Comment un Soyouz-TMA revient-il sur Terre?

un Soyouz-TMA à l'atterrisage de retour de l'ISS. NASA/Bill Ingalls

Du fait de l'accident de la navette Columbia en février 2003, les vaisseaux russes Soyouz avaient eu un rôle prééminent pour ce qui est de transporter les astronautes et cosmonautes vers la Station Spatiale Internationale -l'ISS- et de retour de celle-ci. Ce rôle s'est encore accru puisqu'à partir de 2011, les Etats-Unis n'ont plus de vaisseau de transport à l'ISS du fait que les navettes spatiales ont été retirées du service et qu'aucun nouveau véhicule habité n'a été construit. Le coût, pour les Etats-Unis d'un trajet à l'ISS via un Soyouz est de 63 millions de dollars par astronaute. Les Soyouz servent aux Russes, en général, dans les missions à l'ISS: un Soyouz est toujours amarré à la station orbitale et il est utilisé pour les équipages qui partent ou reviennent de mission mais il sert également de vaisseau de retour d'urgence en cas de problème inattendu à l'ISS; un Soyouz "neuf" est envoyé à la station tous les 6 mois -la durée pendant laquelle un Soyouz peut rester disponible- et celui qui y est amarré est utilisé par l'équipage qui redescend. Les astronautes américains et russes qui montent à l'ISS s'entraînent au "Gagarin Cosmonaut Training Center" ("centre d'entraînement des cosmonautes Gagarine") de la Cité des Etoiles de Moscou et leurs vaisseaux sont lancés depuis Baïkonour, au Kazakstan. Un Soyouz met deux jours pour atteindre l'ISS

Le premier vaisseau Soyouz vola en 1967 et il avait initialement été conçu pour emporter des cosmonautes russes jusqu'à la Lune. Le vaisseau "Soyouz-TMA" est une version améliorée du "Soyouz-TM", vaisseau soviétique -puis russe- qui fut utilisé entre 1986 et 2002. Un vaisseau Soyouz se compose de trois modules: un module orbital, un module de descente et un module instruments/propulsion. Le module orbital est la sphère qui se trouve à l'avant du vaisseau; l'équipage y prend place pendant la durée du vol orbital ainsi que pour les opérations d'arrimage. Le module de descente est le module central du vaisseau; l'équipage y prend place pour le décollage et pour le retour sur Terre (ce module est le seul élément du Soyouz qui revient, finalement, sur Terre). Le module instruments/propulsion, enfin, est le module arrière; il contient l'instrumentation du Soyouz ainsi que le système de propulsion principal (le moteur principal) qui est utilisé pour les manoeuvres orbitales et les manoeuvres d'arrimage/désarrimage. Les Soyouz n'ont que peu changé depuis que l'un d'eux a emporté le cosmonaute Youri Gagarin en orbite en 1961 et l'agence russe Roskosmos vante la sûreté et le peu de coût d'utilisation de son vaisseau spatial, ajoutant que son design, de plus, est constamment modernisé

cliquez vers une illustration montrant les phases de descente d'un Soyouz-TMA qui revient de la Station Spatiale Internationale, l'ISS

La ré-entrée d'un Soyouz dure, au total 3h 30. Quelque temps -qui peut aller jusqu'à 3 heures avant- avant le désarrimage du Soyouz d'avec l'ISS, l'équipage s'installe dans le Soyouz. A l'heure prévue pour le désarrimage (qui se situe à atterrissage moins 3h 23), les manoeuvres de désarrimage commencent. Les verrous commencent d'être ouverts. Ils s'ouvrent à désarrimage plus 3 mn et des ressorts repoussent alors, à 10 cm/s (4 inches/s), le Soyouz de l'ISS. A désarrimage plus 6 mn, le Soyouz, qui se trouve alors à 20 m (66 pieds) de la station, exécute alors une "mise à feu de séparation" manuelle, qui dure 15 secondes -mise à feu de thrusters qui accentue la séparation d'avec l'ISS. A désarrimage + 2h 29 (l'atterrissage est à 54 minutes; le vaisseau se trouve à 19 km (12 miles) de la Station Spatiale Internationale), le Soyouz exécute alors une "mise à feu aux fins de quitter l'orbite", mise à feu du moteur principale qui a comme résultat de freiner le vaisseau sur l'orbite et donc de faire qu'il commence sa descente. La durée de cette mise à feu est de 4 mn et 21 s. Après la mise à feu aux fins de quitter l'orbite, le module orbital et le module instruments/propulsion se séparent du module de descente vers 140km d'altitude. Ils brûlent lors de leur ré-entrée dans l'atmosphère. A désarrimage + 2h 57 mn (atterrissage -26 mn, mise à feu pour quitter l'orbite + 31 mn), le module de descente atteint le "niveau d'entrée" (en anglais: "Entry level"), à 400 000 ft et il subit les habituels échauffement par friction et ionisation (perte des communications radio) causés par la reprise de contact avec les couches denses de l'atmosphère. La première partie de la descente dans l'atmosphère est encore contrôlée: l'équipage utilise des systèmes de guidage, de navigation et de contrôle ainsi que par des thrusters (moteurs-fusées)

