Amarrage (astronautique)

L’amarrage, dans le domaine de l’astronautique, est l’opération réalisée dans l’espace et destinée à rendre solidaires desengins spatiaux. L'amarrage est d'abord mécanique c'est-à-dire qu'il solidarise les deux engins spatiaux. Il est généralement suivi d'un amarrage électrique et éventuellement fluidique qui assure la continuité des circuits électriques (énergie, signaux) et, dans le cas où un des engins ravitaille l'autre, le transfert de fluides (ergols, eau, oxygène, etc.).
Le tout premier amarrage dans l'espace a été réalisé le16 mars 1966, parNeil Armstrong(missionGemini 8). De 1969 à 1972, des opérations derendez-vouset d'amarrage ont été réalisées enorbite lunairedans le cadre duprogramme Apollo. Depuis lesannées 1970, Américains et Russes amarrent régulièrement leurs vaisseaux aux stations orbitales, imités par les Chinois à partir desannées 2010.
Des mécanismes d'amarrage de plus en plus sophistiqués ont été définis mais aucune norme ne s'est imposée. Les principaux paramètres sont les dimensions de l'écoutille, la masse, le caractère hybride ou non du dispositif, le mécanisme d'amarrage. La manœuvre d'amarrage peut être réalisée soit manuellement (guidé par l'équipage) soit de manière automatique (sans intervention humaine).
La phase d'amarrage est précédée d'une longue phase d'approche décomposée en plusieurs étapes destinée à ajuster la vitesse, l'orientation et la position relatives des deux engins spatiaux. Par ailleurs dans l'espace, les opérations d'accouplement mécanique pour différentes raisons (en particulier l'absence de gravité) sont difficiles.
SelonRobert L. Gibson, commandant de lanavette spatialeAtlantis durant la première mission duprogramme Shuttle-Mir, l'opération d'amarrage présente la difficulté combinée d'un ravitaillement en carburant entre deux avions en vol et de l'atterrissage d'un avion sur unporte-avions. La marge d'erreur est particulièrement faible et s'il se produit une défaillance d'équipement combinée avec une mauvaise réaction humaine, les conséquences peuvent être particulièrement graves. L'amarrage de deux engins spatiaux en l'absence de pesanteur est en effet un problème physique complexe. Sur Terre, le mouvement de deux mobiles est en grande partie limité que ce soit au sol, en mer ou même en vol (avion). Dans l'espace, il est nécessaire de contrôler simultanément 8degrés de libertépour que l’amarrage puisse se faire sans dépasser la résistance mécanique du système d'amarrage. Par ailleurs, sur Terre, la friction du sol ou la résistance de l'air ou de l'eau constituent des forces qui amortissent les mouvements. Dans l'espace, toute l'énergie produite par l'amarrage doit être absorbée et dissipée par les vaisseaux eux-mêmes.
L'opération d’amarrage est généralement la suite d'unrendez-vous spatialréussi. Au cours de cette dernière manœuvre, le vaisseau spatial « chasseur » a progressivement modifié son orbite de manière à se retrouver sur la même orbite et à faible distance du vaisseau auquel il veut s'amarrer. Les opérations d'amarrage proprement dites débutent lorsque les deux vaisseaux ne sont plus éloignés que de quelques centaines de mètres. Le chasseur doit s'approcher à vitesse de plus en plus réduite du port d'amarrage de l'autre vaisseau de manière en bout de course à avoir parfaitement aligné l'axe des deux ports d'amarrage, annulé les composantes de vitesse de rotation dans les deux axes situés dans le plan du port d'amarrage, et annulé les vitesses de translation dans ces deux axes également.
Les principaux systèmes d'amarrage entre vaisseaux sont :
Les techniques derendez-vouset d'amarrage entre deux vaisseaux spatiaux sont mises au point quelques années après le début de l'ère spatiale (1957) dans le cadre de lacourse à l'espaceentre les Américains et les Soviétiques. Cette compétition a été officiellement déclarée le25 mai 1961par le président des États-UnisJohn Kennedy, après que les Soviétiques aient envoyé le premiersatellite artificiel(Spoutnik 1,4 octobre 1957) et le premierhomme dans l'espace(Gagarine,12 avril 1961). Le défi lancé par Kennedy n'était rien d'autre que d'envoyer un homme sur la Lune avant la fin de la décennie. Ce programme ambitieux nécessitait du matériel important et des procédures complexes, en particulier l'assemblage de deux modules distincts : lemodule de commande, à bord duquel résidaient trois membres d'équipage, et lemodule lunaire, à bord duquel, parvenus enorbite lunaire, deux d'entre eux s'installaient, atterrissaient, effectuaient leur séjour et, revenus en orbite, s'amarraient au vaisseau-mère, à bord duquel ils revenaient sur Terre. Baptisé "Apollo", ce programme ne pouvait être mené d'emblée : il nécessitait un certain nombre d'essais préalables, menés durant la période 1965-1966 lors du programmeGemini.
