Accident de la navette spatiale Columbia
Le sigle de la mission STS-107

L’accident de la navette spatiale Columbia est un accident spatial qui eut lieu le 1er février 2003 au cours de la mission STS-107 causant la destruction de la navette spatiale américaine Columbia et la perte des 7 membres de l'équipage durant la phase de rentrée atmosphérique.

La perte de Columbia est le résultat de dommages subis pendant le lancement quand un morceau de mousse isolante de la taille d'un petit porte-documents s'est détaché du réservoir externe (le réservoir principal de propergol) de la navette spatiale, sous les forces aérodynamiques du lancement.

Le débris a percuté l'aile gauche sur le bord d'attaque, endommageant le système de protection thermique de la navette NASA ont limité les investigations au motif que peu pourrait être fait, même si des problèmes étaient découverts[1].

Le comité de la NASA responsable de la sécurité de la navette a déclaré que la mousse du revêtement du réservoir externe et autres débris qui ont frappé la navette constituent des problèmes de sécurité qui doivent être résolus avant qu'un lancement soit autorisé, mais on a souvent donné le feu vert à des lancements alors que les ingénieurs avaient détecté un problème dans le revêtement de mousse sans y avoir apporté de résolution.

Débris enflammés de la navette spatiale Columbia après la rentrée dans l'atmosphère.

La majorité des lancements de la navette ont enregistré ces débris de mousse et des griffures sur les tuiles thermiques, en violation des règles de sécurité[2]. Au cours de ré-entrée de la mission STS-107, la zone endommagée a permis aux gaz chauds de pénétrer et détruire rapidement la structure interne de l'aile[3] à l'origine de la désintégration du véhicule.

Des recherches sur un immense territoire dans des parties du Texas, de la Louisiane et de l'Arkansas ont permis la récupération de restes de l'équipage et de nombreux fragments du véhicule.

La mission STS-107 a été le 113e lancement de la Navette spatiale qui a été retardé à 18 reprises au cours des deux ans entre la date de lancement initale du 11 janvier 2001 et la date de lancement effective le 16 janvier 2003. (Et a été précédée par la mission STS-113.)

Un retard de lancement, en raison de fissures dans le système de distribution de propergol de la navette, a eu lieu un mois avant la date de lancement du 19 juillet 2002. Le Bureau d'enquête sur l'accident de Columbia (Columbia Accident Investigation Board (en) (CAIB)) a déterminé que ce retard n'a rien à voir avec la défaillance catastrophique qui a eu lieu six mois plus tard.

Les recommandations du CAIB ont été autant techniques et organisationnelles. Le programme navette spatiale a été arrêté plus de deux ans après la catastrophe, un retard comparable à celui résultant de la catastrophe de Challenger.

Parallèlement, la construction de la Station spatiale internationale a été mise en panne, et la station s'est appuyée entièrement sur l'Agence spatiale fédérale russe pour le réapprovisionnement et de rotation de l'équipage jusqu'à STS-114.

Sommaire

Équipage

Photo de l’équipage

Causes de l'accident

Columbia au decollage pour sa dernière mission. Le triangle de couleur claire visible à la base du support près du nez de la navette spatiale est la barre de mousse du trépied gauche.Video

Environ 82 secondes après le lancement, un morceau de la mousse d'isolation thermique, de la taille d'une valise, s'est détaché du réservoir externe, frappant les panneaux renforcés carbone-carbone (RCC) de l'aile gauche de Columbia.

Comme l'ont montré les expériences réalisées au sol par le CAIB, cette collision a créé un trou de 6 à 10 pouces (15 à 25 cm) de diamètre. Les gaz chauds ont alors pu entrer dans l'aile lors de la rentrée dans l'atmosphère de Columbia. Au moment du choc avec la mousse, l'orbiteur se trouvait à une altitude d'environ 20 115 m (66 000 pieds), et se déplaçait à Mach 2,46 (1 870 mi/h, ou 837 mètres par seconde). La masse du fragment de mousse était d'environ 0,54 kg et l'aile a été touchée à peu près à 244 m/s.

Le réservoir principal de carburant de la navette est recouvert de mousse isolante, afin d'éviter la formation de glace sur celui-ci lorsqu'il est plein d'hydrogène et d'oxygène liquides, ce qui pourrait endommager la navette au cours du décollage. Le trépied gauche de l'attache avant du réservoir est un composant aérodynamique d'environ un mètre entièrement en mousse, au lieu d'être une structure métallique avec revêtement de mousse.