A atterrissage - 15 mn (désamarrage + 3h 08 mn), une série de parachutes s'ouvrent: deux parachutes-pilote d'abord, le second extrayant un parachute de freinage (en anglais: "drogue chute"). Le parachute de freinage fait passer le taux de descente de 230 à 80 m/s (755 à 262 pieds/s). Le parachute principal, qui s'ouvre ensuite, continue de ralentir la descente: le vaisseau passe à 7m/s (24 pieds/s). Ce second parachute maintient le module de descente à un angle de 30° de sorte que le vaisseau puisse dissiper la chaleur accumulée pendant sa descente. L'angle est ensuite annulé. Deux secondes avant le contact avec le sol (juste 80 cm (2,6 pieds) au-dessus du sol...), six rétro-fusées (plus précisément six "fusées d'atterrissage") s'allument. Elles réduisent la vitesse à 1,5 m/s (5 pieds/s). L'ISS, pour le désamarrage, descend à une altitude plus basse que son altitude habituelle de fonctionnement puis elle remonte à celle-ci; pour cela elle utilise le moteur du vaisseau de ravitaillement Progress qui est amarré à la station). On retrouve des débris de la phase atmosphérique de la descente jusqu'à 830km en avant de la zone d'atterrissage

un Soyouz-TMA en vue rapprochée. NASA

La ré-entrée des Soyouz est placée sous la direction du Centre de Commande en Vol ("Flight Command Center"), situé à Moscou. Un "Centre de navigation" se trouve à Arkalyk et un "Centre de contrôle" se trouve à Zheskasgan, au Kazakhstan. Les coordonnées précises du lieu de l'atterrissage sont transmises, par le Centre de Commande en Vol à une équipe de soutien après-atterrissage, qui est équipée de véhicules spéciaux. Les environs de Zheskasgan, depuis les années 1960, doivent être considérés comme le site d'atterrissage "officiel" des Soyouz. Les opérations de post-atterrissage sont également épaulées par des hélicoptères. L'équipe de soutien après-atterrissage repère le site d'atterrissage précis en captant le signal radio ondes courtes (ondes courtes courtes et ondes courtes ultra-courtes) émis par la capsule Soyouz et elle peut ainsi se diriger vers le lieu de l'atterrissage. Une fois le Soyouz au sol et que l'équipe de soutien l'a rejoint, cette dernière met en place un périmètre de sécurité, puis elle ouvre le hublot du module de descente (le Soyouz, après l'atterrissage, se trouve habituellement en position verticale et les équipes le basculent sur le côté pour les opérations post-atterrissage). Lorsque des astronautes américains se trouvent à bord, des officiels de la NASA sont présents pour l'atterrissage et ils envoient, au Quartier Général de la NASA, un rapport sur l'état général de leurs astronautes. Des médecins, d'une façon générale surveillent les cosmonautes et/ou les astronautes pendant que ceux-ci, installés, dans des chaises-longues, se ré-adaptent à la gravité terrestre. Les scaphandres russes "Kentaur" sont des scaphandres portés par l'équipage des Soyouz pendant la rentrée d'un vaisseau sur Terre; ce sont des systèmes anti-gravité qui empêchent le sang de stagner dans les jambes du cosmonaute et permettent une réadaptation plus facile à la gravité. L'équipage, ensuite, prend place à bord d'hélicoptères, qui les ramènent à la base aérienne de Karaganda, à Kustanaï, au Kazakstan. Les cosmonautes et/ou astronautes sont ensuite transférés, par avion au "Centre d'Entraînement des Cosmonautes Youri Gagarin" de la célèbre "Cité des Etoiles". Là, ils y retouvent leurs familles et leurs amis et subissent des debriefings ainsi qu'un suivi médical. Dans le cas d'astronautes américains, la procédure est la même puis ils repartent pour Houston, aux Etats-Unis, où ils subissent d'autres activités spécifiques d'après-vol. En 2014, pour la première fois, l'ESA a fait prendre en charge l'un de ses astronautes directement en Europe, à Cologne en Allemagne pour les traitements post-spatiaux. L'équipe de docteurs et physiothérapeuthes de l'ESA du "envihab" du "German Aerospace Center" situé près du "European Astronaut Centre" l'a pris en charge

