Rentrée dans l'atmosphère

La rentrée dans l'atmosphère est, avec le lancement, l'une des phases les plus critiques d'un vol spatial. Tout d'abord, le véhicule doit pénétrer dans l'atmosphère avec un angle extrêmement précis. Si l'angle est trop aigu, la vitesse de l'appareil ne sera pas assez réduite, et le bouclier thermique devant le protéger ne pourra pas résister aux extrêmes températures. Si l'angle est trop plat, la capsule "rebondit" sur les couches denses de l'atmosphère. Un ajustement très précis au centième de degré près est nécessaire. L'angle nominal était de 6,6° en-dessous de l'horizontale local, avec un azimut de 52,21°.


Rentrée dans l'atmosphère

Lorsque le vaisseau spatial arrive a proximité de la Terre, il entre en contact avec les couches denses de l'atmosphère. Celles-ci se trouvent au repos lorsque le véhicule spatial y pénètre, engendrant alors une compression importante et un échauffement considérable. Sous l'effet de cette chaleur, les molécules d'air se dissocient et passent à l'état de plasma. Le plasma est un gaz ionisé, possédant une conductivité électrique importante. Lors de la rentrée dans l'atmosphère, le plasma entoure la capsule et produit une luminosité intense, variant du orange très clair au rose. Cependant, le problème principal concerne l'échauffement. En effet, le plasma généré par le contact entre la capsule et l'atmosphère échauffe considérablement les parois du véhicule, d'où la nécessité du bouclier thermique. 

Ce diagramme montre l'évolution de l'altitude de rentrée en fonction de la vitesse. Lors des missions Apollo, la vitesse de rentrée se situait aux alentours de 11000 m.s-1 (39600 km.h-1) avec un record de 11036 m.s-1 pour Apollo 13. Le début de la phase de rentrée d'une capsule Apollo appelée "Entry Interface" (interface d'entrée) commençait à "400K" selon les termes de la NASA, soit 400000 pieds (121,920 km).

La pression dynamique, dûe au ralentissement du vaisseau, se situait aux environs de 5 à 6 G, avec un pic à 7,19 G pour Apollo 16. La quantité de chaleur dissipée était en moyenne de 29 KJ.m-2.  Les équipages recevaient au niveau de la peau des radiations de l'ordre de 0.50 Rads.

Afin de protéger l'équipage et le véhicule, tout le CM est recouvert d'un bouclier thermique (Heat Shield). La structure externe de ce dernier est constitué d'acier inoxydable alvéolé, recouvert d'une couche d'un alliage spécial d'acier avec une couche externe de résine phénolique epoxy, qui sert de matériau ablatif, à la base du CM. L'épaisseur du bouclier thermique varie de 1,7 cm à 6,8 cm à la base du CM. La résine epoxy était injecté manuellement dans 370000 alvéoles différentes.

La structure interne du CM est faite de couches d'aluminium alvéolé compactées en sandwich, et collées par un matériau adhésif. Son épaisseur varie de 3,8 mm à 6,3 cm à la base du CM, là où la chaleur s'accumule lors de la rentrée dans l'atmosphère. Les températures peuvent atteindre 2800°C.

  

Ci-dessus, deux extraits de la vidéo réalisée par l'équipage d'Apollo 11. La première photo montre la Terre quelques instants avant la rentrée. La seconde montre le plasma entourant et illuminant la cabine.

  

La première photo montre la rentrée d'Apollo 8 en décembre 1968 observée depuis le sol. La seconde photo est extraite de la bande vidéo de la rentrée de la capsule Gemini II. On peut voir le dégagement de plasma provenant du nez de l'appareil.

Une fois la rentrée terminée, l'amerrissage a lieu, dans le Pacifique ou l'Atlantique. Des hélicoptères ainsi que des porte-avions et porte-hélicoptères de l'U.S. Navy sont réquisitionnés pour la récupération de la capsule et de l'équipage.

Cliquez sur l'image ci-dessous pour un récapitulatif des données concernant la rentrée et la récupération de chaque mission Apollo.

Voici les différentes étapes de l'amerrissage.

 

Ci-dessous, les images du CSM d'Apollo 13 après la rentrée. On peut voir que la "peau" du CM est complètement brulée.

  

Aujourd'hui encore, la rentrée est une séquence dangereuse lors d'une mission spatiale, c'est d'ailleurs lors de cette phase que l'équipage de la navette Columbia, mission STS-107, a péri. Le plasma à très haute température a probablement pénétré dans la structure interne de l'aile gauche, détruisant ainsi toute l'aile...

Note : le tableau contenant les données de rentrée pour les différentes missions Apollo est extrait de
Apollo by the numbers - A statistical reference for the manned phase of Project Apollo de Richard W. Orloff. ©1996. Tous droits réservés.

Liens utiles :
Vidéo pré-rentrée Apollo 11 - http://spaceflight.nasa.gov/gallery/video/apollo/apollo11/mpg/apollo11_onbclip01.mpg
Vidéo rentrée Apollo 11 - http://spaceflight.nasa.gov/gallery/video/apollo/apollo11/mpg/apollo11_onbclip02.mpg

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