Brevet FR2634454A1 — publié le 19900126

Unité de sauvetage pour l'équipage de transporteurs spatiaux Les évenements tragiques qui se sont produits lors du lancement de la navette spatiale Challenger en 19S6 aux ELA ont montré clairement que c'est particulièrement au début d'un vol spatial que les accidents peuvent prendre des dimensions catastrophiques, notamment parce que la navette spatiale dispose encore alors d'énormes réserves de combustible, et que les différents éléments fonctionnent à leur puissance maximale. Les conséquences en peuvent être des explosions qui se propagent sur plusieurs kilomètres carres. Si aucun système de sauvetage autonome n'était prévu pour l'équipage de la navette spatiale Challenger. on s'est bien sûr, à la suite de cet accident, penché sur la question de systèmes de sau\etage adéquats. Du fait d'une certaine similitude entre de tels planeurs orbitaux réutilisables et les avions conventionneis, une idée éxidente était de vérifier la possibilité d'utiliser pour ces transporteurs spatiaux les sièges éjectables connus notamment dans le domaine aéronautique militaire. Toutefois, les ensembles de sièges éjectables connus ne conviennent, pour ce domaine d'application. que d'une matière très limitée pendant la phase d'atterrissage, et absolument pas pendant la phase de lancement, et ce pour plusieurs raisons. D'une part. les personnes ne sont pratiquement pas protégées de l'atmosphère ambiante, et seraient vraisemblablement brûlées en traversant un champ d'explosion. D'autre part. les forces de poussée et les vitesses de vol d'un orbiteur sont déjà après quelques secondes, tellement élevées que des pressions dynamiques énormes apparaissent, qui ne permettent plus une éjection fiable des sièges. La poussée et la durée de poussée des sièges éjectables conventionnels ne permettent pas d'assurer une séparation suffisante entre le foyer d'explosiorn et le point d'atterrissage de l'astronaute en danger. Le temps nécessaire pour libérer la voie d'éjection est trop important, s'il faut au préalable faire éclater la structure de la navette spatiale (pour un avion, il s'agit de traverser le toit). La présente invention a donc pour but de proposer une possibilité d'unité de sauvetage pour l'équipage de transporteurs spatiaux, l'unité de sauvetage devant être configurée de manière à pouvoir être séparée de manière fiable du transporteur spatial à tout moment sur le trajet de ce dernier entre la rampe de lancement et le moment o il quitte l'atinosphère terrestre, ainsi qu'entre le moment o il rentre à nouveau dans l'atmosphère terrestre et l'atterrissage. L'invention se base sur la constatation générale que ce but peut être préférentiellement atteint avec une fusée de sauvetage autarcique, incorporée au transporteur spatial. Le terme de fusée de sauvetage "autarcique" signifie ici que la fusée de sauvetage dispose d'un propre système propulseur, afin de pouvoir se séparer d'elle-même du transporteur spatial, le système propulseur servant ensuite à établir une trajectoire de vol défini, puis étant relevé de ses fonctions par un système de rapatriement, qui assure le retour freiné de la fusée de sauvetage sur la terre, avec une vitesse de descente fixe définie. A cet effet, l'invention propose, dans sa forme de réalisation la plus générale, une unité de sauvetage pour l'équipage de transporteurs spatiaux sous la forme d'une fusée de sauvetage, avec - une cabine pour recevoir au moins une personne, de préférence assise, ou couchée, - une propre unité de propulsion, autarcique par rapport à l'unité de propulsion du transporteur spatial, avec des tuyères de poussée pour éjecter la fusée de sauvetage hors du transporteur spatial, et - une unité de rapatriement, pour commander la trajectoire et/ou la vitesse de la fusée de sauvetage éjectée du transporteur spatial. rBien évidemment, la fusée contient également des systèmes adéquats de survie qui, en cas d'éjection, fournissent et régulent, indépendamment des systèmes de bord de la navette spatiale, l'alimentation en oxygène et la pression de cabine, par exemple, dans la fusée de