Causes directes

Columbia au décollage pour sa dernière mission. Le bipied entre le réservoir externe et le nez de la navette est visible sur cette photo^[8].

Panneaux en matériaux composites à base de graphite renforcé par de la fibre de carbone retirés de l'aile de la navette Atlantis^[9] et utilisés dans un test de collision avec de la mousse isolante lors de l'étude des causes de l'accident de Columbia.

Au bout de 81,9 secondes après le lancement, un morceau de la mousse d'isolation thermique, d'environ 48 × 29 × 14 cm pesant 0,8 kg, s'est détaché du réservoir externe^[10].

Cette mousse isolante permet de garder les contenus du réservoir, LOX (Oxygène Liquide) à −183 °C et LH2 (Hydrogène Liquide) à −253 °C. Cette isolation en conjonction avec d'autres dispositifs, est censée éviter le réchauffement du carburant ainsi que la formation de glace sur le réservoir, laquelle pourrait alourdir la navette et aussi être dangereuse en se détachant. Ce morceau de mousse était localisé sur la partie gauche du bipied à l'avant de la navette. (voir photo de gauche).

La navette se trouvait à une altitude d'environ 20 115 m, et se déplaçait à Mach 2,46 soit 2 523 km/h. La mousse isolante s'est détachée avec cette vélocité puis, étant peu dense, elle fut ralentie par les frottements de l'air pour atteindre la vitesse de 1 644 km/h. La navette Columbia, ayant poursuivi sa course à la même vitesse, a percuté le débris avec une vitesse de l'ordre de 877 km/h relativement au bord d'attaque de l'aile gauche^[10].

Ce bord d'attaque est constitué de panneaux en matériaux composites à base de graphite renforcé par de la fibre de carbone (RCC). Ce matériau résiste à des pressions de 700 MPa et des températures de 1 750 °C. Le choc avec l'isolant a créé un trou dans le bord d'attaque de l'aile ou dans les tuiles adjacentes du système de protection thermique de la navette. Comme l'ont montré les expériences réalisées au sol par le CAIB (voir photo de droite), cette collision a créé un trou de 25 cm de diamètre^[11].

Destruction au cours de la rentrée dans l'atmosphère

L'équipage de Columbia lors de la rentrée dans l'atmosphère.

La navette devait atterrir à 9 h 16 au John F. Kennedy Space Center près de Cap Canaveral. Cette chronologie utilise deux désignations des temps distinctes :

• Heure basée sur le fuseau horaire de la Floride : HNE.
• Temps en secondes depuis l'instant où la navette a dépassé le point de mission EI (Entry Interface) ou Interface d'entrée. Ce point EI correspond à une altitude de 122 km (EI+000) il est arbitrairement considéré comme le moment où l'orbiteur entre dans l'atmosphère discernable. Il fut franchi à 8 h 44 min 9 s HNE au-dessus de l'océan Pacifique.

Chronologie après le franchissement du point EI

Modélisation de la vitesse du plasma s'engouffrant dans l'aile gauche de Columbia.

• 8 h 48 min 39 s (EI + 270) — Un premier capteur sur le longeron du bord d'attaque de l'aile gauche indique des valeurs supérieures à celles observées lors des précédentes rentrées de Columbia. C'est la première indication que le système de protection thermique de la navette présente un défaut. Ce paramètre était uniquement enregistré par le système de données modulaire auxiliaire (l'équivalent d'une boîte noire d'un avion) et n'était visible ni de l'équipage ni des équipes au sol.

• 8 h 48 min 59 s (EI + 290) — Un deuxième capteur situé dans l'aile gauche indique des valeurs supérieures à celles observées lors des précédentes rentrées de Columbia.

• 8 h 49 min 32 s (EI + 323) — Vitesse : Mach 24,5. Columbia effectue un virage prévu dans la trajectoire de descente.

• 8 h 50 min 19 s (EI + 370) — Un troisième capteur situé dans l'aile gauche indique des valeurs supérieures à celles observées lors des précédentes rentrées de Columbia.

