Capsule ARD - Essai en vol de la phase terminale de la mission

C. Cazaux & B. Tatry

Projet ARD, ESA/CNES, Toulouse, France

L'Europe veut ainsi démontrer sa capacité de lancement, de maîtrise du guidage et pilotage pendant la rentrée et de récupération d'une capsule non habitée dans un environnement représentatif des futures conditions opérationnelles d'une capsule CTV habitée.

Préalablement au vol de l'ARD, la chaîne de parachutes destinée à freiner la vitesse de retombée de la capsule à la fin de la phase de rentrée atmosphérique et le système de flottaison ont été qualifiés par un essai en vol fonctionnel spécifique qui a eu lieu le 14 juillet 1996 et qui est décrit ci-après.

L'objectif de l'essai en vol était la qualification fonctionnelle du sous-système Descente et Récupération. Ce sous-système, dont le développement a été confié à la société Alenia, avec Irvin-USA pour les parachutes, Irvin-Italie pour les ballons de flottaison et Swedish Space Corporation pour la caméra, est constitué des éléments suivants (Fig. 1):

Figure 1. Le sous-système 'Descente et Récupération' (DRS) dans la capsule ARD

• le parachute mortier (petit parachute éjecté au début de la séquence parachute par une charge pyrotechnique commandée par un BSA - boîtier de sécurité armement), installé dans le capot de protection et de fermeture du compartiment de stockage (canister) des parachutes, et relié à ce capot par une bride;

• le capot de protection, qui supporte le mortier, fixé à la capsule par trois boulons à cisaillement pyrotechnique commandés par un BMS (boîtier mécanique de sécurité), et relié au parachute drogue;

• le parachute drogue équipé d'un étage de reefing, relié à la capsule par deux brides et relié aux parachutes principaux;

• les trois parachutes principaux, chacun avec deux étages de reefing, reliés à la capsule par deux brides;

• la structure cylindrique du canister qui contient les parachutes principaux et le drogue. Cette structure est boulonnée dans sa partie haute au cadre supérieur de la structure conique primaire de l'ARD. La structure canister assure une partie de l'étanchéité de l'enceinte interne de la capsule, l'intérieur du canister étant en communication avec l'espace externe par des évents situés sur le capot;

• les deux ballons cylindro- sphériques de flottaison reliés à la capsule par des brides;

• les trois bouteilles de gaz hélium servant au gonflage des ballons;

• une caméra vidéo située dans la partie supérieure du canister qui filme la séquence de déploiement des parachutes drogue et principaux et la descente jusqu'à l'amerrissage;

• une balise Sarsat pour aide à la récupération;

• des capteurs (d'effort, de contact, de température...).

Cette qualification fonctionnelle devait être réalisée dans des conditions reproduisant le plus possible les conditions réelles et dimensionnantes de la dynamique du vol de l'ARD. Les paramètres essentiels en découlant étaient:

• la pression dynamique comprise entre 5000 et 5500 Pa;

• la vitesse proche de Mach 0,8 mais ne dépassant pas cette valeur;

• l'altitude qui en résulte au-dessus de 10 km.

A partir de ces spécifications, l'essai fonctionnel a été défini. La solution retenue consistait à effectuer un lâcher d'une capsule à l'échelle 1 à partir d'un ballon stratosphérique, suivi d'une chute libre permettant d'atteindre la dynamique du vol spécifiée, suivie de la phase fonctionnelle comportant la séquence des parachutes et l'amerrissage.

Cet essai a été placé sous la responsabilité de la société Alenia, qui a utilisé les services de la base de lancement de ballons stratosphériques de l'Agence spatiale italienne (ASI) à Trapani (Sicile).

En partant des contraintes majeures de cet essai de qualification fonctionnelle, les caractéristiques et la séquence mission suivantes ont été définies :

• La capsule ARD est simulée par une maquette à l'échelle 1, avec une forme aérodynamique strictement identique au modèle de vol. Cette maquette est constituée d'une structure simple avec des poutres acier et une peau externe en résine fibre de verre; cette peau présente la forme exacte de l'ARD et assure l'étanchéité (pour la flottaison uniquement).

Cette structure accueille:

• un modèle de vol complet du sous-système Descente et Récupération (ce modèle de vol a subi préalablement à l'essai une qualification mécanique de niveau système représentant le lancement);

• un séquenceur jouant le rôle du calculateur de vol et générant les commandes des différentes séquences;

• des capteurs supplémentaires de paramètres de vol (pressions, températures, accéléromètres, gyromètres, inclinomètres, capteurs de déplacement, micro-contacts...);

• un enregistreur de bord à état solide et un système de télémesure bande-S pour les paramètres nécessaires à l'exploitation;

• des batteries;

• un système de vanne d'évent permettant d'assurer l'équilibre des pressions externe et interne et l'étanchéité après amerrissage.

