Soyouz | Rentrée dans l'atmosphère

Le vaisseau Soyouz est divisé en trois compartiments, et seul le Compartiment de Descente (SA) est capable de revenir sur Terre. Or, le lourd et encombrant système de propulsion du vaisseau est installé sur le Compartiment des Instruments de Bord (PAO).

Quand le SA s'en est séparé, il doit pourtant continuer à s'orienter afin de pouvoir aborder les couches supérieures de l'atmosphère avec un angle adéquat. Il a donc été équipé d'un petit système propulsif, rudimentaire, qui lui donne la capacité de manœuvre pour atteindre cet objectif.

1. Généralités

L'orientation autonome du Compartiment de Descente est assurée par le Système des Actionneurs de Descente, le SIOS (Система Исполнителных Органов Спуска). Il est constitué de deux voies redondantes, et il peut être divisé en trois sous ensembles fonctionnels :

     - le sous-système de pressurisation,
     - le sous-système de stockage de peroxyde,
     - les micromoteurs à réaction URMD.

Les huit micromoteurs URMD et leurs quatre vannes d'isolement (KO) sont répartis sur tout le Compartiment de Descente (SA). A part cela, tous les éléments du SIOS sont regroupés dans l'ensemble hydropneumatique PGA (Пневмогидроагрегат), situé derrière une trappe en bas du SA.

Fig. 1.1 : Schéma de l'emplacement de l'ensemble hydropneumatique.

Le SIOS fonctionne avec un monergol, c'est à dire un ergol qui joue à la fois le rôle de carburant et de comburant. Ici, c'est le peroxyde d'hydrogène qui a été choisi.

L'avantage d'utiliser un monergol est le gain en termes de masse et d'encombrement, qui sont évidemment des facteurs très limitant étant donné les dimensions réduites du SA. En revanche, un tel mode de propulsion fournit une impulsion spécifique (Isp) relativement faible.

2. Descriptif technique

Le sous-système de pressurisation

Sur chacune des deux voies, il est constitué d'un réservoir d'azote (BA) à une pression comprise entre 270 bars et 350 bars. Les BA sont équipés d'un capteur de pression (DBN) dont la valeur est retransmise sur le tableau de bord du vaisseau.

En aval du BA est installée une vanne de purge (KPA) et un détendeur (RA) qui permettent de pressuriser le réservoir de peroxyde d'hydrogène sans dépasser sa limite de fonctionnement. Au niveau des détendeurs, les deux voies sont mises en équipression par une vanne appelée KPA3.

Fig. 2.1 : Schéma du SIOS.
Crédit : Soyuz Crew Ops Manual.

Ensuite, un clapet anti-retour (KOA) donne accès au réservoir de peroxyde, dont la pression est mesurée par le manomètre DPR (valeur retransmise sur le tableau de bord).

Si le réservoir monte trop haut en pression, une soupape de protection KPrA permet de le détendre. Sa pression de fonctionnement est comprise entre 15 et 18 bars.

Le sous-système de stockage du peroxyde

Chaque voie comprend un réservoir (BP) contenant entre 29,6kg et 31,4kg de peroxyde d'hydrogène à une pression comprise entre 1,5 bars et 4,5 bars.

En aval des réservoirs, deux vannes en parallèle (KPP) conduisent au collecteur des micromoteurs. Des vannes (KPrP) permettent de relâcher la pression dans les réservoirs en cas de besoin, et d'autres (KSP) permettent de purger les réservoirs en fin de mission. En aval du collecteur, quatre vannes (KO) isolent les quatre groupes de micromoteurs.

Fig. 2.2 : Un PGA. Les deux sphères jaunes sont les réservoirs d'azote.
Les deux cylindres noirs sont les réservoirs de peroxyde.

Les micromoteurs

Le SIOS comprend huit micromoteurs URMD (Управляющие Реактивные Микродвигатели) qui servent à éjecter l'eau et le dioxygène formés par la dismutation du peroxyde.

Sur la première version du vaisseau Soyouz (11F615), il y avait deux moteurs pour le tangage (T1 et T2), deux pour le lacet (R1 et R2), avec une poussée de 7,5kgf, ainsi que deux autres pour le roulis (K1 et K2), avec une poussée de 15kgf.

A partir des Soyouz de deuxième génération Soyouz T (11F732), deux moteurs supplémentaires ont été ajoutés en redondance pour le roulis (K1D et K2D).

Fig. 2.3 : Un micromoteur URMD.
Musée Historique de la ville de Koroliov. Crédit : Nicolas PILLET.

Chaque moteur est constitué d'une vanne de contrôle électrohydraulique UEGK (Управляющий Электрогидроклапан), d'un réacteur catalytique et d'une tuyère.

