L'ARTICLE DE L'ASTRONAUTE No.5 - Mai 1998
L'A300 ZÉRO-G: L'ANTICHAMBRE
DU VOL SPATIAL
Par Camille Lelong, Association
Apollo25
Il y a tout juste un an, en mai 1997, l'A300 Zéro-G
réalisait son premier vol parabolique dans sa configuration
définitive. Cet avion constitue le nouveau laboratoire en
impesanteur du CNES, remplaçant la fameuse Caravelle
Zéro-G après six ans de campagnes.... C'est donc
l'occasion idéale pour nous de redécouvrir ce moyen
exceptionnel d'accéder à des conditions permettant
aussi bien d'entrainer les astronautes aux sensations d'impesanteur
dans l'espace, que de tester les technologies destinées au
vol spatial, ou encore d'offrir un outil privilégié
pour la recherche fondamentale ou appliquée.
L'accès à l'impesanteur
La pesanteur est le phénomène physique défini
par l'association des forces de gravité et d'inertie
(accélération d'entrainement, force de Coriolis) subies
par un corps soumis à l'attraction d'un autre corps en mouvement.
C'est l'état dans lequel se trouve, en général,
tout corps à la surface de la Terre. Cependant, lorsqu'un corps
se trouve en situation de chute libre, où seule la gravitation
agit, le corps se trouve à l'état d'impesanteur.
C'est en particulier ce qui caractérise l'environnement d'un
vol spatial. Cet état d'impesanteur s'est avéré
particulièrement intéressant pour comprendre le
rôle de la gravité dans différents
phénomènes physiques, ou pour tester des
phénomènes physiques dans des conditions de pesanteur
proches de celles rencontrées dans le vide spatial. C'est aussi
un environnement biologique particulier, qui a révélé
des réactions physiologiques et sensorielles imprévues
des corps humain et animal. Le vol spatial offre donc un laboratoire
expérimental de premier ordre.
Mais le vol spatial a ses inconvénients, ne serait-ce que sur
le plan financier. De plus, il paraît de plus en plus
nécessaire de tester les technologies spatiales coûteuses
avant d'être embarquées pour l'espace, en particulier
les systèmes mécaniques tels que les panneaux
déployables ou les bras télescopiques, pour valider
leur efficacité en impesanteur. Enfin, la répétition
des expériences que des astronautes devront mener en impesanteur
n'est pas forcément gérable en piscine, ne serait-ce que
par la nature même de ces expériences... C'est pourquoi
les différentes agences spatiales ont développé
des moyens susceptibles d'accéder à l'impesanteur comme
les tours à chute libre (deux tours au Lewis Research Center
(USA), avec respectivement 2,2 et 5,18 secondes d'impesanteur), ou
les tirs balistiques de capsules récupérables (Photon
(Russie), Westar et Meteor (USA), ou encore Cariane, CTV ou CRV
(France)). Mais ces moyens ne permettent d'accéder qu'à
quelques secondes ou quelques minutes d'impesanteur. De plus, ils ne
permettent pas d'embarquer d'expériences encombrantes ou
complexes, qui doivent en outre être entièrement autonomes
vu que personne ne peut se trouver à bord...
Les agences spatiales américaine et russe, puis française
ont alors développé les vols paraboliques en avion, qui
permettent d'embarquer les expérimentateurs (qui peuvent
manipuler leur propre expérience), et d'assurer une
viabilité des instruments et une
répétitivité des mesures, tout cela pour des
coûts relativement faibles. Le principe de ces vols est de
suivre une trajectoire parabolique équivalente à celle
d'un projectile, et donc de se rapprocher le plus possible de
l'état de chute libre. Le profil type de cette trajectoire est
le suivant:
- "ressource d'entrée" (environ 20 secondes): à
partir d'un vol stabilisé horizontal, l'avion prend une
accélération correspondant à 1,8g (g
étant la pesanteur à la surface de la Terre), se
traduisant par une augmentation progressive de l'angle entre
l'avion et l'horizontale jusqu'à 45 degrés et de
l'altitude jusqu'à 10000 mètres.
- "injection" (moins de cinq secondes): phase transitoire durant
laquelle la poussée des moteurs est fortement réduite,
pour compenser exactement la traînée aérodynamique,
et ajuster la trajectoire de l'avion à la parabole théorique.
La pesanteur chute brutalement...