• Altitude de lâcher de la capsule: entre 23 et 24 km.

• Conditions de lâcher:
  • incidence : <5°
  • rotation en tangage : <1°/ s
  • lâcher au-dessus d'une zone prédéfinie garantissant un retour de la capsule dans une zone de sécurité pour tous les cas nominaux ou dégradés de la mission.

• Au lâcher, démarrage séquence d'essai, mise en route caméra, enregistreur...

• Phase de chute libre permettant d'atteindre les paramètres de dynamique du vol rappelés ci-dessus.

• La capsule ne disposant pas du système nominal de contrôle d'attitude, un dispositif de stabilisation constitué d'une masse suspendue par trois élingues munies chacune d'un amortisseur est utilisé (Fig. 2). Ce dispositif est déployé dès le lancement du ballon pour atteindre sa position nominale (masse suspendue à environ 5 mdu bouclier capsule). Il permet de maintenir les oscillations en tangage et lacet pendant la chute libre en dessous de 40°, compte tenu des conditions de lâcher, des dispersions sur le centrage, les inerties et les coefficients aérodynamiques, et des perturbations atmosphériques (rafales de vent). Ce système est largué par coupure pyrotechnique 0,8 s avant le démarrage de la séquence parachute (tir du mortier), déclenché par le séquenceur à un temps préprogrammé au sol de l'ordre de 50 s après le temps t_lacher , ce qui correspond à une altitude moyenne théorique de 15 km.

Figure 2. La capsule et sa masse de stabilisation en configuration de lancement (suspendues à la nacelle)

• Tir du mortier commandé par le séquenceur embarqué à t_lacher +50 s.

• Poursuite de la séquence parachute commandée par le séquenceur (séparation du capot, déploiement parachutes drogue puis principaux).

• Mise en incidence de la capsule par coupure pyrotechnique d'une des deux brides de suspension de la capsule aux parachutes principaux. Cette mise en incidence a pour but de limiter l'amplitude du choc à l'amerrissage.

• A l'amerrissage détecté par un capteur de choc, coupure pyrotechnique de la deu-xième bride de suspension pour désolidariser les parachutes de la capsule et les laisser couler.

• Démarrage du gonflage des ballons de flottaison et fermeture de la vanne d'évent par commande du séquenceur.

• Arrêt de l'essai en vol. La balise Sarsat autonome continue à émettre.

• Récupération de la capsule par un navire.

La mise à poste de la capsule est effectuée par un ballon stratosphérique selon une séquence adaptée au site de lancement et à son expérience passée. La base de lancement de Trapani est située à la pointe de la côte ouest de la Sicile. Pendant les premiers mois de l'été, les conditions atmosphériques offrent des vents d'altitude (au-dessus de 18 km) vers l'Ouest, donc vers la mer o une zone de sécurité peut être définie. Un ballon lancé de cette base va donc commencer une ascension avec une dérive le plus souvent vers l'Est, puis atteindra l'altitude d'inversion des vents et partira vers l'Ouest.

A l'aide des simulations effectuées avec les données statistiques de la météorologie de cette région, une enveloppe de trajectoires a été définie, permettant d'atteindre avec une bonne probabilité un point de largage de la capsule situé au-dessus de la mer et dans une zone de sécurité démarrant à 80 kmenviron de la côte de Trapani. Par ailleurs, dès le début de la campagne, des sondages journaliers ont donné le profil vitesse/direction des vents en fonction de l'altitude.

La configuration de lancement suivante a été retenue :

• un ballon stratosphérique rempli à l'hélium (Fig. 3), de volume 104 546 m³, avec deux manches d'évent permettant après ascension de garder une altitude constante (dans notre cas entre 23 et 24 km);

Figure 3. Remplissage du ballon à l'hélium

• une chaîne de vol ballon classique comprenant en dessous du ballon un parachute de secours (permettant de récupérer l'ensemble nacelle et capsule en cas de défaillance du ballon), une nacelle avec équipements TM/TC, sonde Vaisala, répondeur radar, GPS, équipement Omega, ballast réglable par TC, système pyrotechnique de séparation de la charge utile, capteurs de pression et de température, batteries...;

• la capsule maquette ARD avec son dispositif de stabilisation;

• des moyens sol:
  • la station TM/TC de la base de Trapani;
  • une station de réception TM de la capsule, installée par Aérospatiale à côté de la station ASI, pour enregistrer et visualiser en temps réel les informations de la séquence parachute .