Quand les vannes UEGK s'ouvrent sur commande du système de contrôle, l'azote sous pression pousse le peroxyde d'hydrogène dans le réacteur catalytique du micromoteur, et sous l'action d'un catalyseur il se produit la réaction d'oxydoréduction suivante :

2H2O2 → 2H2O + O2

Cette réaction, appelée dismutation, est exothermique. L'eau et le dioxygène sont éjectés par la tuyère, ce qui créé une poussée générant un moment autour du centre de gravité du vaisseau.

Fig. 2.4 : Emplacement des micromoteurs sur le Compartiment de Descente.
Crédit : Soyuz Crew Ops Manual.

Même sans la présence du catalyseur, la dismutation a lieu naturellement dans le peroxyde d'hydrogène, quoique beaucoup plus lentement. On estime qu'au bout de 195 jours après le remplissage des réservoirs BP1 et BP2, trop de peroxyde s'est dismuté pour pouvoir garantir le retour sur Terre en toute sécurité. C'est ce critère qui fixe la durée de vie d'un vaisseau Soyouz.

3. Séquence de fonctionnement

Durant toute la durée de la mission d'un vaisseau Soyouz, le système SIOS n'est pas utilisé. Quatorze secondes avant la séparation des trois compartiments du vaisseau, les cartouches pyrotechniques sont actionnées, ouvrant les différentes vannes qui mettent les deux voies en pression (KPA1,2,3, KPP, KO).

L'azote sous pression est ainsi libéré, poussant le peroxyde jusque dans les micromoteurs. Les vannes UEGK de ceux-ci sont ouvertes sur demande du système de contrôle afin d'orienter le vaisseau dans la position voulue. Depuis le début de la rentrée dans l'atmosphère jusqu'à l'ouverture du parachute, c'est le système SUS qui est aux commandes, puis il passe le relai au système KSP.

Fig. 3.1 : Un réservoir d'azote (BA) du SIOS.
Musée Historique de la ville de Koroliov. Crédit : Nicolas PILLET.

Au moment du largage du bouclier thermique, on considère qu'il n'est plus nécessaire d'orienter le vaisseau, et le SIOS n'est donc plus utile. En revanche, le peroxyde d'hydrogène qu'il contient représente un danger pour les cosmonautes et pour les équipes de récupération. Le signal de largage du bouclier thermique entraîne donc un ordre d'ouverture forcée des vannes UEGK, ce qui a pour conséquence de vidanger complètement les réservoirs de peroxyde.

Fig. 3.2 : Eventage du peroxyde d'hydrogène lors du retour de Soyouz TMA-07M.
Crédit : TsPK.

4. Historique

L'essai de largage du 3 novembre 1966

Alors que Soyouz n'avait pas encore réalisé son premier vol, un essai de largage s'est terminé par un échec. Le Compartiment de Descente est en effet tombé en chute libre après que l'une des suspentes de son parachute ait été fragilisée par le peroxyde d'hydrogène lors de son éventage.

L'accident de décembre 1966

Le 14 décembre 1966, lors de la préparation du deuxième vol d'essai du vaisseau Soyouz, un incident survient sur le lanceur conduisant à un report. Des équipes interviennent directement sur le lanceur, et la tour d'éjection de secours (SAS) se met intempestivement en service.

Elle provoque l'inflammation du peroxyde d'hydrogène du SIOS, qui entraîne l'explosion intégrale du lanceur. Trois personnes trouvent la mort lors de cet accident.

Soyouz-1

Lors du premier vol habité du programme, Soyouz-1, qui a conduit à la mort du cosmonaute Vladimir KOMAROV, le bouclier thermique n'a pas été largué, et en conséquence l'ordre de vidange des réservoirs BP1 et BP2 n'a pas été envoyé. Quand le Compartiment de Descente a impacté le sol, le peroxyde d'hydrogène a non seulement brûlé, mais le dégagement de dioxygène a fait se consumer tous les restes du vaisseau.

Sergueï ANOKHINE, membre de l'équipe de KOROLIOV et ancien pilote d'essais, était parmi les premiers à se rendre sur les lieux du crash. Il a déclaré par la suite : « Je ne peux même pas vous dire combien d'avions en flammes j'ai vus pendant la guerre, mais c'était sans comparaison avec ce que j'ai vu ici. Le peroxyde d'hydrogène s'avère bien plus horrible que le kérosène ».

La version Soyouz T

Sur les vaisseaux de première génération (11F615), le SIOS ne comportait que six micromoteurs URMD. A partir de la version Soyouz T (11F732), les moteurs de roulis redondants K1D et K2D ont été rajoutés, et le bloc abritant les moteurs de tangage T1 et T2 a été modifié.