sauvetage. La fusée de sauvetage possède une propre cabine, qui loge plusieurs personnes. mais de préférence une seule personne. C'est pourquoi, le cas échéant, plusieurs fusées de sauvetage selon l'invention sont disposées dans un transporteur spatial. La cabine est de préférence équipée d'une propre porte et d'un hublot. Lors du lancement automatique du transporteur spatial, o le risque d'accident est le plus élevé, chaque personne prend place dans la cabine de sa fusée de sauvetage, et la verrouille hermétiquement. De préférence, la fermeture de la porte a lieu automatiquement à la suite du déclenchement d'un signal avertisseur, dès que la personne est dans la cabine. Pendant le vol spatial normal, I'équipage quitte la fusée de sauvetage et travaille -comme précédemment- dans le transporteur spatial proprement dit. Cela vaut également généralement pour la phase d'atterrissage, qui est une phase de pur vol plané. Si des irrégularités devaient se produire pendant cette phase, l'équipage pourrait alors prendre à nouveau place dans ses fusées de sauvetage, les fermer, et les séparer du transporteur spatial de la manière qui reste à décrire. Les systèmes de survie en cas d'éjection, tels que l'alimentation en oxygène et en pression, sont logés à l'intérieur de la cabine. Pendant le séjour des astronautes dans la cabine de sauvetage -sans que cette dernière ait été séparée du transporteur spatial-, les occupants sont alimentés par les systèmes de bord de la navette. Ce n'est qu'en cas d'éjection de la fusée de sauvetage que, par l'intermédiaire de raccords séparables, les liaisons avec la navette sont supprimées, et que les systèmes de secours autarciques de la fusée de sauvetage prennent en charge l'approvisionnement de la personne à sauver. Il est bien évident que les éléments de manoeuvre nécessaires pour allumer la fusée de sauvetage et pour la commander sont eux-aussi disposés à l'intérieur de la fusée de sauvetage. Il est préféré de placer l'équipage en position assise ou couchée dans la fusée de sauvetage. ce qui permet une absorption optimale des puissantes forces de poussée. et un maintien à l'aide de systèmes de sécurité conventionnels (ceintures de sécurité, etc.). Selon une forme de réalisation avantageuse, l'invention propose de disposer l'ensemble de siège assis ou couché à l'intérieur de la cabine avec possibilité de pivotement et avec un amortissement contre les chocs, lequel est par exemple obtenu à l'aide de coussins d'air adéquats. La transmission de l'énergie d'impact de la fusée de sauvetage lors de l'atterrissage est ainsi adéquatement amortie. Le réglage de l'ensemble de siège a lieu de préférence automatiquement, par exemple lors du déclenchement d'un processus de sauvetage donné. Comme on l'a mentionné, la fusée de sauvetage est munie d'un propre système propulseur avec des tuyères de poussée adéquates, qui sont conçues de façon que la fusée puisse être détachée de l'orbiteur en un temps le plus court possible et à grande vitesse. Fondamentalement, on peut utiliser ici des accélérateurs (boosters) connus. Il est bien évident que l'unité de propulsion comprend également une alimentation adéquate en combustible. A la différence des systèmes de sièges éjectables connus. une fusée de sauvetage selon l'invention permet d'éjecter l'équipage, en un temps très bref, à une distance d'au moins plusieurs kilomètres du transporteur spatial proprement dit, et de l'amener ainsi dans une zone qui, en cas, par exemple, d'explosion du transporteur spatial, n'est plus mise en danger par des débris volants, des ondes de pression, des nappes de feu ou similaires. C'est précisément dans une telle séparation du transporteur spatial, contrôlée et garantissant la sécurité de la fusée de sauvetage, que réside une caractéristique essentielle de l'invention. Grâce à la propre unité de propulsion décrite ci-dessus, la séparation en toute sécurité est encore garantie même si la vitesse de la navette spatiale se situe environ à Mach 7, à savoir la vitesse avec laquelle les transporteurs spatiaux connus jusqu'alors quittent l'atmosphère terrestre. Malgré