- "phase de micropesanteur" (20 à 25 secondes): sur toute
la parabole, aussi bien en phase de montée que de descente,
la pesanteur résiduelle oscille entre + et -0,02g sur l'axe
vertical, + et -0,01g sur l'axe longitudinal de l'avion, et + et -0,001g
sur l'axe transversal.
- "ressource de sortie" (20 secondes): l'avion éxécute
une phase à 1,8g symétrique à la ressource
d'entrée pour retrouver un vol horizontal stabilisé, avec
une pesanteur terrestre à bord.
Il s'écoule alors deux minutes avant une nouvelle ressource
d'entrée, et ainsi de suite...
Un vol typique dure de deux à trois heures et comprend 20
à 40 manoeuvres paraboliques, ce qui permet d'obtenir en
cumulé environ dix minutes d'impesanteur. Une campagne dure
en général trois jours, au rythme d'un vol par jour.
En France, c'est la filiale du CNES Novespace qui organise ces vols
paraboliques, depuis juin 1988 avec une première campagne
à bord du KC-135 de la NASA. De février 1989 à
juin 1995, pas moins de quarante-quatre campagnes ont été
effectuées à bord de la Caravelle Zero-G du CNES, qui
pouvait embarquer une dizaine d'expériences, et vingt à
ving-cinq passagers (comprenant expérimentateurs et membres
d'équipage). Elle était alors basée au Centre
d'Essais en Vol de Brétigny-sur-Orge en région parisienne.
Puis, en novembre 1995 et novembre 1996, c'est à nouveau avec
le KC-135 que sont effectuées les campagnes du CNES, dans l'attente
de la mise en fonction officielle du tout nouveau laboratoire en
impensanteur français....
L'A300 Zéro-G
Il s'agit de l'Airbus A300-B2 N3 (donc le troisième engin
du même type, construit en 1973), un prototype qui a servi
de banc d'essais moteur chez General Electric et qui totalise
très peu d'heures de vol. Il fut déja utilisé
en vol parabolique en 1988 pour des essais de déploiement de
l'antenne ERA, expérience réalisée par
Jean-Loup Chrétien lors de la mission Aragatz à bord de
MIR (décembre 1988).
Mais c'est en janvier 1996, dans le cadre du nouveau programme
destiné à remplacer la Caravelle Zéro-G, que
le CNES fit acquisition de l'A300. Ce programme est mené en
partenariat étroit entre le CNES promoteur du programme, sa
filiale Novespace, qui en est à l'origine et le maître
d'oeuvre, la filiale d'Aerospatiale Sogerma-Socea, propriétaire
de l'avion et responsable de sa modification et de sa maintenance,
et le Centre d'Essais en Vol (CEV-DGA), responsable des opérations
de vol et de la sécurité. L'avion est désormais
basé à Bordeaux, sur le site de Sogerma à
l'aéroport international Bordeaux-Mérignac.
(Photo Novespace)
S'ensuit une véritable transformation de l'avion, dans laquelle
le CNES investit quelques 30 millions de francs et Novespace environ
6,4 millions, et comprenant en outre un décapage total de l'avion,
une révision générale, et son adaptation aux
conditions de micropesanteur. Ce dernier consiste principalement en
un épais capitonnage de mousse sur toute la paroi interne de la
cabine, des mains courantes, et des tableaux électriques
disposés le long des parois latérales, deux ouvertures
destinées à l'évacuation de gaz ou de liquides
pendant le vol, des rails de fixation disposés au sol, cinquante
sièges, que passagers et personnel d'encadrement occupent durant
les phases de décolage et d'atterrissage de l'avion.
L'éclairage est réglé de façon à
permettre la photographie sans flash. La température en cabine
est régulée aux environ de 20 degrés C, et la
pression est
maintenue à environ 800mb pendant les manoeuvres paraboliques.
Tests de déploiement/repliement des panneaux solaires
du satellite japonais COMETS.
(Photos Novespace)
Dès juin 1996 l'A300 Zéro-G effectue son premier vol.