En tant que telle, la mousse n'est pas normalement considérée comme un matériau de structure, elle est appelée à supporter certaines charges aérodynamiques. En raison de ces exigences particulières, la coulée en place et mise en forme des rampes ne peut être effectuée que par un technicien supérieur[4]. La barre du trépied (côtés droit et gauche) a été conçue à l'origine pour réduire les contraintes aérodynamiques autour des points de fixation au réservoir externe, mais s'est révélée inefficace à la suite de l'accident et a été supprimée du réservoir externe après STS-107. Une autre rampe en mousse, le long de la ligne d'oxygène liquide, a également été enlevée plus tard du réservoir pour éliminer une source de débris, après qu'une analyse complexe et des tests eurent prouvé que ce changement était sûr.

La rampe d'isolation du trépied est tombée sur de nombreux vols précédents (STS-7 (1983), STS-27 (1988), STS-32 (1990), STS-50 (1992), et partiellement sur les vols STS-52 et STS-62). En outre, la barre de mousse du Protubérance Air Load (PAL) a également perdu des morceaux, en plus de grandes zones de mousse. Les responsables de la NASA ont appelé ce phénomène "l'excrétion de mousse". Ces pertes avaient déjà causé au moins un choc, sans graves dommages.

Comme avec l'usure de joint torique qui en fin de compte a condamné le Challenger, les responsables de la NASA se sont habitués à ces phénomènes sans conséquence grave. Ce phénomène a été qualifié "normalisation de la déviance" par la sociologue Diane Vaughan dans son livre sur le processus de décision du lancement de Challenger[5].

La vidéo prise au cours du décollage de la mission STS-107 a été entièrement examinée deux heures plus tard et n'a rien révélé d'anormal. Le lendemain, une copie en plus haute qualité du film, dont les images ont été retraitées pendant la nuit, a révélé les débris de mousse frappant l'aile gauche, endommageant potentiellement la protection thermique de la navette spatiale. À l'époque, l'emplacement exact où la mousse a heurté l'aile n'a pas pu être déterminé en raison de la faible résolution de la caméra vidéo de suivi.

Gestion des risques des vols

Dans un scénario de gestion du risque semblable au désastre de Challenger, la direction de la NASA a omis de prendre en compte la pertinence des inquiétudes des ingénieurs en matière de sécurité. Deux exemples : refus des demandes des techniciens sur des recherches par caméra d'éventuels dommages et inspection, par les astronautes, de l'aile gauche. Les ingénieurs ont fait trois demandes séparées au Département of Défense (DOD) d'imagerie de la navette en orbite pour déterminer les dommages avec plus de précision.

Alors que les images existantes ne permettaient pas de montrer exactement les dommages, il était néanmoins possible d'obtenir une prise de vues avec une résolution suffisante pour fournir un examen significatif. En fait, le CAIB a recommandé pour les vols suivants que la navette spatiale soit inspectée en orbite en utilisant les capacités au sol ou dans l'espace du Département de la Défense[6]. Les dirigeants de la NASA n'ont pas honoré ces demandes et dans certains cas sont intervenus pour empêcher une participation du DOD.

L'ingénieur en chef du système de protection thermique (TPS) de la NASA était préoccupé par des dommages de la TPS de l'aile gauche et a demandé à la direction de la NASA si un astronaute pouvait l'inspecter visuellement. Les directeurs de la NASA n'ont jamais répondu.

Dans tout le processus d'évaluation des risques, les hauts directeurs de la NASA ont été influencés par leur certitude que rien ne pourrait être fait dans l'espace même si des dommages étaient détectés : ceci a affecté leur opinion sur l'urgence et la précision des recherches et les actions possibles éventuelles.

Elles ont décidé de suivre un scénario d'étude de "paramètre quoi-si" plus adaptée à déterminer les probabilités de risque d'événements futurs, au lieu d'inspecter et d'évaluer les dommages réels. Le rapport d'enquête a montré que Linda Ham, directeur de la NASA, partageait en particulier une telle attitude[7].