les pression dynamiques élevées, qu'il faut alors vaincre, la fusée de sauvetage peut encore, grâce à son propre système propulseur, être séparée en toute sécurité, et assurer la protection de la personne à sauver. Afin d'assurer à la fusée de sauvetage une trajectoire de vol définie à la suite de son détachement, l'invention propose, selon une forme de réalisation avantageuse, que la fusée soit gyrostabilisée. Il est en outre proposé de doter la fusée de sauvetage de surfaces conductrices ("fins")-disposées périphériquement, qui assurent également l'établissement d'une trajectoire définie. Selon une forme de réalisation avantageuse, l'invention propose que ces surfaces conductrices puissent être transférées d'une disposition sensiblement tangentielle, par rapport à la surface extérieure de la fusée de sauvetage, à une disposition radiale. Cette caractéristique est basée sur la réflexion suivante. Pour des raisons aérodynamiques, les fusées présentent en règle générale un corps de forme cylindrique, qui est configuré en pointe ou arrondi dans le sens de vol. Afin d'imprimer à la fusée une trajectoire définie, il faut qu'elle soit guidée de manière fiable lors de son lancement; c'est pourquoi la fusée de sauvetage est de préférence disposée dans un logement cylindrique correspondant-du transporteur spatial. Mais des surfaces conductrices radialement en saillie seraient alors initialement gênantes lors du lancement, c'est pourquoi l'invention propose des surfaces conductrices déployables. Les surfaces conductrices peuvent être des surfaces conductrices textiles, repliables et/ou gonflables. Si l'on se base sur une position initiale assise de l'équipage dans la fusée de sauvetage, par exemple lors du lancement du transporteur spatial, et si, comme le propose une forme de réalisation avantageuse de l'invention, la fusée de sauvetage est disposée à un angle supérieur à 0 et inférieur à 90 par rapport à la direction de vol du transporteur spatial, alors le pilote se trouve initialement dans la fusée à une position dans laquelle sa tête est tournée dans la direction de vol. Une fois que l'unité de propulsion de la fusée a assuré un éloignement suffisant de la fusée de l'orbiteur, les forces de poussée de l'unité d'entraînement sont réduites pratiquement à zéro, à la suite de quoi la fusée modifie sa direction de vol pour suivre une trajectoire circulaire en direction de la terre, ce qui a pour conséquence que le pilote décrit le reste de la trajectoire "tête en bas". Pour empêcher cela. l'invention propose en outre de munir la fusée de sauvetage d'un dispositif pour agir sur sa position de vol par rapport à sa trajectoire. La fusée doit ainsi être déplacée, soit en orientation horizontale. soit a une orientation selon laquelle le pilote se trouve a nouveau tête en haut pendant la phase d'atterrissage. Cela peut être réalisé, par exemple, par des dispositifs adéquats pour produire une contre-poussée par rapport à décélération ou selon le cas à un freinage stabilisé, mais il est également possible de prévoir des tuyères auxiliaires supplémentaires. qui déplacent la fusée à l'orientation souhaitée. Une autre possibilité d'atteindre ce but est que, par exemple en larguant des éléments constitutifs donnés de la fusée, une orientation donnée soit obtenue par le déplacement de poids correspondant. Le dispositif pour agir sur la position de vol peut faire partie de l'. unité de rapatriement, laquelle, selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, comprend des dispositifs de décélération aérodynamiques avec au moins un un parachute, et de préférence un système de parachutes à plusieurs étages. Un système de parachutes à plusieurs étages est notamment préféré parce que la fusée doit être freiné à partir d'altitudes et de vitesses différentes selon le moment auquel se produit l'accident. Si l'on se base sur le cas extrême précédemment décrit, o l'accident n'a lieu que juste avant-de quitter l'atmosphère, la navette spatiale présentant alors, par exemple, une vitesse de Mach 7, le dispositif de décélération à plusieurs étages offre l'avantage