• 8 h 50 min 53 s (EI + 404) — Vitesse : Mach 24,1 ; altitude: 74 km. Pendant les 10 minutes suivantes le système de protection thermique de la navette Columbia va subir les contraintes thermiques maximum.

• 8 h 51 min 14 s (EI + 425) — Un quatrième capteur situé dans l'aile gauche indique des valeurs supérieures à celles observées lors des précédentes rentrées de Columbia. Les quatre capteurs présentant des élévations de température anormales étaient enregistrés par le seul système de données modulaire auxiliaire (l'équivalent d'une boîte noire d'un avion). Ils n'étaient visibles ni de l'équipage ni des équipes au sol.

• 8 h 52 min 0 s (EI + 471) — Columbia est à environ 480 km à l'ouest de la côte californienne. La température du bord d'attaque de l'aile atteint 1 450 °C.

• 8 h 52 min 16 s (EI + 487) — Le trou dans le système de protection thermique de la navette permet au plasma extrêmement chaud de percer le longeron avant de l'aile gauche. En retrait de ce longeron, la structure de l'aile de la navette spatiale est composée de poutres en alliages d'aluminium. Ces alliages ont un point de fusion de l'ordre de 650 °C alors que le plasma s'engouffrant dans le trou du système de protection thermique de la navette est porté à une température supérieure à 1 400 °C. À partir du percement du longeron le plasma brûlant va pouvoir se répandre dans toute l'aile de la navette et la désintégrer comme indiqué dans la première illustration. Structurellement, le percement du longeron marque le point de non-retour dans la désintégration de l'aile gauche puis de la navette elle-même.

• 8 h 53 min 26 s (EI + 557) — Vitesse : Mach 23 ; altitude : 71 km. Columbia passe la côte ouest de la Californie au-dessus de Sacramento. La température du bord d'attaque de l'aile atteint usuellement 1 540 °C.

Navette Columbia traversant le ciel de Californie au-dessus du radiotélescope de Big Pine.

• 8 h 53 min 46 s (EI + 577) — Vitesse : Mach 22,8 ; altitude : 70,2 km. Des premiers flashs lumineux sont constatés par des témoins. Ces flashs correspondent à des signes de désintégration d’éléments provenant de Columbia. Au cours des 23 secondes suivantes il y eut quatre flashs similaires^[12].

• 8 h 54 min 24 s (EI + 613) — Vitesse : Mach 22,5 ; altitude : 69,3 km. Le responsable du suivi des paramètres de la navette (Maintenance, Mechanical, And Crew Systems (MMACS) informe le directeur de vol que quatre capteurs de pression hydraulique situés dans l'aile gauche affichent des valeurs inférieures à la valeur minimale enregistrable. C'est la première indication d'un problème visible depuis le Centre de contrôle de mission.

Chronologie après la première indication d'une anomalie visible depuis le Centre de contrôle de mission

• 8 h 54 min 25 s (EI + 614) — Columbia quitte l'État de Californie et entre dans l'État du Nevada. De nouveaux flashs lumineux sont constatés par des témoins. Dix-huit événements similaires seront constatés au cours des quatre minutes suivantes montrant la désintégration progressive de l'aile gauche.

• 8 h 55 min 32 s (EI + 683) — Vitesse : Mach 21,8 ; altitude : 68,1 km. Columbia quitte l'État du Nevada et entre dans l'État de l'Utah.

• 8 h 55 min 52 s (EI + 703) — Columbia quitte l'État de l'Utah et entre dans l'État de l'Arizona.

• 8 h 56 min 30 s (EI + 741) — Columbia effectue un virage à gauche prévu dans la trajectoire de descente.

• 8 h 56 min 45 s (EI + 756) — Vitesse : Mach 20,9 ; altitude : 67 km. Columbia quitte l'État de l'Arizona et entre dans l'État du Nouveau-Mexique.

