L'astronaute Bruce McCandless II lors d'une sortie extravéhiculaire.

Combinaison spatiale russe Sokol.

Combinaison spatiale russe Sokol de Jean-Loup Chrétien.

Combinaison spatiale russe de sortie extravéhiculaire Orlan.

Une combinaison spatiale est un équipement utilisé pour assurer la survie d'une personne dans le milieu spatial. L'environnement spatial est caractérisé principalement par un vide presque total et de grandes variations de température. 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, une combinaison spatiale doit 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. En 1935 l'espagnol Emilio Herrera réalise un prototype dans les ateliers du Cercle des Montgolfières de Guadalajara et dans le Laboratoire d'aérodynamique des Quatre-Vents, qui comprenait un microphone, un ensemble à respirer antivapeur, des thermomètres, des baromètres et plusieurs outils pour mesurer et prélever des échantillons. Des progrès importants ont été réalisés avec 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 incapable 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 tâches. 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

Les types de combinaison

Comparaison entre, à gauche, une combinaison spatiale à usage intra-véhiculaire (plus précisément une ACES), et à droite, une combinaison à usage extra-véhiculaire (plus précisément une EMU). On peut noter la différence d’encombrement.

Il existe trois types de combinaison spatiale^[3] :

Les combinaisons optimisées pour les activités intra-véhiculaires.

Il s'agit du premier type de combinaison spatiale développé au début de l'ère spatiale, lorsqu'aucune activité spatiale extravéhiculaire n'était incluse dans les missions. Leur objectif est de protéger le membre de l'équipage du vaisseau spatial d'une décompression accidentelle ou d'une contamination de l'atmosphère de la cabine par un produit toxique. Elle doit permettre une évacuation dans l'urgence du vaisseau et la survie une fois la cabine évacuée. Elle est portée en particulier durant le lancement jusqu'à la mise en orbite ainsi que durant la rentrée atmosphérique du vaisseau. Compte tenu de ces objectifs, elle doit être légère et peu encombrante. Enfin, le confort de la combinaison est très important notamment l'absence de parties rigides, car l'astronaute subit des accélérations importantes (jusqu'à 20 g si le déroulement du lancement ou de la rentrée se passent mal) et le vaisseau est soumis à d'importantes vibrations. Ces combinaisons incluent notamment une réserve d'oxygène, un système de refroidissement avec circuit liquide, un système de communications, une bouée permettant à l'astronaute de flotter en cas d'amerrissage, des équipements de survie (lampe flash, fusée de détresse, etc.) et éventuellement un parachute ou au moins un système permettant d'en accrocher un. La combinaison spatiale russe Sokol utilisée à bord des vaisseaux Soyouz et l'ACES portée par l'équipage de la Navette spatiale américaine sont les représentants les plus récents de ce type de combinaison spatiale.

Les combinaisons spatiales destinées aux activités extra-véhiculaires

Les combinaisons spatiales destinées aux activités extra-véhiculaires 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 −121 °C à +157 °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 billes qui accroissent la mobilité du porteur. Le poids de ces combinaisons comme la présence de nombreux points de contact durs interdisent leur utilisation 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 combinaisons spatiales mixtes adaptées à la fois aux activités intra-véhiculaires et extra-véhiculaires.

Les combinaisons adaptées aux deux usages ont été utilisées au début de l'ère spatiale pour faire face aux contraintes d'encombrement et de masse qui ne permettaient pas l'emport de deux combinaisons pour un même membre d'équipage. Les combinaisons spatiales A7L du programme Apollo sont de ce type. Elles présentent l'inconvénient d'être inconfortables pour les astronautes durant les phases d'accélération et constituent un handicap par leur encombrement et leur poids en cas d'évacuation d'urgence du vaisseau spatial. Pour les raisons énoncées, ce type de combinaison spatiale n'est plus utilisé depuis les années 1970 par les Russes comme par les Américains. Toutefois dans le cadre de futures missions vers la Lune ou Mars, le recours à ce type de combinaison spatiale pourrait revenir à l'ordre du jour pour répondre aux capacités d'emport limitées des vaisseaux spatiaux utilisés.

Les différents composants d'une combinaison spatiale

Afin de préserver l'intégrité physique de l'astronaute durant une activité extra-véhiculaire (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).