d'une réduction progressive de la vitesse maximale à des vitesses inférieures, auxquelles des parachutes peuvent être ouverts sans dangers, et assurent ensuite la réduction de la vitesse de descente à des valeurs habituelles lors de l'atterrissage. De préférence, le système de parachutes à plusieurs étages (système de parachutes à trois étages par exemple) est structuré de telle sorte que chaque étage individuel (c'est à dire chaque parachute) est disposé dans un propre sac, et les sacs sont reliés les uns aux autres. Cela permet une ouxerture par paliers adéquate des différents parachutes. Afin que la fusée de sauvetage se pose le plus doucement possible sur le sol ou sur de l'eau, l'invention propose également de disposer des systèmes d'amortissement supplémentaires sur le côté de la fusée de sauvetage qui est opposé au parachute, de sorte que la fusée touche d'abord le sol par ces éléments d'amortissement. A nouveau, ces éléments d'amortissement sont de préférence réalisés sous la forme de coussins d'air ("aerbags"), qui assurent également, en cas d'amerrissage, une flottabilité correspondante de la fusée. Les éléments d'amortissement sont, au moment opportun et par l'intermédiaire d'une unité de commande/réglage et/ou manuellement, sortis de la fusée à la suite de l'ouverture de volets correspondants dans la paroi extérieure de la fusée. La fusée de sauvetage est de préférence réalisée en des- matériaux conventionnels, connus dans le domaine aérospatial, qui doivent principalement répondre aux critères suivants: ils doivent être résistants aux températures élevées, posséder une conductibilité thermique la plus mauvaise possible, présenter une bonne rigidité structurelle, et avant tout être légers, afin de réduire le plus possible le poids transporté par l'orbiteur. C'est également la raison pour laquelle il est moins opportun d'envisager des capsules éjectables de plus grande taille, qui pourraient par exemple recevoir la totalité d'un équipage. Un matériau qui répond à ces exigences est le titane. De plus, on peut doter notamment la pointe de la fusée d'un bouclier thermique, par exemple en céramique ("tuiles" de céramique) ou en bois -et c'est ici moins le bois en tant que tel que le matériau carbonisé en charbon par la chaleur de friction qui assurera une protection avantageuse contre les températures élevées. Enfin, afin d'améliorer l'accélération initiale, l'unité de propulsion peut présenter un canon d'éjection télescopique pour amplifier la poussée de la fusée. L'invention va être maintenant explicitée à l'aide d'un exemple de réalisation qui est représenté sous une forme fortement schématique, pour la clarté de l'illustration. sur le dessin annexé, dans lequel Figure I représente la disposition d'une fusée de sauvetage dans une navette spatiale Figure 2 représente la phase d'éjection d'une fusée de sauvetage hors d'une navette spatiale; Figure 3 représente plus en détails la fusée de sauvetage en position dans la navette spatiale; et Figure 4 représente la fusée de sauvetage lors de l'atterrissage, suspendue à un parachute. Sur les différentes figures, les éléments constitutifs identiques ou de même fonction sont désignés par les mêmes références numériques. Ainsi, la référence 10 désigne une navette spatiale. comme par exemple la navette spatiale en projet Hermès, une na\ette réutilisable qui présente une configuration similaire à celle d'un avion et qui, à la suite d'un vol dans l'espace, doit atterrir sur la terre en glissant, sans entraînement propre, comme un planeur. Dans la partie avant, dans le sens de vol F, de la navette spatiale 10, deux fusées de sauvetage 12, I'l selon l'invention sont disposés perpendiculairement au sens de vol F, à distance l'une à côté de l'autre. Mais les fusées de sauvetage 12, 14 pourraient également être disposées inclinées, et ce notamment, dans la représentation selon la figure I (partie supérieure), d'en bas à droite vers en haut à gauche sous un angle d'environ 450 par rapport à la verticale. Cela présente l'avantage que, lors du lancement de l'orblteur o ce dernier est disposé perpendiculairement