La combinaison spatiale

Une combinaison spatiale est un équipement utilisé pour protéger l'homme lorsqu'il se trouve dans l'espace. L'environnement spatial est caractérisé principalement par un vide presque total et des températures extrêmes. La combinaison spatiale est portée par les astronautes lors des sorties dans l'espace ou à la surface d'autres corps célestes (Lune) mais également à l'intérieur de véhicules spatiaux pour faire face à une dépressurisation accidentelle. Pour permettre la survie de son occupant une combinaison spatiale doit lui fournir de l'oxygène, évacuer le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau expirés et assurer une protection thermique tout en autorisant une mobilité maximale. Généralement à ces fonctions s'ajoutent un système de communications, une protection au moins partielle contre les rayons cosmiques et les micrométéorites et la possibilité pour son occupant d'absorber des liquides. Des progrès importants ont été réalisés depuis la réalisation de la première combinaison spatiale SK-1 portée par Youri Gagarine : les combinaisons spatiales modernes comme l'EMU de la NASA ou la combinaison russe Orlan permettent à leurs occupants de travailler à l'assemblage de la Station spatiale internationale dans le cadre de sorties dépassant 8 heures. Au cours du programme Apollo les astronautes américains ont réalisé des excursions sur le sol lunaire d'une durée équivalente avec leur combinaison spatiale A7L. Les combinaisons spatiales modernes combinent des parties rigides (torse, casque) avec des parties souples. Ces dernières sont constituées de plusieurs couches ayant chacun un rôle dédié : support d'un circuit refroidissement à eau, enceinte étanche, isolation thermique... Les recherches sur les combinaisons spatiales se poursuivent pour améliorer la mobilité du porteur limitée par la combinaison pressurisée malgré la présence de soufflets, réduire l'encombrement et relever le défi des futures missions d'exploration des planètes.

Un environnement spatial hostile

L'homme est par de nombreux aspects incapables de survivre dans l'environnement spatial sans équipements spéciaux. Le vide spatial ne lui fournit pas l'oxygène nécessaire à sa survie. Les fluides d'un homme exposé dans le vide gèlent ou s'évaporent presque instantanément entraînant une perte de conscience au bout d'une quinzaine de secondes et un coma irréversible au bout d'une minute. Le Soleil non filtré par l'atmosphère peut rendre aveugle de manière instantanée. En l'absence d'atmosphère pour brasser le flux thermique du Soleil, la température des parties du corps directement exposées aux rayons de l'astre peut atteindre 150 °C tandis que les parties situées à l'ombre peuvent descendre jusqu'à −120 °C. À l'extérieur de l'atmosphère terrestre, l'homme n'est plus protégé des micrométéorites et des rayons cosmiques.

Les fonctions principales d'une combinaison spatiale

Les fonctions principales de la combinaison spatiale sont donc de fournir de l'oxygène, un environnement pressurisé à l'astronaute, de réguler sa température, le taux d'humidité et enfin de résister aux micrométéorites ainsi qu'aux rayonnements solaires (lumière, chaleur, UV) et aux rayons cosmiques. Par ailleurs la combinaison doit permettre à son utilisateur de conserver suffisamment de mobilité pour remplir ses taches. Cette dernière contrainte constitue un des objectifs les plus difficiles à atteindre car une combinaison pressurisée portée dans le vide est rendue rigide par l'absence de pression extérieure.

Contraintes

Atmosphère et pression

Dans les véhicules spatiaux

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 1 atmosphère (1013 hectopascals). Cette pression résulte à hauteur de 79 % de la présence d'azote et de 21 % de la présence d'oxygène. Mais l'homme peut vivre sous une pression beaucoup plus faible comme le prouvent les populations habitant l'altiplano (Amérique du Sud) à près de 4 000 mètres d'altitude. Les vaisseaux des premières missions américaines de l'ère spatiale, dont celles du programme Apollo, se contentaient d'une atmosphère composée uniquement d'oxygène avec une pression réduite à 0,33 atmosphère (pour Apollo). Une atmosphère de ce type permet de réduire la masse du vaisseau car l'épaisseur de la coque pressurisée peut être réduite. Elle permet également de simplifier le système de support de vie par la disparition du circuit d'azote et de faciliter les sorties extravéhiculaires en réduisant le temps consacré à purger l'organisme de son azote. Mais une atmosphère composée d'oxygène pure constitue pour l'organisme un poison sur le long terme (hyper oxygénation). C'est pour cette raison qu'une atmosphère similaire à celle de la Terre (pression, composition des gaz) est maintenue à bord des stations spatiales (Skylab, Saliout, Mir et Station spatiale internationale) dans lesquels les astronautes effectuent des séjours de longue durée.