• 8 h 57 min 24 s (EI + 795) — Columbia passe juste au nord d'Albuquerque dans l'État du Nouveau-Mexique.

Localisation dans le Texas des débris provenant des ailes de la navette spatiale Columbia.

• 8 h 58 min 20 s (EI + 851) — Vitesse : Mach 19,5 ; altitude : 64 km. Columbia quitte l'État du Nouveau-Mexique et entre dans l'État du Texas. La navette perd une des tuiles du système de protection thermique au-dessus de Littlefield. C'est le débris le plus à l'ouest qui fut récupéré par les équipes de recherche. Les débris provenant des désintégrations précédemment vues par des témoins n'ont pas été retrouvés.

• 8 h 59 min 15 s (EI + 906) — Le responsable du suivi des paramètres de la navette (MMACS) informe le directeur de vol que les mesures de pression des deux pneus du train d'atterrissage principal dans l'aile gauche ont été perdues. Le responsable des communications avec l'équipage (CAPCOM) informe alors l'équipage du problème et indique à celui-ci que le problème est en cours d'évaluation.

• 8 h 59 min 32 s (EI + 923) — Une bribe de la réponse du commandant de la mission a été enregistrée : « Roger, euh, bu - [coupée à mi-mot…] ». Ce fut la dernière communication de l'équipage et les dernières données reçues en télémétrie par le Centre de contrôle de mission. Une perte de signal courte était prévue afin que les antennes de la navette passent du satellite de relais ouest au satellite de relais est ou directement aux antennes situées au John F. Kennedy Space Center.

• 9 h 0 min 18 s (EI + 969) — Des vidéos amateurs enregistrent la désintégration de la navette Columbia. Cependant, l'équipe du Centre de contrôle de mission ne le sait pas encore et travaille à restaurer la communication interrompue.

Conception et utilité de la protection du trépied

Modélisation des effets aérodynamiques à Mach 2,46 et sous un angle d'incidence de 2,08 degrés (conditions lors de la perte de l'isolant). Comme le nez de la navette, la base du trépied est soumise à de fortes contraintes aérodynamiques.

La mousse isolante protégeant le trépied et faisant un biseau, est ajoutée manuellement sur la couche d'isolant précédente sur le réservoir externe. Toutes deux sont à base de BX-250 (mousse de polyuréthane) renforcé par un liant entre ces deux couches (Conathane). Le biseau est obtenu en sculptant manuellement la mousse afin de lui donner la forme désirée. De par leur structure interne, les mousses isolantes ne sont pas uniformes et leurs propriétés mécaniques peuvent varier au sein d'un bloc^[17].

La dissection de biseaux identiques sur d'autres réservoirs externes en construction, a révélé des défauts dans l'uniformité de la mousse (trous, poches et débris) affaiblissant sa résistance mécanique à l'arrachement. Cependant, il fut noté que les techniques utilisées pour construire ces pièces étaient conformes aux procédures en vigueur^[18].

Vue de la couche de mousse isolante protégeant le trépied avant gauche. C'est ce bloc de mousse qui se détache et est à l'origine de l'accident.

La localisation de ce biseau est à cheval entre le réservoir de LH2 à −253 °C et la jupe inter-étage qui ne contient pas de gaz liquéfié mais de l'azote gazeux. Il existe de fortes disparités de température dans la structure sous-jacente. Cette jupe inter-étage sert aussi comme point d'attache du trépied de la navette et comme point d'attache des boosters. Elle est soumise à de fortes pressions et d'intenses vibrations en vol. De plus, le nez de la navette est juste en amont du trépied et concourt à l'apparition de phénomènes aérodynamiques complexes (effet Venturi) comme illustré dans l'image de droite.

Enfin, le biseau ne contient pas de pièces structurelles renforçant sa rigidité et n'est composé que de mousse. Il est présent afin d'améliorer l’aérodynamique de la structure et ne présente aucune autre utilité^[17].