à la position représentée à la figure 1, l'éjection de la fusée de sauvetage n'a pas lieu horizontalement et donc parallèlement à la Terre, mais à un angle d'environ 45 en éloignement de la terre, de sorte que la fusée de sauvetage est dirigée sur une trajectoire de vol habituelle. Cela permet d'optimiser l'unité de sauvetage sur le plan de la fiabilité. La figure 3 présente la structure de la fusée de sauvetage 12, qui est d'une construction identique à la fusée de sauvetage 14. La figure montre clairement que la fusée de sauvetage 12 s'étend 30. sensiblement sur toute la hauteur de la navette spatiale 10, laquelle est munie sur le dessus d'un hublot éjectable 16, qui laisse la voie libre pour la fusée de sauvetage 12. La fusée 12, réalisée sous une forme sensiblement cylindrique et munie d'une pointé arrondie 18, de préférence de forme aérodynamique, repose dans un logement cylindrique 20 de la navette spatiale 10.' La fusée est divisée en trois groupes constructifs, un module de rapatriement 22 disposé sur le dessus, un module central de cabine 24, et un module inférieur de propulsion 26. Le module de propulsion 26, qui présente un système propulseur connu dans le domaine aérospatial, n'est représenté que schématiquement sur la figure. Les spécialistes pourront se référer aux divers systèmes propulseurs connus. Il est bien évident que le module de propulsion 26 doit également comprendre un réservoir de combustible, et est ouvert. vers le bas afin que les buses de poussée puissent fonctionner. La figure 3 représente, également d'une manière schématique, les surfaces conductrices 28 disposées périphériquement sur la fusée 12, qui sont réalisées sous la forme de volets rabattables. Tandis qu'elle sont initialement disposées, tant que la fusée se trouve encore à l'intérieur de la navette, tangentiellement par rapport à la paroi extérieure de la fusée, une unité de régulation assure, une fois que la fusée a quitté la navette, que les surfaces conductrices 28 soient rabattues radialement vers l'extérieur, afin de stabiliser la fusée sur la uite de sa trajectoire. Le module de cabine 24 est doté d'un siège 30 en dessous duquel est disposé un coussin d'air 32. Le pilote est en outre maintenu fixement par un système de ceinture de sécurité. Dans le sens de vision du pilote, la fusée 12 présente une porte rotative (non représentée), qui sert à l'entrée et la sortie et peut être hermétiquement fermée. A l'intérieur de la cabine 24 sont prévus les systèmes de survie ainsi que différents dispositifs de commande et de réglage pour l'actionnement manuel ou selon le cas la surveillance des différents éléments de la fusée par le pilote. Le module de rapatriement 22 sert exclusivement et principalement à recevoir le système électronique 34 de la fusée ainsi qu'un système de parachutes 36, qui est constitué ici de trois parachutes 36', 36" et 36"', le parachute le plus petit 36' devant s'ouvrir en premier, le parachute de taille moyenne 36" en second, et le parachute le plus grand 36"' enfin en troisième et dernier lors de l'atterrissage. Sien sûr, il est à nouveau prévu ici un hublot adéquat, non représenté, dans la paroi de la fusée, par lequel sortent les parachutes. La figure 4 représente la -fusée 12 suspendue au parachute 36"' juste avant un amerrissage. A cet instant, deux coussins d'air 38 ont déjà été sortis sur le dessous de la fusée 12 et gonflés; ils doivent assurer la flottabilité de la fusée à la suite de l'amerrissage. REVENDICATIONS 1. Unité de sau\etage pour l'équipage d'un transporteur spatial (10), caractérisee en ce qu'elle se présente sous la forme d'une fusée de sauvetage (12, 14), avec une cabine (24) pour recevoir au moins unepersonne. de préférence assise, ou couchée, une propre unité de propulsion (26), autarcique par rapport à l'unité de propulsion du transporteur spatial (lI). avec des tuyères de poussée pour éjecter la fusée de sauvetage (12, 14) hors du transporteur spatial (10), et une unité de rapatriement (22), pour commander la trajectoire et/ou la vitesse de la fusée de sauvetage (12. 1L) éjectée du transporteur spatial (10). 