Une grande partie de l'évaluation des risques s'est axée sur des prévisions de dommages sur le système de protection thermique. Celles-ci se rangent dans deux catégories : dommages aux tuiles de silice sur l'intrados d'aile, et des dommages aux panneaux secondaires renforcés au carbone-carbone (RCC). Le TPS inclut une troisième catégorie de composants, les couvertures isolantes thermiques, mais des prévisions de dommages ne sont pas typiquement axés sur eux. Des évaluations des dommages sur les couvertures thermiques peuvent être exécutées qu'après qu'une anomalie ait été observée sur les deux premiers composants et ceci a été fait au moins une fois après le retour désastreux de Columbia.

Un programme informatique de prédiction de dégâts était utilisé pour évaluer les dégâts potentiels des tuiles et panneaux RCC.

L'outil de prédiction de dommages appelé "Crater" a été décrit par plusieurs responsables de la NASA, lors de conférences de presse, comme n'étant pas tout à fait un logiciel informatique mais plutôt une feuille de calculs statistiques des observations des évènement des vols passés et de leurs effets.

L'outil "Crater" avait prédit une perforation importante de plusieurs tuiles par un impact si celui-ci avait lieu dans la zone des tuiles du TPS mais les ingénieurs de la NASA ont sous estimé cela.

Les ingénieurs ont estimé exagérés les résultats du modèle sur les dommages causés par de petits projectiles et qu'il en serait de même pour l'impact de plus grands morceaux de mousse insufflée (SOFI).

Le programme utilisé pour prédire les dommages sur les tuiles RCC était basé sur de petits impacts de glace de la taille d'un mégot de cigarette et pas sur l'impact d'un plus grand morceau SOFI, car les impacts de glace étaient la seule menace reconnue sur les panneaux jusqu'à ce jour.

Moins de 1 sur 15 envisageait un impact de mousse, le logiciel prédit qu'un impact de glace pourrait complètement traverser le panneau RCC. Les ingénieurs ont minimisé cela aussi, estimant que l'impact d'une matière moins dense comme la mousse (SOFI) aurait moins de conséquence que les impacts de glace.

Dans un échange d'e-mail, des responsables de la NASA se sont demandés si la densité de la SOFI pouvait être utilisée pour justifier de la réduction prévisible des dommages.

En dépit de préoccupations au sujet des études sur l'énergie transmise par le matériau SOFI, les responsables de la NASA ont finalement accepté comme logique de réduction des dégâts possibles sur les panneaux RCC de perforation possible à légers dégâts à la mince couche de protection[8].

En fin de compte l'équipe de direction de mission de la NASA a estimé qu'il n'y avait pas suffisamment de preuves pour indiquer que l'impact était une situation dangereuse, aussi elle a déclaré l'impact de débris comme problème mineur et refusé les demandes d'images du ministère de la Défense.

Nombre d'impacts sur les tuiles[9]

Destruction au cours de la ré-entrée

L'équipage de Columbia lors de la rentrée dans l'atmosphère.

Voici une chronologie de la rentrée en atmosphère de Columbia. La navette devait atterrir à 9h16 am, HNE.

