Les ballons de retournement d'Orion
La capsule spatiale Orion a amerri le 11 décembre 2022, un franc succès de la mission Artemis I de la NASA. L'occasion de parler de ces jolis ballons rouges qui ont fait le tour des médias.
Il est clair que cette capsule avait besoin d'une touche de couleur mais, même si elle est bienvenue, ce n'est pas la fonction principale de ces ballons !
Ce sont des ballons de relevage intégrés qui évitent que la capsule ne reste la tête en bas si l'amerrissage ne se passe pas comme prévu : déséquilibre lors de la descente avec un parachute en moins, houle trop importante, etc.
Si tout se passe bien, la capsule amerrit sur son bouclier thermique et les astronautes peuvent sortir gentiment par les portes :
Mais elle pourrait tout à fait terminer son voyage à l'envers :
C'est pourquoi les ingénieurs de la NASA ont intégré des ballons qui se gonflent à l'impact de l'eau et garantissent le retournement (« uprighting system »). Quelques ballons de quelques kilos pour relever aisément plusieurs tonnes : c'est la magie du gonflable. Et c'est aussi et surtout Archimède :
Lorsqu'un corps est plus léger que le liquide où on l'enfonce et remonte à la surface, la force qui pousse en haut ce corps a pour mesure la différence entre le poids d'un égal volume de liquide et le poids même du corps. (Archimède, Traité des corps flottants)
En clair, le volume d'un objet, quel que soit son poids, génère une force de poussée lorsqu'il est plongé dans un liquide. Et cette force est égale au poids du volume d'eau correspondant au volume de l'objet.
Revenons à Orion : la capsule elle-même a un volume conséquent et subit donc une poussée d'Archimède importante. C'est pourquoi elle flotte sans problème dans le bon sens. Mais une fois la tête en bas, c'est le volume le plus petit du cône qui est immergé, qui subit donc une poussée plus faible. Il faut créer une poussée supplémentaire pour remettre Orion dans le bon sens et libérer les astronautes.
Un peu de calcul
Le bouclier thermique fait environ 5 m de diamètre et la capsule environ 3,3 m de haut, ce qui permet d'estimer (au doigt mouillé) un diamètre des ballons d'environ 1,5 m.
Le volume d'une sphère est V = 4/3 πr³. Avec 1,5 m de diamètre, chaque ballon a un volume d'environ 1,8 m³. Les 5 ballons représentent donc un volume total d'environ 9 m³.
La poussée subie a pour valeur le poids de ce volume de liquide, soit environ 9 t (la densité de l'eau de mer étant d'environ 1 t/m³). Une poussée un peu supérieure au poids total de la capsule, 8 t. Ce calcul d'ordre de grandeur ne remplace pas une étude de stabilité complète (couple de redressement, houle, état des ballons), mais il montre pourquoi quelques ballons suffisent à retourner plusieurs tonnes :
Ce qui est compliqué dans le cahier des charges de cette solution, c'est l'environnement rempli de pièces métalliques qui peuvent percer les ballons, et la garantie d'un déploiement rapide et complet. Des problématiques de pliage et de conditionnement, donc, ainsi qu'un choix de matériaux adéquats pour prévenir les perforations.
Cette solution a été développée au Neutral Buoyancy Laboratory, une gigantesque piscine dans laquelle la NASA fait ses essais :
Toutes les informations sur la mission Artemis I : blogs.nasa.gov/artemis