitale Mir

En février 1986 débute la phase d'exploitation de la nouvelle station orbitale soviétique : Mir. Il est prévu de lui ajouter cinq modules additionnels, ce qui en fera une station beaucoup plus massive que les Saliout, constituées d'un unique module.

Du fait de sa masse très importante, environ 130 tonnes après son achèvement, Mir est plus difficile à manœuvrer. Contrairement aux Saliout, ajuster son orbite à chaque lancement d'un vaisseau Soyouz ou Progress serait bien trop coûteux ergols.

Fig. 4 : La station Mir.
Crédit : NASA.

Il est donc décidé d'abandonner le profil de rendez-vous en vingt-quatre heures, et de passer sur un profil en quarante-huit heures. Laisser plus de temps aux vaisseaux Soyouz leur donne plus de flexibilité dans leur corrections d'orbite. Ainsi, ils pourront se satisfaire d'un angle de phase initial de 180° avec Mir.

Le principal inconvénient de cette stratégie est un séjour prolongé pour les cosmonautes dans l'exigüe vaisseau Soyouz, qui a des conséquences non négligeables sur leur santé et leur adaptation à la microgravité.

3.4. La Station Spatiale Internationale

Pour les vols Soyouz et Progress vers la Station Spatiale Internationale, dont le premier module est lancé le 20 novembre 1998, la stratégie du rendez-vous en quarante-huit heures est renouvelée.

3.5. Les premiers rendez-vous rapides avec la Station Spatiale Internationale

En 2012, deux vaisseaux de ravitaillement, Progress M-16M et Progress M-17M, testent une nouvelle stratégie de rendez-vous avec la Station Spatiale Internationale. Ce nouveau profil leur permet de rejoindre la station lors de leur quatrième orbite, soit moins de six heures après leur lancement.

On a dit plus haut que plus l'angle de phase initial est élevé, plus il faut de temps au vaisseau pour rejoindre la station car il devra effectuer davantage de corrections d'orbite, chaque correction prenant un certain temps.

Pour diminuer le temps de vol vers la station, il y a deux méthodes :

      1. obtenir un angle de phase initial plus faible,
      2. diminuer le temps de réalisation des corrections d'orbite.

Le TsUP choisit un compromis. D'une part, il s'arrange pour choisir les dates de lancement de façon à avoir un angle de phase initial d'environ 30° (ce qui complique la gestion du planning des vols).

D'autre part, il optimise le temps de réalisation des quatre premières corrections d'orbite. D'habitude, avant chaque correction, le TsUP mesure l'orbite et charge les instructions dans l'ordinateur de bord du vaisseau.

Fig. 5 : Le Centre de Contrôle des Vols (TsUP), dans la ville de Koroliov.
Crédit : Nicolas PILLET.

Avec le nouveau profil de vol, les vaisseaux réalisent leurs deux premières corrections sans attendre que le TsUP leur envoie les paramètres de l'orbite initiale : ils se basent donc sur des paramètres théoriques.

Pour les deux corrections suivantes, le vaisseau se base sur les paramètres de l'orbite mesurés par le TsUP avant les deux premières corrections. Une fois encore, il n'attend pas les paramètres réels et manœuvre en se basant sur des données théoriques.

Cette technique a été utilisée pour la première fois à un vaisseau habité en mars 2013, lors du vol de Soyouz TMA-08M.

3.6. Les rendez-vous rapides autonomes vers la Station Spatiale Internationale

On l'a vu plus haut, il est intéressant du point de vue de la flexibilité d'avoir un angle de phase initial admissible le plus élevé possible. Plus l'angle est élevé, plus il faut de corrections, et plus le temps de vol est rallongé.

Avec les premiers rendez-vous rapides de 2012, les Russes ont réduit l'angle de phase, et ont donc perdu en flexibilité. D'autre part, ils ont rendu les corrections extrêmement complexes car elles doivent se faire en se basant sur des paramètres théoriques. Si les paramètres réels sont trop éloignés de la théorie, le rendez-vous rapide tombe à l'eau.

A moyen terme, un nouveau système de navigation par satellite permettra de simplifier considérablement les corrections d'orbite, ce qui donnera aux vaisseaux Soyouz le beurre et l'argent du beurre. Ils pourront en effet se satisfaire d'un angle de phase initial élevé tout en réalisant leurs corrections avec précision.

Avec le profil de rendez-vous en quarante-huit heures, l'amarrage avec la station a lieu lors de l'orbite n°34. Après le lancement, le TsUP utilise les deux première orbites pour mesurer les coordonnées du vecteur vitesse, calculer les paramètres des deux premières corrections et les transmettre au vaisseau. Les deux premières corrections sont réalisées lors des orbite 3 et 4. Lors des orbites 6 à 11, le vaisseau est hors de visibilité des stations de poursuite (orbites dites sourdes).

Les coordonnées du nouveau vecteur vitesse sont mesurées, et les instructions sont calculées puis transmises au vaisseau lors des orbites 12 à 16. La troisième correction est réalisée lors de l'orbite 17. Une nouvelle phase hors visibilité arrive lors des orbites 22 à 27, puis les instructions pour la quatrième correction sont déterminées et transmises lors des orbites 28 à 30.

Les nouvelles coordonnées du vecteur vitesse sont transmises lors de l'orbite 32, et l'ordinateur de bord du vaisseau calcule les paramètres des dernières corrections, réalisées de manière automatique.

Fig. 6 : Chronologie du rendez-vous en quarante-huit heures.
Crédit : RKK Energuia.

A l'avenir, l'utilisation du système de navigation par satellite ASN-K (GLONASS et GPS) permettra de se passer des mesures d'orbites réalisées depuis le sol. Le vaisseau Soyouz connaîtra son vecteur vitesse en permanence et avec précision. Cela supprimera donc les neuf orbites actuellement nécessaires pour les mesures depuis le sol.

De plus, les vaisseaux Soyouz TMA-M et Progress M-M sont équipés du nouvel ordinateur de bord TsVM-101, qui est capable de calculer lui-même les paramètres des corrections d'orbites à partir des simples données du vecteur vitesse. Cette capacité a été testée pour la première fois en octobre 2012 avec le vaisseau Progress M-17M. Le calcul autonome des corrections supprimera donc huit orbites (4,5 + 3,5).

Remarque : cette capacité existait déjà sur les vaisseaux de génération précédente, équipés de l'ordinateur Argon-16 mais, pour une raison inconnue, n'avait jamais été exploitée.

Utilisation des orbites Nombre d'orbites pour un Soyouz « classique » Nombre d'orbites pour un Soyouz équipé de l'ASN-K et du TsVM-101
Mesures des paramètres de l'orbite 9 0
Calculs par le TsUP des paramètres des corrections et chargement dans l'ordinateur du vaisseau 4,5 0
Vérification de la précision des mesures d'orbite 3,5 0
Orbites sourdes 12 0
Réalisation des corrections 4 4
Total 33 4

Le système ASN-K combiné à l'ordinateur TsVM-101 permettent donc de se passer de 17 orbites. Toutes les opérations pourront donc être réalisées lors des quatre premières orbites, et les douze orbites sourdes sont donc de facto supprimées.

Bibliographie

[1] MOURTAZINE, R., BOUDILOV, S., Short Rendezvous mission for advanced Russian human spacecraft, Acta Astronautica. 67 (2010) 900-909
[2] MOURTAZINE, R., PETROV, N., Short profile for the human spacecraft Soyuz-TMA rendezvous mission to the ISS, Acta Astronautica. 77 (2012) 77-82


Dernière mise à jour : 25 septembre 2016