Le25 octobre 1965, unefusée Agenadoit servir de cible au vaisseauGemini 6, habité par deux hommes et devant être lancé peu après elle. Mais cette fusée explose six minutes après son décollage et la mission est reportée. Finalement, deux mois plus tard, Gemini 6 décolle et son équipage (Schirra-Stafford) réalise le tout premierrendez-vous spatialde l'histoire, en s'approchant à quelques centimètres du vaisseauGemini 7(occupé parBormanetLovell) mais sans toutefois s'amarrer à lui, les deux engins n'étant pas équipés de piècesad hoc.
En définitive, le premier amarrage est effectué le16 mars 1966parNeil Armstrong, commandant de la missionGemini 8, entre son vaisseau spatial et la fusée-cible Agena 8. Mais à la suite d'un incident technique, l'astronaute doit désamarrer les deux engins et rentrer d'urgence sur Terre. D'autres amarrages sont effectués avec succès entre juillet etnovembre 1966(volsGemini 10à12).
Le premier amarrage automatique est effectué le27 octobre 1967par les vaisseaux soviétiques Cosmos 186 et Cosmos 188 et le16 janvier 1969s'opére une jonction entre les vaisseaux habitésSoyouz 4etSoyouz 5. À cette occasion, deux cosmonautes de Soyouz 5 effectuent unesortie extravéhiculairepour rejoindre Soyouz 4 et revenir sur Terre à son bord car il n'y a pas de tunnel de communication dans les colliers d'amarrage. Cette mission s'inscrit dans le cadre des préparatifs d'unprogramme de débarquement sur la Lune, un programme mené dans le plus total secret et qui ne sera révélé que des années plus tard. Il était envisagé qu'un cosmonaute marcherait sur la Lune avant les Américains, occupant seul un module lunaire, puis qu'il rejoindrait un collègue resté en orbite après une sortie extravéhiculaire, aucun tunnel de liaison n'étant conçu au centre des pièces d'amarrage.
Le programme soviétique est donc à la fois moins ambitieux et plus risqué que celui des Américains qui, eux, ont prévu un tunnel de liaison entre lemodule lunaire (LM)et lemodule de commande (CM), Ce qui signifie que lesmoonwalkersn'ont à effectuer de sortie dans l'espace qu'en cas d'incident empêchant la jonction, procédure testée enorbite terrestreen mars 1969 lors de la missionApollo 9.
En définitive, le programme soviétique sera ponctué d'échecs et aucun Soviétique n'approchera la Lune tandis qu'au contraire les Américains mèneront le leur avec succès. Demai 1969àdécembre 1972se déroulent huit missions emportant l'ensemble du train spatial. Les équipages procèdent à différents amarrages entre leurs modules. Tout d'abord au début des missions, quand le train spatial s'éloigne de la Terre et qu'il s'agit de retirer le module lunaire, logé au sommet du troisième étage de la fusée porteuse ; puis en orbite lunaire, après les séjours effectués sur la Lune et avant le retour sur Terre. À l'exception du début de la missionApollo 14, en 1971, où le piloteStuart Roosaéprouve des difficultés à amarrer le module de commande au module lunaire (lire), le système d'amarrage fonctionne parfaitement.
Au début desannées 1970, s'engage une nouvelle compétition, celle desstations spatiales. Russes et Américains amarrent leurs vaisseaux (Soyouzet Apollo) à leurs stations spatiales respectives (Saliout, en 1971, etSkylab, en 1973). Comme ils en ont l'habitude, ils utilisent lesystème d'amarrage sonde-cône: le vaisseau habité est équipé d'un élément mâle (sonde) et le véhicule-cible d'un élément femelle (cône).
En 1972, quand les Américains ont gagné la course à la Lune, une collaboration est décidée avec les Soviétiques et un vol commun est programmé. Le17 juillet 1975, dans le cadre du volApollo-Soyouz, se déroule le premier amarrage entre un vaisseau américain (commandé parThomas Stafford) et un vaisseau russe (commandé parAlexei Leonov). Les atmosphères des deux engins étant différentes, un module spécial a été construit pour faire fonction de sas, logé dans la soute de la fusée porteuse américaine. Par ailleurs le système sonde-cône étant connoté sexuellement et afin de ménager certaines susceptibilités, les deux vaisseaux ont été pourvus de pièces « hermaphrodites », le systèmeAPAS.
Sans réelle portée scientifique, l'événement est avant tout de nature politique : il met officiellement fin à près de vingt ans decompétition spatiale entre les deux pays. Pour autant, jusqu'à la fin de laGuerre froide, au début desannées 1990, il restera sans lendemain : les deux nations vont continuer de mener séparément leurs programmes spatiaux.
Le29 septembre 1977est lancée la station soviétiqueSaliout 6, premier engin disposant de deux ports d'amarrage, un à chaque extrémité. Le11 janvier 1978,Soyouz 27, lancé la veille, s'amarre à la station, à laquelleSoyouz 26est fixé depuis un mois. Pour la première fois, trois vaisseaux différents sont assemblés en orbite. Le22 janvier, soit six jours après le retour sur Terre de Soyouz 26, et à sa place, vient s'amarrer le vaisseau de ravitaillement Progress 1, de façon totalement automatique.