2. Unité de sauvetage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'unité de propulsion (26) est conçue de telle sorte que, même aux vitesses de vol que peut atteindre le transporteur spatial (10) sur sa trajectoire dans l'atmosphère, elle éjecte spontanément la fusée de sauvetage (12, 14) à une distance du transporteur spatial (1I) suffisante pour garantir la sécurité de la fusée. 3. Unité de sauvetage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la fusée de sauvetage est gyrostabilisée. 4. Unité de sauxetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la fusée de sauvetage (12) est dotée de surfaces conductrice; (28) disposées périphériquement. 5. Unité de sauvetage selon la revendication 4, caractérisée en ce que les surfaces conductrizes (28) peuvent être transférées d'une disposition sensiblement tangentielle par rapport à la surface extérieure de la fusée de sauvetage (12) à une disposition radiale. 6. Unité de sauvetage selon la revendication 5, caractérisée en ce que les surfaces conductrices (28) sont des surfaces conductrices textiles, repliables et/ou gonflables. 7. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un dispositif pour produire une contre-poussée (poussée de freinage) par rapport à la direction de vol de la fusée de sauvetage. 8. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un dispositif pour agir sur la position de vol de la fusée de sauvetage par rapport à sa trajectoire. 9. Unité de sauvetage selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le (les) dispositif(s) lait (font) partie de l'unité de rapatriement (22). 10. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'unité de rapatriement (22) comprend au moins un parachute, et de préférence un systèrme de parachutes à plusieurs étages (36', 36", 36"'). 11. Unité de sauvetage selon la revendication 15, caractérisée en ce que le système de parachutes (36', 36", 36"') est structuré de telle sorte que chaque étage individuel (c'est à dire chaque parachute) est disposé dans un propre sac, et les sacs sont reliés les uns aux autres. 12. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications I à 11, caractérisée en ce qu'elle est munie d'au moins une unité d'amortissement (38). qui peut être sortie de la fusée de sauvetage du côté opposé au parachute (36"'). 13. Unité de sauvetage selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'unité d'amortissement (38) est un coussin d'air. 14. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la cabine (24) est dotée d'une porte à fermeture hermétique. 15. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que l'ensemble de siège assis ou couché à l'intérieur de la cabine (24) est amorti contre les chocs. 16. Unité de sauvetage selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'ensemble de siège est amorti contre les chocs à l'aide d'un coussin d'air (32). 17. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure de la fusée est réalisée en un matériau résistant aux températures élevées,structurellement rigide et de faible poids spécifique. 18. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure de la fusée est munie, au moins dans la région de la pointe de la fusée, d'un bouclier thermique monté séparément. 19. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que la position de l'ensemble de siège peut être modifiée. 20. Unité de sauvetage selon la revendication 19, caractérisée en ce que, lorsque la fusée est disposée inclinée dans le transporteur spatial, l'ensemble de siège peut être pivoté à une position normale. Il 21. Unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications 1 à 25. caractérisée en ce qu'afin d'améliorer l'accélération initiale. l'unité de propulsion présente un canon d'éjection télescopique pour amplifier la poussée de la fusée. 22. Transporteur spatial avec une unité de sauvetage selon l'une quelconque des revendications I à 21, caractérisé en ce que la fusée de sauvetage est disposée avec sa direction d'éjection à un angle supérieur à 0 et inférieur à 90 par rapport à la direction de vol (F) du transporteur spatial.