• 
  Tous les éléments de la combinaison A7L portée par Armstrong sur la Lune
• 
  La combinaison A7L sans les protections thermique et antimétéorite normalement intégrées. Cette vue permet de faire apparaître les soufflets qui assurent une mobilité minimale aux astronautes.
• 
  Sous-vêtement de ventilation avec circuit de refroidissement incorporé
• 
  Système de support vie de l'A7L
• 
  Autre vue du système de support vie de l'A7L sans la coque de protection
• 
  Le SAFER

Historique

Les recherches

Les agences spatiales cherchent à intimement faire converger dans une combinaison qui pourrait évoluer vers un exosquelette 3 technologies (matériaux avancés, biomimétique et TIC)^[5] de manière à produire des combinaisons plus légères et fiables, permettant une meilleure mobilités et un bon confort thermique par une émissivité mieux contrôlée^[6],[7],[8] (par exemple pour l'exploration de Mars), tant pour la vie dans une station spatiale que pour les sorties extérieures.

• Au début des années 2000 Biosuit est un projet (MIT-NASA) de vêtement financé par l’Institute for Advanced Concepts (NASA) construit pour une personne, parfaitement adapté à sa taille et à sa morphologie, bien moins volumineux et lourd qu’une combinaison spatiale classique, mais surtout conçu comme une sur-peau capable de maintenir sa pression intérieure sans injection de gaz, grâce à un ensemble de fibres rigides (nylon, kevlar), entrelacées qui à la fois resserrent et rigidifient le costume, mais optimalement, uniquement sur les parties du corps où cela ne gêne pas le mouvement (grâce à des travaux préalables de Dainese, qui a calculé la géographie des « lignes ellipsoïdales de non-extension » d'un corps humain ; c'est-à-dire des zones moins élastiques, qui ne s’allongent, ne gonflent ni ne se contractent pendant lors de nos mouvements). Ces lignes permettent si elles sont ridigifiées par la combinaison de mécaniquement soutenir et pressuriser le corps de l’astronaute, sans limiter sa mobilité. Ceci impose que ces lignes soient parfaitement positionnées, ce qui sera fait à partir d'une modélisation préalable du corps de la personne qui portera la combinaison « biosuit »^[9],[10].
• Le MIT, la NASA et l’ESA, toujours en s'appuyant sur les travaux de Dainese ont complété ce travail en créant une sur-combinaison (Skinsuit) capable elle d'au moins partiellement compenser les effets de l’apesanteur sur la musculature, le métabolisme et les os. Elle est pour partie élastique et pour partie rigide, comprimant certaines parties du corps pour simuler les effets de la gravité sur l'organisme.
• On cherche aussi à en réduire les coûts (qui contribue à celui du temps passé en microgravité, évalué en 2016 à près de 625 $ US par seconde^[11].)

Les combinaisons spatiales développées

Notes et références

Bibliographie

Ouvrages généraux

• (en) Kenneth S. Thomas, Harold J. Mc Mann, U.S. Spacesuits, Springer Praxis, 2006 (ISBN 978-1-4419-9565-0)
• (en) Nicholas de Monchaux, Spacesuit fashionning Apollo, MIT Press, 2011, 364 p. (ISBN 978-0-262-01520-2, lire en ligne)
• Jean-François Pellerin (préf. Jean-Jacques Favier), Le guide des combinaisons spatiales et du vol habite, Guildford (Grande-Bretagne) Chantilly (Oise), Tessier & Ashpool, 2006, 283 p. (ISBN 978-2-909467-09-2 et 2-909-46709-0, OCLC 421325265, BNF 40168701)

Spécifications techniques

• (en) NASA, Apollo Operations Handbook Extravehicular Mobility Unit volume 1 - System description Apollo 15-17 : révision 5, NASA, 1971, 144 p. (lire en ligne) — Spécifications techniques de la combinaison spatiale des missions Apollo 15-17
• (en) NASA, Apollo Operations Handbook Extravehicular Mobility Unit volume 1 - Operational procedures Apollo 15-17 : révision 3, NASA, 1971, 134 p. (lire en ligne) — Procédures opérationnelles pour l'utilisation de la combinaison spatiale des missions Apollo 15-17

Voir aussi