vignette|droite|L'astronaute Bruce McCandless lors d'une sortie extravéhiculaire. vignette|droite|Combinaison spatiale russe Sokol. vignette|droite|Combinaison spatiale russe Sokol de Jean-Loup Chrétien. vignette|droite|Combinaison spatiale russe de sortie extravéhiculaire Orlan.
Une combinaison spatiale (ou terme plus rarement utilisé scaphandre spatial) 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.
Les premières combinaisons spatiales dérivent des tenues portées par les pilotes d'avion ou de ballons volant à des altitudes très élevées qui sont mises au point à compter des années 1930. La première combinaison spatiale SK-1 est portée par Youri Gagarine premier homme à voler dans l'espace. Mais il s'agit d'une combinaison intravéhiculaire conçue uniquement pour faire face à une dépressurisation. : 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 . 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.
Définition
Une combinaison spatiale ou scaphandre spatial est un vêtement pressurisé hermétique que doit porter un astronaute pour le protéger de l'environnement spatial caractérisé par des conditions non propices à la vie (absence d'oxygène, pression nulle ou réduite, températures extrêmes, radiations, micrométéorites) lors d'une sortie extravéhiculaire en apesanteur dans l'espace ou à la surface d'un corps céleste (Lune) ou en cas de dépressurisation de son vaisseau spatial.
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 tandis que les parties situées à l'ombre peuvent descendre jusqu'à . À l'extérieur de l'atmosphère terrestre, l'homme n'est plus protégé des particules chargées émises par le Soleil et des rayons cosmiques. Il est exposé aux micrométéorites et aux débris spatiaux (dans ce dernier cas uniquement en orbite terrestre basse).
Fonctions principales d'une combinaison spatiale
Les fonctions principales de la combinaison spatiale sont de reconstituer un environnement lui permettant de survivre. Compte tenu de la complexité de cet objectif, une combinaison spatiale peut être comparée à un mini vaisseau spatial. En effet la combinaison spatiale doit. : fournir l'oxygène nécessaire à la respiration de l'astronaute maintenir un environnement pressurisé réguler la température limiter le taux d'humidité éliminer le dioxyde de carbone produit par la respiration résister aux micrométéorites filtrer les rayonnements solaires (réduction de l'intensité lumineuse, filtrage de l'ultraviolet et d'une partie de l'infrarouge) * constituer une barrière empêchant les échanges thermiques avec l'extérieur fournir les moyens de communiquer avec les autres astronautes et éventuellement avec le centre de contrôle au sol (via un relais installé à bord du vaisseau spatial. informer l'astronaute des dysfonctionnements éventuels ou des limites atteintes par les consommables (oxygène…) donner à l'astronaute les moyens d'intervenir sur son fonctionnement (température). 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 Atmosphère et pression
Dans les véhicules spatiaux
Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de . 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 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 (pour Apollo). Une atmosphère de ce type permet de réduire la masse du vaisseau car l'épaisseur de la coque pressurisée peut être réduiteparticulièrement cruciale pour les premiers vaisseaux américains qui ne bénéficiaient pas de lanceurs puissants ainsi que pour le module lunaire Apollo qui dut combattre des problèmes de surpoids. Elle permet également de simplifier le système de support de vie par la disparition du circuit d'azote et de faciliter les sorties extra-véhiculaires en réduisant le temps consacré à purger l'organisme de son azote. Mais une atmosphère composée d'oxygène pur constitue un danger comme l'a montré l'incendie tragique d'Apollo 1 et peut se révéler toxique pour l'organisme un poison sur le long terme (hyperoxie)Le risque d'incendie est également beaucoup plus élevé comme l'a démontré l'accident dApollo 1.. 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 lesquelles 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 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 alors que la combinaison russe Orlan a une pression de 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 extra-véhiculaires 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 en revanche se préparer en respirant durant l'oxygène sous pression réduite.
Mobilité
Les premières sorties dans l'espace dans les années 1960 ont mis en évidence que la combinaison pressurisée limitait fortement à la fois la mobilité des membres et la dextérité manuelle. Du fait de la rigidité de la combinaison pressurisée, réaliser des mouvements très simples entrainait une importante dépense d'énergie qui épuisait rapidement un homme même en très bonne condition physique. Ainsi au cours des sorties extra-véhiculaires du programme Gemini la combinaison spatiale à usage mixte (intra-véhiculaire et extra-véhiculaire) utilisée maintenait par défaut les membres de l'astronaute dans une position assise correspondant à son utilisation à l'intérieur du vaisseau. L'astronaute devait faire un effort important et constant pour modifier la position de son bras, et était dans l'incapacité d'effectuer des taches longues nécessitant de lever un bras au-dessus du niveau de l'épaule ou de l'abaisser au-dessous de sa taille.
Types
Il existe trois types de combinaison spatiale:
Combinaison intra-véhiculaire (IVA) Une combinaison intra-véhiculaire ( ou IVA) ou par analogie avec l'aviation, est une combinaison conçue pour être portée à l'intérieur d'un véhicule spatial. Son objectif est d'abord de protéger l'astronaute en cas de dépressurisation de la cabine, par exemple après une collision avec un autre engin spatial ou un impact de micrométéorite ou de débris spatial ; mais aussi en cas de contamination de l'atmosphère de l'habitacle, par exemple par de la fumée d'incendie ou par une fuite du système de refroidissement, ce dernier utilisant souvent de l'ammoniac, un produit toxique. Elle est donc pressurisée et liée via un conduit ombilical au système de support de vie du véhicule par où elle reçoit énergie, données et contrôle de l'atmosphère. Elle est revêtue par les astronautes lors de toutes les phases dynamiques et donc dangereuse du vol spatial, en particulier pendant le lancement, l'amarrage, et la rentrée atmosphérique. Compte tenu de ces contraintes elle doit être légère, facile et rapide à enfiler, et contenir le moins possible de parties rigides afin d'éviter de blesser son porteur lors des phases d'accélération importante.
Il s'agit du premier type de combinaison spatiale développé au début de l'ère spatiale, en général alors des combinaisons d'aviateurs en haute altitude légèrement modifiée. Par la suite les Russes comme les Américains tentèrent de s'en passer afin de gagner en masse et en simplicité, mais les accidents de en 1971 puis de Challenger en 1986 démontrèrent leur inévitabilité. Des modèles en usage aujourd'hui de ce type de combinaison incluent la Sokol portée à bord du véhicule russe Soyouz, la combinaison de SpaceX portée à bord du véhicule Crew Dragon, ou encore la combinaison portée à bord du véhicule chinois Shenzhou.