Les 4 et 6 février 1997, il effectue 28 manoeuvres paraboliques
au cours d'une première campagne commerciale. Cette campagne
(organisée par Novespace pour le compte des
sociétés japonaises NEC et JGC) a permis de tester
le déploiement et le repliement des panneaux solaires du
satellite d'expérimentation japonais COMETS financé
par la NASDA. Seul l'A300 Zéro-G permet d'embarquer une
expérience de telles dimensions. En effet, avec une surface
d'expérimentation de 100 m2, correspondant à un volume
de 300 m3, l'intérieur de l'A300 est bien plus grand que celui
de la Caravelle ou même de ses concurrents américain
(KC-135) et russe (Illiouchine-76). Entre 15 et 20 expériences
peuvent être embarquées, ainsi que 40 accompagnateurs
scientifiques. Enfin, du 20 au 28 mai 1997 a eu lieu la première
campagne de l'A300 avec ses moteurs et sa configuration actuels.
L'expérimentation
Le principal domaine de recherche abordé en vol parabolique
est la biologie (humaine et animale) et la médecine spatiale.
Les expériences ont alors pour but de caractériser les
effets de l'impesanteur sur la physiologie du cobaye, mais aussi sur
son système sensoriel. Ces expériences concernent par
exemple l'étude du squelette, des muscles, des systèmes
cardio-vasculaire, ventilatoire (respiration), et gastrique (pour le
mal des transports par exemple), la croissance et l'activation cellulaires,
la dilatation des pupilles et la variation de la pression occulaire, ou
encore la fameuse ponte des pleurodèles, les "salamandres de
l'espace" embarquées sur Mir lors de la mission Cassiopée
en 1996. Une importante part est consacrée aux études
neurologiques et du comportement, notamment pour préparer les vols spatiaux habités: mouvements et coordination, reconnaissance de la
position des membres, capacité d'orientation dans l'espace et
évaluation de la verticale, corrélation entre les
pathologies observées en centrifugeuse et le syndrôme
d'adaptation au vol spatial, etc... ainsi que des tests originaux sur
les réactions aux illusions optiques et auditives.
Le deuxième axe principal d'expérimentation consiste
en des essais de divers matériels utilisés dans l'espace,
tels que: système de maintient ou de cale-pieds (ESTEC),
scaphandre (COMEX), main coulissante (ESTEC), surface adhésive
pour maintient d'objets en impesanteur (ESTEC), boîtes
destinées à recevoir les oeufs de pleurodèles
(CNES-CST), vaporisateur de mousse anti-feu (CNRS), assemblages de
tubes et tiges en treillis (CNES), déploiement d'une antenne
satellite autour d'un mat (Toshiba Corp. Research Lab.) ou de l'antenne
ERA (mission Aragatz, CNES), films et membranes (Kodak). Les vols
paraboliques sont aussi l'occasion pour les futurs spationautes
(campagnes CNES, ESA; DLR) de s'entraîner à l'impesanteur,
en apprenant à appréhender et à gérer
les déplacements, la gestuelle, la réponse sensorielle,
la frappe de clavier d'ordinateur, la manipulation des expériences
devant être embarquées, etc...
Enfin, les vols paraboliques offrent un laboratoire scientifique
exceptionnel, qui permet de tester différents
phénomènes physiques en impesanteur. Une très
grande variété de thèmes ont déja
été abordés. On y trouve par exemple des
expériences dites "pédagogiques", c'est à
dire visant à mettre en évidence des lois de la
physique générale bien connues mais pas toujours
faciles à comprendre: différence entre le poids et
la masse, comportement d'un gaz parfait, tension de surface des
liquides, mouvement d'un pendule... A l'opposé, les
expériences dites de "physique fondamentale" visent à
mettre en évidence des phénomènes physiques
très mal connus et à essayer d'en comprendre l'origine
et l'expression: atomes froids, matière condensée, ou
encore de déterminer des lois physiques empiriques telles que
le comportement de millispheres métalliques dans un champ
magnétique ou le comportement optique de poussières
en suspension. Enfin, les expériences de "physique
appliquée" consistent tout simplement à étudier
le comportement de divers phénomènes physiques dans
les conditions particulières de l'impesanteur. On y trouve en
particulier l'étude de la combustion (de gouttes, de nuages
de poussières, d'hydrocarbures, de matières plastiques;
morphologie, comportement, vitesse de propagation d'une flamme;
production de noir de carbone; feu en convection forcée),
de la chimie (polymérisation, précipitation de petites
particules, formation de gel), de la cristallographie
(nucléation, croissance et coalescence des cristaux). Un
thème largement développé est aussi celui de
la physique des fluides, en particulier les écoulements, la
convection, la turbulence, les échanges thermiques, les
interfaces liquide/gaz, etc...