  • 2h30 HNE, le samedi, 1er février 2003 - L'équipe de contrôle de ré-entrée du vol prend ses fonctions au Mission Control Center.
L'équipe de contrôle de vol n'avait pas travaillé sur les questions ou les problèmes liés à l'orbite prévue de rentrée et de Columbia. En particulier, l'équipe n'a indiqué aucune inquiétude quant à l'impact de débris sur l'aile gauche lors du lancement et traitait la phase de la rentrée comme les autres. L'équipe a travaillé sur l'élaboration des procédures de liste de contrôle en orbite et de liste de contrôle rentrée. Les ingénieurs météo, avec l'aide des pilotes de la navette d'entrainement ont évalué les conditions météorologiques au Kennedy Space Center.
  • 8h00 - GO / NO-GO pour la décision de dé-orbiter.
Toutes les observations et prévisions météorologiques ont été dans les lignes directrices établies par les règles de vol, et tous les systèmes étaient normaux.
  • 8:15:30 (EI-1719) - Le commandant Husband et le pilote McCool exécutent la manœuvre de poussée de déorbitage.
L'orbiteur a la tête en bas et la queue en avant au-dessus de l'océan Indien, à une altitude de 282 km, lorsque la poussée est exécutée. La manœuvre a été effectuée sur la 255e orbite, et les 2 minutes, 38 secondes de poussée ont ralenti l'orbiteur de 7,8 km/s pour commencer la rentrée dans l'atmosphère. Au cours de la poussée, l'équipage l'a estimé à environ 10% des effets de la gravité. Il n'y a pas eu de problème, après quoi Husband a manœuvré Columbia en un retournement, la position face vers l'avant, avec le nez de l'orbiteur en place.
  • 8:44:09 (EI +000) - Interface d'entrée (EI), arbitrairement définie comme le moment où l'Orbiter entre dans l'atmosphère discernable à 120 km au-dessus de l'océan Pacifique.
Comme la navette Colombia est descendue depuis l'espace dans l'atmosphère, la chaleur produite par la collision avec les molécules de l'air et l'orbiteur provoque une augmentation de température du bord d'attaque de l'aile jusqu'à environ 1370 °C durant les six prochaines minutes. (Comme l'ancien directeur du programme navette spatiale Wayne Hale a déclaré dans une conférence de presse, la majorité - environ 90% - de ce réchauffement est le résultat de la compression du gaz atmosphérique causée par le vol supersonique de l'orbiteur, plutôt que le résultat de la friction.)
  • 8:48:39 (EI +270) - Un capteur sur le longeron du bord d'attaque de l'aile gauche signale des valeurs supérieures à celles observées lors des précédentes ré-entrées de Columbia.
Cela a été enregistré seulement sur le système de données modulaire auxiliaire, qui est similaire à la notion d'un enregistreur de données de vol (boîte noire) et n'a pas été télémétrés aux contrôleurs au sol ou présenté à l'équipage.
  • 8:49:32 (EI +323) - Columbia effectue une pré-virage prévu vers la droite. Vitesse : Mach 24.5.
Columbia a commencé à tourner sur le flanc pour gérer l'altitude, et donc limiter le taux de descente et le réchauffement.
  • 8:50:53 (EI +404) - Columbia entre dans une période de 10 minutes de pointe de chaleur au cours de laquelle les contraintes thermiques sont à leur maximum. Vitesse : Mach 24.1, altitude: 74 km.
  • 8:52:00 (EI +471) - Columbia est à environ 480 km à l'ouest de la côte californienne.
A ce moment la température du bord d'attaque de l'aile atteint en général 1450 °C.
  • 8:53:26 (EI +557) - Columbia traverse la côte ouest de la Californie, Sacramento. Vitesse : Mach 23, altitude : 70,6 km.
Le bord d'attaque de l'aile de l'orbiteur atteint généralement plus de 1540 °C à ce stade.
Les débris de la navette spatiale Columbia enflammée.
  • 8:53:46 (EI +597) - Des signes d'éjection de débris ont été aperçus par des témoins. Vitesse : Mach 22.8, altitude : 70,2 km.
L'air surchauffé entourant l'orbiteur s'éclaire soudainement, ce qui provoque une traînée luminescente sur la trajectoire de l'orbiter qui est bien visible dans le ciel avant l'aube sur la côte Ouest. Des témoins ont rapporté quatre événements similaires au cours des 23 secondes suivantes. Les dialogues sur certains des films d'amateur, indiquent que les observateurs sont conscients d'une anomalie dans ce qu'ils tournaient[10].
  • 8:54:24 (EI 613) - Le chef de maintenance mécanique, systèmes et de l'équipage (MMACS) a informé le Directeur de vol que quatre capteurs hydrauliques dans l'aile gauche indiquaient "hors échelle basse". Au contrôle de la mission, la rentrée se déroulait normalement jusqu'à ce point.
"Hors-échelle basse" est une lecture qui tombe au-dessous du minimum de capacité du capteur, et il indique que le capteur est en défaut (qui, en fait, a cessé de fonctionner, en raison de facteurs internes ou externes), plutôt que la valeur mesurée. Il est effectivement en dessous de la valeur de réponse minimum du capteur.
L'équipe de rentrée continue de contester la perte des indicateurs.
  • 8:54:25 (EI +614) - Columbia passe de l'espace aérien de Californie à celui du Nevada, Vitesse : Mach 22.5, altitude : 69,3.
Des témoins ont observé un flash lumineux à ce moment et 18 événements similaires au cours des quatre minutes suivantes.
  • 8:55:00 (EI +651) - Près de 11 minutes après la rentrée dans l'atmosphère de Colombia, la température du bord d'attaque de l'aile atteint normalement près de 1650 °C.
  • 8:55:32 (EI +683) - Columbia quitte le Nevada et entre dans l'Utah. Vitesse : Mach 21.8, altitude : 68,1 km.
  • 8:55:52 (EI +703) - Columbia a traversé l'Utah et entre en Arizona.
  • 8:56:30 (EI +741) - Columbia a commencé un rouleau, en tournant de droite à gauche sur l'Arizona.
  • 8:56:45 (EI +756) - Columbia est passée de l'Arizona au Nouveau Mexique. Vitesse : Mach 20.9, altitude : 67 km.
  • 8:57:24 (EI +795) - Columbia passe juste au nord d'Albuquerque.
  • 8:58:00 (EI +831) - À ce moment la température du bord d'attaque de l'aile est, en général, diminuée à 1580 °C.
  • 8:58:20 (EI +851) - Columbia est passé du Nouveau-Mexique au Texas. Vitesse : Mach 19.5, altitude : 63,9 km.
L'Orbiteur perd une des tuiles du système de protection thermique. Le débris retrouvé le plus à l'ouest des morceaux qui ont été récupérés a été retrouvé dans un champ de Littlefield, Texas, juste au nord-ouest de Lubbock.
  • 8:59:15 (EI +906) - Le MMACS informe le directeur de vol que la mesure de la pression des pneus sur la gauche du train d'atterrissage principal a été perdue. Le Directeur de vol l'a alors dit au (en) Capsule Communicateur (CAPCOM) pour que l'équipage sache que le contrôle de mission a vu le message et évaluait les indications, et a ajouté que l'équipe de contrôle de vol ne comprend pas la dernière transmission de l'équipage.
  • 8:59:32 (EI +923) - Une bribe de la réponse du commandant de la mission a été enregistrée : "Roger, euh, bu - [coupée à mi-mot ...]" Ce fut la dernière communication de l'équipage et le dernier signal reçu en télémétrie de contrôle de mission.
  • 9:00:18 (EI +969) - Des vidéos faites par les observateurs sur le terrain ont révélé que l'orbiteur a été désagrégé. Dans le contrôle de mission, alors que la perte de signal était un sujet de préoccupation, il n'y avait aucun signe de problème grave.
  • 9h05 - Les habitants du centre-nord du Texas ont fait état d'une forte explosion, une petite onde de choc, de la fumée et les débris des trainées dans le ciel clair au-dessus des comtés du sud de Dallas.
  • 9:12:39 (IE 1710) - Après avoir entendu les rapports des témoins de l'explosion de navette, le directeur de vol de la NASA a déclaré une contingence (événements qui ont conduit à la perte du véhicule) et a alerté les équipes de recherche et de sauvetage dans la zone de débris. Il a dit au contrôleur au sol de «verrouiller les portes», et deux minutes plus tard, a mis les procédures de contrôle de mission de contingence en vigueur. Personne n'était autorisé à entrer ou à quitter la salle, et les contrôleurs de vol ont pour mission de préserver toutes les données pour les enquêtes futures[11].