À la suite du vol STS-107 l'utilité de ce biseau dans la mousse isolante fut réévaluée. Il fut décidé à l'issue des analyses et simulation que ces biseaux n'apportaient pas de bénéfice et furent retirés de la conception des réservoirs externes suivants. Ces modifications portaient sur les trois biseaux majeurs : trépied gauche, trépied droit et ligne d'alimentation LOX externe.

Dans son rapport d’enquête, le Columbia Accident Investigation Board (CAIB) note neuf conclusions concernant les pertes de mousse isolante:

• F3.2-1 La NASA ne dispose pas d'analyse des causes provoquant la perte de mousse isolante sur tous les vols en particulier sur les parties ayant été sculptées manuellement.
• F3.2-2 Il n'y a pas de méthode permettant d’évaluer la résistance de la mousse isolante appliquée sur le réservoir préalablement au vol.
• F3.2-3 Les pertes de mousses isolantes ne sont pas corrélées avec l'âge du réservoir ainsi que son temps d'exposition aux aléas climatiques préalablement au vol.
• F3.2-4 Le bureau d’enquête n'a pas trouvé de preuve de négligence dans les méthodes utilisées afin d'appliquer la couche de mousse isolante.
• F3.2-5 Le bureau d'enquête a trouvé de nouveaux cas de perte de mousse isolante depuis le trépied gauche, non détectés préalablement par la NASA, portant le nombre d'incidents à 7 sur 72 missions analysables.
• F3.2-6 Des défauts dans l'homogénéité des mousses isolantes ont été détectés dans les trois dissections de biseaux de trépieds, suggérant que des défauts similaires étaient potentiellement présents dans le biseau du trépied gauche du réservoir externe 93 utilisé lors du vol STS-107.
• F3.2-7 Des pertes de mousses isolantes ont été constatées dans plus de 80 % des 79 vols analysables.
• F3.2-8 30 % des missions réalisées n'avaient pas d'images analysables dans le cadre de la recherche de pertes de mousses isolantes.
• F3.2-9 L'analyse des facteurs unitaires n'a pas permis d'identifier une cause unique pour la perte de mousse isolante. Le bureau d'enquête en conclut qu'une combinaison de plusieurs facteurs a engendré la perte de cette mousse isolante.

Images de la phase ascendante

Images de l'impact des débris à T+81,9 secondes

Le vol STS-107 ayant décollé le 16 janvier 2003 à 10 h 39 (heure locale) des caméras de suivi ont été en mesure de filmer l'ascension de la navette Columbia. Deux caméras ont enregistré l'impact de la mousse isolante sur la navette :

• une caméra de 35-mm E212 à 27 km de distance ;
• une caméra vidéo E208 à 42 km de distance.

Dans son rapport d’enquête, le Columbia Accident Investigation Board (CAIB) note que les preuves photographiques permettent de conclure que le biseau en mousse isolante du trépied gauche est le débris ayant percuté la navette sur le bord d'attaque inférieur de l'aile gauche dans la région située entre les panneaux 6 à 9 avec une vitesse relative d'approximativement 877 km/h. L'absence de caméras haute résolution a gêné l'analyse de cette collision à l'issue de la phase de décollage. Néanmoins elles étaient suffisantes pour déterminer, au cours du vol, les conséquences sur le système de protection thermique de la navette^[19].

Les équipes au sol du centre de vol spatial Marshall ont détecté l'incident le 17 janvier 2003 à 9 h 30 (EST) à partir des images du décollage. Les dommages induits n'étaient pas évaluables à cause de l'insuffisance d'informations et d'images. Cependant les équipes notèrent qu'elles n'avaient jamais vu de débris aussi important heurter la navette. Ils décidèrent de considérer cet événement comme exceptionnel. En conséquence, deux des plus hauts responsables de la NASA furent informés : Ron Dittemore (shuttle program manager of NASA) et Linda Ham (shuttle program's integration manager). Une équipe d'évaluation fut constituée afin d’analyser la conséquence de cet impact. Les équipes au sol réussirent à estimer, avec une étonnante précision, la taille du débris, sa vitesse et son angle d'impact. Concernant ces éléments le rapport d’enquête notera leur précision remarquable^[20]. Cette équipe fit une demande d'images de l'aile de la navette en orbite.