J.-B. Renard, chercheur au CNRS et membre A25, en train
d'expérimenter le comportement
optique de poussières
en impesanteur à bord de l'A300 Zero-G. (Photo JB Renard)
Les "parabolonautes"
Les vols paraboliques offrent ainsi l'occasion unique à des
chercheurs de pouvoir mener eux-mêmes leurs expériences
en impesanteur. C'est aussi une occasion unique de pouvoir
expérimenter sur soi-même les effets de l'impesanteur!
En effet, ces vols ne sont pas strictement limités aux seules
organisations spatiales, et sont accessibles à toute industrie,
laboratoire, ou association d'amateurs (de toute nationalité)
proposant un dossier d'intérêt scientifique ou
pédagogique. En outre, l'aptitude physique requise pour ces vols
est bien moins stricte que celle demandée aux astronautes. Le
candidat "parabolonaute" doit subir une visite médicale (dite
"FAA Class III") consistant en un examen clinique général,
avec analyse d'urine (taux de sucre et d'urée), des test visuels,
et un électrocardiogramme au repos et après effort. Il
s'agit surtout de vérifier sa bonne condition physique et
l'absence d'antécédents particuliers pouvant induire
des risques lors d'un vol en impesanteur. Notons par exemple que le port
de lunettes ou de lentilles de contact n'est pas pénalisant. Par
contre, une trop forte tension artérielle peut entraîner
l'inaptitude. En plus de cette visite, le candidat doit se soumettre
à un test en caisson d'altitude pour vérifier l'abscence
de problèmes de tympans. Celui-ci consiste à "monter"
à 12000 mètres et redescendre dans un caisson à
vide, avec un masque à oxygène, sous une surveillance
médicale constante. C'est sans doute le test le plus
pénible. Cependant, il n'est finalement pas très difficile
de se faire sanctionner apte.
Quelques conseils sont toutefois promulgués par l'organisateur
des campagnes, Novespace, pour que les vols se passent dans les
meilleures conditions. En particulier, il est recommandé de se
nourrir normalement et d'éviter l'usage de parfums, le jeûne
comme les odeurs fortes augmentant les risques de nausées. Il est
aussi fortement conseillé de se trouver en bonne condition physique
le jour du vol, et donc d'éviter toute fatigue et de profiter
d'un bon sommeil. A bord, chaque passager doit porter une combinaison en
NOMEX, qui est une fibre ignifugée, et doit éviter le port
de pull-over ou sweat-shirt compte tenu de la température ambiante
(aux environ de 20 degrés C). Seules les chaussures de sport
sont autorisées, car elles limitent les conséquences des
chocs possibles au retour à la pesanteur.
Une expérimentatrice goûtant aux joies de
l'impesanteur, à bord de la Caravelle ZéroG.
(Photo JB Renard)
Le décollage (tout comme l'atterrissage) se passe assis sur
des sièges situés à l'avant et à
l'arrière de l'avion, puis durant la phase de palier chacun
s'installe à son poste, devant ses instruments. L'attitude qui
procure le meilleur confort pendant les phases de ressource (pesanteur
1,8g) est de s'allonger sur le dos, ou de s'adosser aux parois
latérales de l'avion. Durant cette période, la surpesanteur
est bien sensible: impression d'écrasement au sol, tiraillement
de la peau sur le visage. Elle fait soudain place à une sensation
de chute infinie (phase d'injection), qui dure quelques secondes, puis
c'est l'impesanteur. Tout ce qui n'est pas bien arrimé, se met
alors à flotter. Pour les expérimentateurs qui volent pour
la première fois, il est conseillé de rester assis pendant
la ou les deux premières paraboles, pour s'habituer aux nouvelles
sensations propres à la manoeuvre et éviter dès
le début du vol une réaction de surprise pouvant
être néfaste pour la suite. En effet, il existe trois
raisons d'être malade durant une parabole. La première
est directement liée au mal des transports. La deuxième
réside dans la capacité du corps à résister
à l'accumulation des mouvements de l'avion: changement
fréquent de trajectoire (pour éviter les zones de
turbulences et de trafic aérien), parabole, variations
répétées de la pesanteur (1g-1,8g-0g-1,8g-1g en
à peine plus d'une minute et une trentaine de fois de suite en
moyenne). La dernière enfin est le fameux "mal de l'espace",
qui provient de la perte des repères sensoriels (haut-bas en
particulier) dû au fait de flotter en impesanteur. La
manière dont le cerveau gère cette situation est propre
à chaque individu et est particulièrement difficile
à prévoir. Cela fait encore lĠobjet de nombreuses
études. Les malchanceux qui ne supportent vraiment pas ces
conditions et sont trop malades se voient finir le vol (deux ou trois
heures!) sanglés à leur siège au fond de la cabine.