De façon incidente, on peut décrire le déroulement du lancement d'un vaisseau Soyouz à destination de l'ISS comme suit (l'horaire est en format anglais: a.m. pour avant midi, p.m. après):
9:20 a.m. l'équipage quitte l'Hôtel Cosmonaut
9:35 a.m. les batteries sont installée dans la fusée de lancement
10:05 a.m. l'équipage arrive au site 254
10:20 a.m. le remplissage des réservoirs commence
10:50 a.m. l'équipage revêt ses scaphandres
11:15 a.m. la fusée de lancement est remplie de son oxygène liquide
11:50 a.m. les familles des membres de l'équipage les rencontret, séparés par une vitre
12:15 p.m. le remplissage en oxygène liquide du premier et du second étage est terminé
12:20 p.m. l'équipage sort du sute 254 et prend place dans le bus à destination du pas de tir
12:25 p.m. départ de l'équipage pour le pas de tir du site 31
12:45 p.m. l'équipage arrive au pas de tir
12:55 p.m. l'équipage embarque dans le Soyouz; les cosmonautes sont sanglés dans le module de descente
1:45 p.m. les équipements informatiques du module de descente sont testés
2:00 p.m. la trappe est fermée; début du contrôle fuites
2:20 p.m. préparation du système de contrôle de la fusée de lancement; activation gyroscopique
2:35 p.m. les composants de la structure de service du pas de tir sont abaissés
2:36 p.m. les tours de service (en forme de coquillage) sont retirées
2:43 p.m. vérification fuites pour les scaphandres; les tests du module de descente sont terminés
2:46 p.m. armement du système d'échappement d'urgence
3:05 p.m. fin de la vérification fuites des scaphandres; le système d'échappement d'urgence passe sur auto
3:10 p.m. la préparation des gyroscopes pour le vol et les enregistreurs sont activés
3:13 p.m. opérations pré-lancement terminées
3:14 p.m. les opérations de compte à rebours du lancement passent sur auto; la fusée de lancement est prête
3:15 p.m. les contrôles de vol du commandant de bord sont activés
3:16 p.m. purge de l'azote de la chambre de combustion
3:17 p.m. drainage du comburant
3:17 p.m. pressurisation du réservoir de comburant de la fusée de lancement
3:18 p.m. fin de l'alimentation comburant par le sol
3:19 p.m. la fusée de lancement passe sur son alimentation interne
3:19 p.m. séparation de la première tour fournissant des liens divers avec la fusée de lancement
début de la séquence automatique
3:19 p.m. le lien avec le troisième étage est débranché
3:19 p.m. séparation de la seconde tour fournissant des liens divers avec la fusée
3:20 p.m. l'ordre de lancement est donné
la séquence démarrage moteurs commence
3:20 p.m. les turbopompes moteurs atteignent leur vitesse de vol
3:20 p.m. les moteurs atteignent leur puissance maximale
3:20:13 p.m. LANCEMENT
3:28 p.m. séparation du troisième étage et insertion sur l'orbite

Après le lancement, un Soyouz met habituellement deux jours pour atteindre l'ISS mais des choix récents ont réduit ce délai à seulement 6 heures