Au cours du samedi 18 janvier 2003 (J3) et dimanche 19 janvier 2003 (J4), week-end comprenant le jour férié Martin Luther King Day, les ingénieurs commencèrent à évaluer les dégâts potentiels. Un ingénieur de Boeing utilisa l'outil de prédiction des dégâts nommé « Crater ». L'outil prédit une profondeur d'impact supérieure à l'épaisseur d'une tuile RCC, indiquant ainsi un risque de combustion en profondeur de l'aile lors de la rentrée dans l’atmosphère. Cependant les équipes ne prirent pas en compte ce résultat estimant que l'outil majorait l'ampleur des dégâts tout en minorant la résistance des tuiles^[21].

Contrairement aux procédures, cette équipe d'évaluation n'était pas dirigée par les responsables du programme de la navette (Shuttle Program) ni par les responsables de la mission (Mission Management). En conséquence, les équipes chargées du contrôle et du suivi de mission (Mission Control et Mission Evaluation Room) ne dirigèrent pas l'équipe d'évaluation. La seule demande fut d'aboutir à des conclusions pour le 24 janvier.

Au cours du mardi 21 janvier 2003 (J5) les premiers résultats de l'équipe d'évaluation sont présentés au cours d'une réunion informelle. Les responsables de la NASA présents ne demandèrent pas de précisions sur les hypothèses, progrès et résultats intermédiaires. Le rapport d'enquête note que le comportement des responsables fut inhabituel. Ceux-ci sont habituellement impliqués dans l'analyse des incidents qu'ils considèrent comme problématiques^[22]. À l'issue de la réunion les participants décidèrent que la prise de photos en orbite de l'aile gauche était essentielle afin de lever les doutes sur les dommages et permettre une analyse plus précise des conséquences de l'incident.

À cause du manque de direction de l'équipe d'évaluation, celle-ci ne fit pas la demande d'imagerie aux équipes chargées du contrôle et du suivi de la mission mais auprès de l'équipe d'ingénieurs de la navette au centre spatial Lyndon B. Johnson. En conséquence, cette demande fut considérée par les responsables de la navette comme optionnelle, non prioritaire et fut annulée. Quand les membres de l'équipe d'évaluation surent que le centre de contrôle de mission avait annulé la demande, ils s’inquiétèrent. Personne ne réalisa que cette annulation n'était pas définitive et qu'elle correspondait en fait avec la demande faite lors du 17 janvier 2003. Au lieu d'insister, l'équipe d'évaluation chercha comment obtenir ces images, sans passer par la voie officielle. Ils continuèrent à chercher comment obtenir ces photos, même après avoir rendu leurs conclusions le 24 janvier 2003. Ce problème révèle un manque de communication patent entre les ingénieurs et les responsables du programme des navettes spatiales: les ingénieurs disaient ne pas être écoutés et les responsables disaient ne pas être impliqués dans les discussions entre ingénieurs.

Il y eut trois demandes différentes d'images de la navette en vol orbital soit de la part d'ingénieurs, soit de responsables^[23] :

1. J2 - Bob Page, responsable de l'équipe d'analyse des images à Wayne Hale, Responsable du programme des navettes spatiales pour les phases préparatoires au lancement au centre spatial Kennedy (discussion en personne).
2. J6 - Bob White responsable chez United Space Alliance, sous-traitant participant à l'équipe d'évaluation, à Lambert Austin responsable de l'intégration des systèmes du programme des navettes spatiales au Centre spatial Lyndon B. Johnson (par téléphone).
3. J6 - Rodney Rocha, responsable de l'équipe d'évaluation de la collision à Paul Shack, Manager, Responsable de l'équipe d’ingénierie de la navette (par e-mail).