Pour ceux qui "survivent" face à cette situation, c'est alors le
moment de goûter aux joies de l'impesanteur, de flotter,
d'évoluer sans la contrainte de son poids.
La priorité essentielle reste cependant avant tout de se
consacrer à son expérience, car les quelques vingt
secondes de parabole sont très courtes lorsqu'il s'agit de
manipuler! Certains expérimentateurs, absorbés par
leur tâche, oublient même parfois de maintenir leur propre
corps, ce qui conduit en particulier à des flottements de jambes,
qui peuvent gêner le bon déroulement des expériences
voisines.
Heureusement, des sangles fixées au sol de l'avion permettent
de bloquer ses jambes, et un système de main courante parcourt
toute la paroi latérale de l'avion, le tout permettant de se
maintenir dans une position relativement stable. De plus, les
parabolonautes ne peuvent guère évoluer à leur
guise dans la cabine, en raison de son encombrement en matériels
et passagers. L'"aire de jeu" de l'impesanteur est donc un peu
limitée. Mais déjà l'avion exécute sa
ressource de sortie:: la transition est brutale, sans aucune sensation
particulière, à l'inverse de l'injection, à part
toujours cette impression d'écrasement. Chacun doit prévoir
son rétablissement quelques secondes à l'avance, pour ne
pas tomber sur quelqu'un d'autre, sur une expérience voisine.
Mais il faut aussi s'arranger à retomber sous le bon angle, car
une mauvaise chute peut être dangereuse pour les vertèbres
et autres articulations. Durant les deux minutes de "tranquillité"
qui suivent, chacun rassemble ses esprits, vérifie que sa manip
a bien fonctionné, ajuste quelques paramètres, et se
prépare à la parabole suivante.
A l'arrivée, malgré les limites imposées par
le sérieux de l'expérience à mener et l'espace
vital minimum dans lequel les parabolonautes ont pu évoluer
durant la phase d'impesanteur, ceux qui n'ont pas souffert du voyage
sont vraiment satisfait de cette expérience, et n'attendent
qu'une chose: recommencer!
Epilogue
Les vols paraboliques offrent ainsi un véritable tremplin
aux techniques spatiales grâce à la possibilité
de tester le matériel avant son embarquement, ainsi qu'aux
vols habités grâce à l'entraînement des
futurs astronautes et à la préparation de leurs
délicates missions. Ils ont en outre la particularité
d'être relativement peu coûteux, surtout comparé
au vol spatial.
En revanche, ils ne remplaceront jamais les
expériences à bord d'un engin en orbite (station ou
navette spatiale), en particulier à cause du très court
laps de temps d'impesanteur. Ils ne permettent pas par exemple
d'étudier des phénomènes biologiques qui ne
seraient affectés par l'impesanteur qu'au bout d'un certain temps
(ex: décalcification des os), ni de phénomènes
physiques agissant sur de plus longs termes (ex: dilatation thermique).
Par contre, dans l'attente d'une ère spatiale accessible
à un plus grand nombre, c'est un moyen unique
d'expérimenter soi-même les effets de l'impesanteur.
Alors, à quand la mission "A25-Zéro G"?!
Avec l'aimable contribution d'Edith Hadamcik et de Jean-Baptiste
Renard, membres A25, par leur vivant témoignage de
l'expérimentation en impesanteur à bord de la Caravelle
et de l'A300 Zéro-G.
Sources bibliographiques:
Surprenante impesanteur, livret BT-Espace, Edition CNES.
L'impesanteur en Caravelle Zéro-G, par Jean-Baptiste Renard,
Revue du Palais de la Découverte- Numéro 228 (mai 1995);
Plaquette de présentation de la firme Novespace.
Campagnes de vols paraboliques à bord de l'A300 Zéro-G:
manuel des utilisateurs, par Novespace.
Et sur le web:
Le site
de Novespace
le site de la NASA
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