Le19 février 1986est lancée la stationMir. Elle ouvre une nouvelle voie dans l'histoire de l'astronautique car elle est équipée de six pièces d'amarrage : cinq disposées à l'une de ses extrémités, disposées autour d'un élément servant de nœud ; la dernière à l'autre extrémité. La station est assemblée d'avril 1987(apport du moduleKvant-1) àavril 1996(apport du modulePriroda), atteignant finalement une masse de 124 tonnes et permettant une occupation ininterrompue pendant douze ans et demi, jusqu'en 2001. Entretemps, les Américains se seront associés à son exploitation, huit astronautes y séjournant pour des vols longue durée, demars 1995àjanvier 1998.
Enjuin 1992, soit moins d'un an après l'écroulement de l'Union soviétique, la coopération entre Russes et Américains reprend aux termes d'un accord signé entre le président des États-UnisGeorge Bushet le président russeBoris Eltsine.
Le27 juin 1995, lors duprogramme soviéto-américain Shuttle-Miret plus particulièrement de la missionSTS-71, a lieu le premier amarrage entre deux vaisseaux de forts tonnages, lanavette spatiale américaineAtlantis(pilotée parRobert L. Gibson) et lastation orbitaleMir.
Le12 novembre(missionSTS-74), afin de faciliter les opérations, un module d'amarrage, leMir Docking Module, est livré par la navette américaine et fixé à la station Mir. Il est équipé d'unsystème androgyne APAS, comme pour le vol Apollo-Soyouz vingt ans plus tôt.
Le25 juin 1997survient le premier accident grave consécutif à une procédure d'amarrage : le vaisseau automatiqueProgress-M 34 entre en collision avec le moduleSpektr, de la station Mir, endommageant sespanneaux solaireset perforant sa coque. Celui-ci se dépressurisant, l'équipage (comptant l'Anglo-américainMichael Foale) est contraint de l'isoler du reste de la station.
En 1998 la coopération russo-américaine prend un nouveau tournant avec la création progressive de laStation spatiale internationale, projet américain auquel a été associé les russes pour faire face à la tourmente économique politique que traverse ce pays. Le2 décembre 1998, l'équipage de la navetteEndeavour(missionSTS-88) procède à l'amarrage du moduleUnityau module russeZarya, lancé dix jours plus tôt. Durant les années qui suivent, une multitude de navettes américaines et de Soyouz russes effectuent de multiples amarrages avec l'ISS : tout d'abord durant la phase de sa construction (laquelle n'est qu'une succession d'amarrages de modules) puis durant toute sa phase d'exploitation. À partir de ce moment, plusieurs engins automatiques de ravitaillement des équipages s'amarrent également à la station ; notamment les vaisseaux russesProgresset les vaisseaux européensATV.
Pour assembler les modules non Russes, les Américains ont conçu un nouveau système d'amarrage, le "Common Berthing Mechanism" (CBM), qui permet d'installer entre les modules des écoutilles (en forme de carrés aux angles arrondis) de 1,27mde côté, permettant par conséquent de faire circuler dans la station desracks particulièrement volumineux. Le module Unity, élément central de la station, est ainsi équipé de cinq ports CBM : quatre sur ses côtés, le dernier à son extrémité.
Au fil de son exploitation, de nouvelles procédures d'amarrage sont expérimentées. Notamment, dans les derniers instants qui précèdent la jonction d'un vaisseau automatique, l'utilisation d'un bras télémanipulateur, leCanadarm2, à la place des traditionnellesrétro-fusées, pour éviter que ne se reproduise l'accident de Progress-M 34 sur la station Mir en 1997.
La station spatiale internationale constitue de très loin le plus grand dessatellites artificiels. Mesurant approximativement 110mde longueur, 74mde largeur et 30mde hauteur, elle comporte 13 modules pressurisés et sa masse est d'environ 400 tonnes. Cette performance a été rendue possible grâce à la succession des amarrages des différents modules au fil des années. Mais, pour cette raison même, elle n'est pas sans susciter quelques inquiétudes. En 2018, la NASA a exprimé le souhait de se désengager du programme après 2024. La station pourrait alors être privatisée ou désorbitée. À partir du moment où il aura été décidé de l'abandonner, il sera nécessaire de réaliser son démantèlement par désamarrages multiples de sorte que lesdébrisparvenant au sol soient de taille limitée et tombent dans des zones inhabitées. Ce qui nécessitera une importante logistique.
En 2003, la Chine devient la troisième nation à envoyer un homme dans l'espace par ses propres moyens. En quinze ans (2003-2018), elle n'envoie que six vaisseaux habités (programme Shenzhou) mais à chaque vol, elle démontre qu'elle récupère son retard sur la Russie et les États-Unis. En 2011, elle expédie sa première station spatiale,Tiangong 1, et peu après, le vaisseau inhabitéShenzhou 8vient s'y amarrer. Deux équipages l'occupent en 2012 et 2013.
Une seconde station,Tiangong 2, est lancée en 2016, rejointe successivement par un équipage (missionShenzhou 11) puis par un cargo ravitailleur,Tianzhou. La Chine démontre ainsi qu'elle maîtrise les techniques d'amarrage, tant manuelles qu'automatiques.