En plus, il y eut au moins huit opportunités différentes qui auraient permis de découvrir l'étendue des dommages subis par Columbia^[21] :

1. J4 - Rodney Rocha, responsable de l'équipe d'évaluation, demande si l'équipage de la navette est informé qu'il doit inspecter l'aile gauche. Pas de réponse.
2. J6 - Le centre de contrôle de mission oublie de demander à l’astronaute David Brown d'envoyer depuis la navette la vidéo qu'il a filmée de la séparation de la navette avec le réservoir externe. Cette vidéo aurait pu montrer le morceau de mousse isolante manquant.
3. J6 - Des équipes de la NASA et la National Geospatial-Intelligence Agency, agence du département de la Défense des États-Unis qui collecte et diffuse le renseignement géospatial en utilisant l'imagerie satellite, discutent d'une possible requête afin d'obtenir des images du vol orbital de la navette. Aucune action prise.
4. J7 - Wayne Hale téléphone au représentant du département de la Défense. Celui-ci commence à évaluer les moyens nécessaires à la mission. Cette action sera interrompue par les ordres donnés par Linda Ham (shuttle program's integration manager).
5. J7 - Mike Card, Un responsable de la NASA pour la sécurité des vols (Safety and Mission Assurance Office), discute d'une demande d'images orbitales avec Mark Erminger, responsable au Centre spatial Lyndon B. Johnson pour la sécurité des vols. Aucune action prise.
6. J7 - Mike Card discute d'une demande d'images orbitales avec Bryan O'Connor, Administrateur associé pour la sécurité des vols (Associate Administrator for Safety and Mission Assurance) et ex-astronaute. Aucune action prise.
7. J8 - Barbara Conte, après avoir discuté de la demande d'images orbitales avec Rodney Rocha, appelle LeRoy Cain, Directeur de vol pour la phase d'entrée dans l’atmosphère de la mission STS-107. Cain vérifie l'utilité avec Phil Engelauf, puis décide que c'est inutile.
8. J14 - Michael Card discute d'une demande d'images orbitales avec William Readdy, Administrateur associé pour les vols spatiaux et ex-astronaute. Readdy transmet cette demande avec une priorité basse (ne devant pas interférer avec l'activité prévue). Rien ne sera fait.

Historique des incidents précédents impliquant de la mousse isolante

Ce type d'incident de perte de mousse isolante était fréquent. Sur les 79 vols disposant de caméras embarquées, il fut constaté des pertes de mousse isolante sur 80 % de ces vols. Sur 10 % des vols analysés, la perte de mousse isolante provenait du trépied gauche.

Le tableau ci-dessous présente les principaux incidents de perte d'isolant, soit constatés par la NASA, soit identifiés au cours de l’enquête^[24]:

Dans son rapport d’enquête, le Columbia Accident Investigation Board (CAIB) qualifie ce phénomène de « normalisation de la déviance » comme ce fut le cas pour le processus ayant conduit à la destruction de Challenger :

• dans un premier temps, les pertes de mousse isolante étaient considérées comme des incidents de vols devant être résolus avant la mission suivante ;
• puis dans un deuxième temps, elles ont peu à peu été considérées comme secondaires et les vols ont continué malgré l'existence d'incidents non résolus ;
• enfin, elles sont devenues des « risques tolérés » et les incidents ont été classés sans suite car de même nature que les incidents des vols précédents ;
• finalement, elles n'ont plus donné lieu à des rapports d'incidents.

Cette normalisation de la déviance a conduit à ne plus considérer, petit à petit, qu'un risque puisse réellement engendrer un accident grave, voire une catastrophe. Ce risque ne fut plus considéré comme un risque devant être résolu puisqu'il n'avait jamais engendré d'accident auparavant… tout en omettant d'évaluer la probabilité que ce risque puisse générer des accidents dans le futur.

Nombre d'impacts sur les tuiles^[25]

Articles connexes

• Accident de la navette spatiale Challenger
• Columbia Accident Investigation Board

Liens externes

• Désintégration de Columbia, PGJ Astronomie