Fig. 4.1 : Le moteur K2 de Soyouz-27 (à gauche), et la paire K2/K2D de Soyouz TM-14 (à droite).
Crédit : Nicolas PILLET / DR.

Fig. 4.2 : La paire de micromoteurs T1/T2 de Soyouz-27 (à gauche) et de Soyouz TM-14 (à droite).
Crédit : Nicolas PILLET / DR.

Les vaisseaux pour la Station Spatiale Internationale

Les vaisseaux en partance pour la nouvelle station orbitale reçoivent deux modifications, toujours dans le but de diminuer encore la vitesse de dismutation du peroxyde. Tout d'abord, un additif est ajouté dans le peroxyde d'hydrogène.

Ensuite, dans les réservoirs, les séparateurs qui isolent la phase liquide de la phase gazeuse sont modifiés : le vernis est abandonné et remplacé par un dérivé du Téflon (Fluorplast-10). Le vaisseau Soyouz TM-31 est le premier à bénéficier de ces deux améliorations.

La version Soyouz TMA : le système STEO

Au premier semestre 1999, la section n°27 de la RKK Energuia lance les études sur un nouveau système thermoélectrique de refroidissement baptisé STEO (Система Термоэлектрический Охладитель).

Le but est une fois encore d'augmenter la durée de vie de Soyouz en maintenant la température du peroxyde autour de 3°C (±3°C), ce qui limite la dismutation du peroxyde d'hydrogène. De plus, l'isolation des réservoirs est améliorée grâce à l'utilisation d'un nouveau matériau, le PET-011.

La décision d'implanter le STEO sur les vaisseaux Soyouz TMA est prise le 14 septembre 2000. Ce projet est complexe, car il faut modifier la structure du Compartiment de Descente ainsi que le système de contrôle du vaisseau (SUBK) pour qu'il alimente le nouveau système.

Fig. 4.3 : Le PGA de Soyouz TMA-5.
Crédit : RKK Energuia.

Début 2002, les études sont terminées et la phase d'essais au sol chez la société Impoulss peut commencer. Quand les essais sont terminés, la RKK Energuia place le STEO dans une chambre à vide simulant l'environnement spatial. Le test commence le 4 juin 2002 et dure 585 jours, soit jusqu'en janvier 2004.

Le STEO réalise son premier vol sur Soyouz TMA-5. Ironiquement, un incident a eu lieu avec le PGA lors de la préparation de ce vaisseau. Le gradient de pression lors des essais en chambre à vide n'a pas été respecté, ce qui a conduit à la perforation du séparateur en Téflon. Tout le PGA a dû être remplacé par celui qui était prévu pour Soyouz TMA-6. Néanmoins, le STEO se comporte de façon nominale tout au long de la mission.

Un autre incident est à signaler : début 2012, lors d'un essai de pressurisation en chambre à vide de Soyouz TMA-04M, une erreur de procédure provoque une augmentation trop importante de la pression dans le Compartiment de Descente. En conséquence, des fissures apparaissent au niveau des quatre connecteurs situés dans l'emplacement du PGA (bien visibles sur la figure 14). C'est tout le vaisseau qui doit être remplacé.

5. Photos

Fig. 5.1 : Vue de Soyouz TM-19 et récapitulatif des éléments du SIOS.
Crédit : Speyer Technik Museum.

Fig. 5.2 : Le micromoteur R1 de Soyouz-27.
Crédit : Nicolas PILLET.

Fig. 5.3 : Le vaisseau Soyouz TM-31 avec son PGA.
Crédit : RKK Energuia.

Fig. 5.4 : Les techniciens d'Energuia travaillent sur le PGA de Soyouz TMA-5.
Crédit : RKK Energuia.

Fig. 5.5 : L'emplacement pour le PGA de Soyouz TMA-11.
Crédit : Buran.ru.

Fig. 5.6 : Un PGA à la filiale d'Orevo du MGTU Baoumann.
Crédit : Nicolas PILLET.

Fig. 5.7 : Un PGA.
Musée de la Cosmonautique de Rostov-sur-le-Don. Crédit : Nicolas PILLET.

Bibliographie

- TCHERTOK, B., Rockets and People, Vol. 3, p. 646
- SEMIONOV, Y., На рубеже двух веков, p. 624
- LOPOTA, V., Первое десятилетие XXI века, p. 56, p. 60, p. 83, p.87, p. 90
- Soyuz Crew Operations Manual, disponible sur le forum NasaSpaceFlight L2


Dernière mise à jour : 4 septembre 2015