Références

  1. (en)Columbia's Problems Began on Left Wing, Space.com. Consulté le 26 février 2008
  2. 6.1 A History of Foam Anomalies (page 121), Columbia Accident Investigation Board, 2003. Consulté le 2007-08-03
  3. Molten Aluminum found Columbia's thermal tiles, The Associated Press. Consulté le 13 août 2007
  4. Century of Flight, « The Columbia space shuttle accident ». Consulté le 13 aout 2007
  5. (en)Columbia Accident Investigation Board, « 6.1 A History of Foam Anomalies (PDF) », 2003. Consulté le 2007-08-03
  6. (en)CAIB Recommendation R6.3-2 (PDF), Columbia Accident Investigation Board, 2003. Consulté le 30 janvier 2006
  7. (en)Columbia Accident Investigation Board, (2003) Volume 1, Chapter 6, p. 138.Chapter 6(pdf); Retrieved June 8, 2006
  8. (en)nasa-global.speedera.net. Consulté le 27-07-2007
  9. (en) Philip Chien, Columbia, final voyage : The last flight of NASA's first space shuttle, Springer, 2006, 454 p. (ISBN 038727148) [lire en ligne (page consultée le 27 mars 2010)], p. 198 
  10. sur Youtube, incluant les dialogues des témoins
  11. Report of Columbia Accident Investigation Board, Volume I, Columbia Accident Investigation Board, 2003

Voir aussi

Article connexe

Lien externe


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