Les ballons de retournement d’Orion
La capsule spatiale Orion a amerri ce 11 décembre 2022, un franc succès de la mission Artemis I de la NASA.
C’est bien sûr l’occasion de parler des ces jolis ballons rouges qui l’ornent et qui ont fait le tour des médias:
Les ballons de relevage de la capsule Orion, la touche classe sans laquelle elle aurait bien triste mine ;)
Source: https://blogs.nasa.gov/artemis/
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 vont permettre d’éviter que cette dernière ne reste la tête en bas si l’amerrissage ne devait pas se passer comme prévu (déséquilibre lors de la descente avec un parachute en moins, houle trop importante, etc.)
En effet si tout se passe bien la capsule amerrit sur son bouclier thermique et les astronautes peuvent sortir gentiment par les portes (voir ci-contre):
Source: https://www.americaspace.com/2017/07/15/agencies-join-forces-for-orion-crew-egress-testing-in-gulf-of-mexico/
Mais il pourrait tout à fait arriver qu’elle termine sont voyage à l’envers:
Source: https://www.nasa.gov/image-feature/orion-crew-module-uprighting-system
C’est pourquoi les ingénieurs de la NASA lui ont intégré des ballons qui se gonflent à l’impact de l’eau et garantissent le retournement (“Uprighting system”). Et oui, quelques ballons de quelques kgs 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 ce qu’ Archimède nous dit c’est que 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 que pèse le volume d’eau correspondant au volume de l’objet.
Dimensions approximatives d’Orion et ses ballons
Source: https://blogs.nasa.gov/artemis/
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, et donc subit une poussée plus faible. Il faut donc créer une poussée supplémentaire afin de pouvoir remettre Orion dans le bon sens et libérer les astronautes.
Essayons de calculer cette poussée supplémentaire générée par les ballons: le bouclier thermique fait environ 5m de diamètre et la hauteur de la capsule environ 3,3m, ce qui nous permet de déduire (au doigt mouillé) un diamètre des ballons d’environ 1,5m.
Le volume d’une sphère est V = 4/3πr³. Si l’on considère que les ballons font bien 1,5m de diamètre, alors chaque ballon a un volume d’environ 1,8m³. Les 5 ballons représentent donc un volume total d’environ 9m³.
Or Archimède nous dit que la poussée subie par un objet dans un liquide a pour valeur le poids équivalent du volume de ce liquide, soit ici 9m³, donc une poussée d’environ 9t (la densité de l’eau de mer étant d’environ 1t/m³). Une poussée un peu supérieure au poids total de la capsule de 8t, ce qui permet d’assurer son retournement en toute circonstance:
Et même avec 4 ballons seulement ;)
Source: https://www.nasa.gov/image-feature/orion-crew-module-uprighting-system
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, ainsi que de garantir le déploiement rapide et complet de ces derniers. Des problématiques de pliage et de conditionnement donc, ainsi qu’un choix de matériaux adéquats pour prévenir les perforations.
Cette solution a été développée dans le Neutral Buoyancy Laboratory, une gigantesque piscine dans laquelle la NASA fait tous ses essais :) :
Toutes les infos sur la mission Artemis I: https://blogs.nasa.gov/artemis/