Dans le cadre des sorties dans l'espace

Il est exclu de maintenir une pression atmosphérique identique à celle de la Terre dans une combinaison spatiale. En effet dans le vide une combinaison sous cette pression est complètement rigide et interdit pratiquement tout mouvement des membres. Par ailleurs l'emport d'azote complique le système de support de vie portable qui doit être le moins encombrant possible. Toutes les combinaisons spatiales, qu'elles soient russes ou américaines, utilisent une atmosphère d'oxygène pur avec une pression nettement inférieure à 1 atmosphère pour permettre une certaine mobilité. Ainsi en ce qui concerne les combinaisons spatiales utilisées pour les sorties dans l'espace depuis la Station spatiale internationale, la pression dans la combinaison EMU américaine est de 0,3 atmosphère (300 hectopascals) alors que la combinaison russe Orlan a une pression de 0,4 atmosphère (400 hectopascals) et est donc théoriquement plus rigide à l'usage. Il résulte de cette caractéristique et d'une approche différente des risques d'accident de décompression un temps de préparation avant les sorties extravéhiculaires très différents : un cosmonaute russe se prépare en respirant durant une demi-heure de l'oxygène sous une pression identique à celle de sa combinaison spatiale ce qui correspond pratiquement au délai nécessaire pour enfiler sa tenue ; un astronaute utilisant l'EMU doit par contre se préparer en respirant durant 4 heures l'oxygène sous pression réduite¹.

Mobilité

Les combinaisons spatiales dédiées aux activités extravéhiculaires sont utilisées exclusivement durant les sorties dans l'espace ou sur la Lune ou à terme sur d'autres corps planétaires. Leurs caractéristiques peuvent varier en fonction de la mission précise que l'astronaute doit remplir mais elles comprennent toutes un système de protection thermique efficace contre des températures pouvant aller de -157 °C à +121 °C, une protection contre les rayons cosmiques et les micrométéorites, un éclairage, des points d'accrochage pour les outils. Ce type de combinaison doit permettre à l'astronaute de conserver une grande mobilité sans devoir exercer en permanence des forces trop importantes. Dans la Station spatiale internationale, russes (combinaison Orlan) comme américains (EMU) utilisent ce type de combinaison spatiale qui comprend un torse rigide et au niveau des articulations des joints avec roulements à bille qui accroissent la mobilité du porteur. Le poids de ces combinaisons comme la présence de nombreux points de contact durs interdisent l'utilisation de ce type de combinaison durant les phases de lancement ou de rentrée atmosphérique. Ce type de combinaison est apparu relativement tardivement : en 1971 pour les Russes (Orlan D) et en 1983 pour les Américains (EMU)

Les différents composants d'une combinaison spatiale

Afin de préserver l'intégrité physique de l'astronaute durant une activité extravéhiculaire (souvent abrégée en EVA, sigle pour « Extra-Vehicular Activity »), la combinaison spatiale doit fournir :

• une pression interne stable (actuellement de 0,29 atmosphère), cet air n'est renouvelé que par du dioxygène pur, pour assurer une respiration normale à une si faible pression (qui correspond à celle du sommet de l'Everest)
• une réserve d'eau, d'oxygène et un épurateur de gaz ;
• un moyen d'approvisionnement et d'évacuation des gaz et liquides, y compris des urines ;
• un système de régulation de la température, qui oscille entre −100 °C à +120 °C (une bonne isolation et un système de refroidissement par circulation d'eau dans des petits tubes incorporés au sous-vêtement LCVG) ;
• une protection contre les radiations électromagnétiques ;
• une protection contre les micrométéorites grâce à des matériaux résistants (Kevlar...) ;
• un système de communication UHF par lequel passent également la télémétrie et l'EEG ;
• la mobilité et l'autonomie de l'astronaute lors des EVA ;
• des connexions additionnelles (embouts, interfaces, etc).