L'ensemble de la chaîne de vol avait les caractéristiques suivantes (Figs. 4 et 5):

• longueur totale au lancement: un peu plus de 200 m
• masses:

      ballon                   928 kg
      chaîne et nacelle        690 kg
      ballast                  480 kg
      capsule+stabilisateur    2805 kg
      Total:                   4903 kg

• en considérant une force ascensionnelle nécessaire de 10%, la force ascensionnelle totale nécessaire était de 5393 kg, valeur qui a servi à calculer la masse d'hélium nécessaire.

Figure 4. Chaîne de vol accrochée à la grue de lancement juste avant lancement

Figure 5. Chaîne de vol au début de l'ascension

La revue avant essai a été effectuée les 5, 6 et 7 juillet 1996. Les opérations de lancement du ballon ont commencé dans la nuit du 13 au 14 juillet, après quelques jours d'attente de conditions météorologiques parfaites (faibles vents au sol et vents vers l'Ouest en altitude bien établis).

Le lancement du ballon a pu être effectué le 14 juillet vers 8 heures locales. L'ascension s'est déroulée parfaitement avec une faible dérive vers l'Est, puis une dérive nominale vers l'Ouest et enfin une prise de plafond parfaite à 23 200 m, ajustée par un lâcher de ballast de 50 kg.

L'ordre de largage de la capsule a été envoyé dès que la zone de sécurité a été survolée.

La capsule a effectué une chute libre stabilisée suivie du largage stabilisateur et de la séquence parachute, puis flottaison. La capsule a ensuite été récupérée par le bateau de récupération guidé par la localisation du réseau Sarsat (FMCC-CNES à Toulouse) qui a fourni entre 11h02 et 12h58 quatre localisations très utiles.

Après retour de la capsule à Alenia (Turin) et exploitation des données TM, enregistreur et caméra embarquée, et inspection de la capsule, les résultats de cet essai de qualification sont les suivants:

• lâcher à une altitude de 23 168 m (spécification entre 23 et 24 km);

• à l'instant du tir mortier (H=14,7 km):
  • Pdyn = 5336 Pa (entre 5000 et 5500 spécifiés)
  • M= 0,75 (M<=0,8 spécifié)
  • rotation tangage au lâcher: <1°/s (spécification idem)
  • rotation tangage en fin de chute libre (après stabilisation) au moment du tir mortier: 10°/s et une incidence <=40° (spécification 15°/s et 40°);

• génération nominale des commandes du séquenceur et accomplissement de ces commandes;

• séparation correcte du stabilisateur;

• largage de la capsule et récupération dans la zone de sécurité selon les simulations avant lancement, vitesse d'impact inférieure à 6,8 m/s, flottaison capsule en position verticale nominale, capsule étanche (Fig. 6);

Figure 6. Capsule en flottaison, en cours de récupération

• système de flottaison nominal (ballons gonflés, antenne Sarsat déployée et balise/flash lumineux en marche);

• comme prévu, les parachutes, séparés de la capsule après l'amerrissage, ont coulé avant l'arrivée du bateau de récupération (élément de sécurité pour la récupération);

• la capsule et ses équipements ont très bien supporté la mission, notamment l'amerrissage;

• les paramètres de télémesure ont été enregistrés à bord;

• les images de la caméra embarquée montrent un déroulement quasi nominal des phases parachutes et flottaison.

Les anomalies mineures rencontrées pendant l'essai ont fait l'objet de modifications qui ont été prises en compte pour le modèle de vol ARD :

• cordes reefing des parachutes drogue et principaux choisies avec une résistance doublée (453 kg);

• laçage des sacs des ballons de flottaison et des attaches du capuchon antenne Sarsat amélioré;

• contrôles à l'intégration (orientation des ballons de flottaison) à renforcer.

L'exploitation des données du vol est en cours. Les premiers résultats indiquent:

• une charge à l'ouverture drogue de 76 kN environ (due à la défaillance de l'étage de reefing), contre respectivement 41 et 46 kN pour la séquence avec reefing, ce qui démontre une excellente robustesse du drogue;

• une charge à l'ouverture des parachutes principaux de l'ordre de 94,9 kN (87,5 kN estimés) due à une défaillance du premier étage de reefing de l'un des trois parachutes. Les séquences de dereefing suivantes ont induit des charges de l'ordre de 32,4 et 68 kN, proches des valeurs estimées (42 et 68,4 kN) respectivement;

• des vitesses de descente proches des valeurs estimées et une durée de descente totale de 924 s (930 s estimées);

• l'adéquation des modèles de simulation utilisés.

Avec la prise en compte des modifications mineures issues de l'essai, celui-ci a été considéré comme qualifiant complètement le sous-système Descente et Récupération de l'ARD.