Bienvenue à bord pour ce retour sur Terre aux commandes d’un planeur un peu particulier.
Bon, on a un peu de temps en ce moment, non ? Pourquoi ne pas se pencher sur l’approche finale… de la navette spatiale, du temps où elle était opérationnelle avant de rejoindre les livres d’histoire faute d’avoir prouvé sa fiabilité dans le temps. C’est du pilotage d’un gros planeur à la finesse inavouable…
Les approches de « planeurs » lourds et peu ailés ont été étudiées par la Nasa dans les années 1960 avec quelques avions expérimentaux au nombre desquels il faut citer le X-15 mais aussi une série de « lifting bodies » (corps porteurs) destinés à valider ce type de retour au sol.
Puis la navette américaine verra le jour, bénéficiant de simulateurs pour en découvrir les qualités de vol et ses performances de plané. Avant d’atteindre l’espace, des essais atmosphériques seront effectués en 1977 à Edwards AFB avec la navette emmenée en altitude sur le dos d’un Boeing 747 modifié. Le composite, avec la navette déjà calée positivement sur le 747, était alors mis en légère descente, le largage intervenait permettant à l’équipage de la navette d’effectuer la phase finale de l’approche.
Cette première navette (Enterprise) n’est pas destinée à aller dans l’espace. Elle ne bénéficie pas d’une protection thermique pour encaisser l’échauffement de ses surfaces lors de la rentrée dans l’atmosphère. Par contre, lors des trois premiers vols, elle compte un cône arrière pour diminuer la traînée aérodynamique. Par la suite, il sera retiré lors des deux derniers vols de validation du concept. L’atterrissage intervient sur la piste en dur d’Edwards, mesurant près de 5.000 m.
Ces vols permettront de mettre en évidence un problème d’oscillations induites par le pilote (PIO) lors de l’arrondi, avec plusieurs rebonds. Ce problème lié à l’interface homme-machine sera corrigé après des essais menés sur un F-8 Crusader à commandes de vol électriques. Un filtre sera mis dans le programme informatique gérant les commandes.
Le premier vol dans l’espace interviendra en avril 1981 avec la navette Columbia. 134 missions seront effectuées avec deux accidents majeurs (Challenger lors du décollage et Columbia au retour sur Terre). Ceci mettra fin au programme avec le dernier vol effectué en juillet 2011.
Les sites d’atterrissage étaient les suivants :
– Kennedy Space Center en Floride, permettant de gagner du temps pour repartir ensuite de Cap Canaveral.
– Edwards AFB : la base utilisée par la Nasa dans le désert de Mojave, en Californie, le retour en Floride se faisant alors sur le dos du 747 modifié.
– White Sands Space Harbor : ce site au Nouveau Mexique sera utilisé mais le matériau de la piste (riche en gypse) n’est pas favorable aux pneus et à la structure. Des traces de gypse seront retrouvées dans les débris de Columbia…
– des terrains de secours (85 dont 58 à l’étranger) dont notamment Istres en France, nous valant un SUP-AIP spécifique à un tel retour de la navette… Pour ces terrains, les exigences étaient une piste d’au moins 2.500 m et une approche DME ou TACAN.
Pour se faire « lâcher » sur la navette, un programme d’entraînement s’imposait avec séances de simulateur mais aussi vols aux commandes d’appareils mis en configuration pour simuler les performances de plané de la navette, à savoir des F-104 Starfighter et des Gulfstream II, réacteurs en partie réduits, trains et aéro-freins déployés. L’un des postes de pilotage dispose du Head-Up Display (HUD) de la navette, l’autre reste nominal pour l’instructeur.
Voici comment se déroulait un retour sur Terre. La préparation débute 4 heures avant la phase de « désorbitation » en reconfigurant la navette pour le retour dans l’atmosphère. Elle vole alors à 150 km d’altitude à la vitesse de Mach 25. Quand tout a été vérifié, Mission Control donne le « go » à l’équipage une heure avant la rentrée. La navette est ensuite pivotée de 180° pour voler « à l’envers », pointe avant vers l’arrière ceci afin d’allumer ses moteurs entre 2 et 4 minutes pour la ralentir. Ce processus intervient une vingtaine de minutes avant l’entrée dans l’atmosphère.
La navette revient ensuite à une position plus conventionnelle, nez en avant mais avec un angle d’incidence proche de 40°. Les jets de péroxyde d’azote, utilisés dans l’espace pour orienter l’attitude de l’engin n’étant plus opérationnels, les circuits sont vidangés. Les gouvernes aérodynamiques (profondeur, ailerons et direction) vont pouvoir prendre la suite. Nous sommes à 30 mn depuis le début du processus de désorbitation. L’altitude est encore de 120 km et la navette est à plus de 8.000 km de son point de touché.
Vers 45 km d’altitude, l’aéro-frein type crocodile (la direction s’ouvre en deux) est déployé. Plusieurs virages serrés, avec des inclinaisons pouvant atteindre 80°, sont effectués pour générer de la traînée et ralentir l’appareil. Le manuel de vol précise que des équipages ont rapporté une sensibilité accrue aux G après une période passée en apesanteur. Le facteur de charge doit rester autour de 1,3 G jusqu’à Mach 2.5, avec une limite à 2/2,5 G. A fort Mach, de petites vibrations structurelles peuvent être ressenties avec l’augmentation de la pression dynamique. Il n’y a pas d’alerte en cas d’incidence limite, l’équipage devant surveiller sa vitesse pour ne pas perdre le contrôle, avec une zone critique entre Mach 1.5 et Mach 1.0.
Deux bangs soniques seront alors notés au sol, confirmant l’entrée de la navette dans l’atmosphère à des vitesses supersoniques. Le retour sur Terre est divisé en trois phases avec de Mach 25 à Mach 10, Mach 10 à Mach 3, puis de Mach 3 à Mach 0,9. A 8 mn 45 s du touché, les sondes Pitot sont déployées et l’angle d’incidence ramené à 36°. La Nasa précise que la finesse maximale de la navette varie selon la plage de vitesse, avec 1 de finesse en hypersonique, 2 en supersonique et 4,5 en subsonique durant l’approche finale. En règle de base, le manuel précise une augmentation de 10% de la traînée par augmentation de 3° d’incidence.
A 5 mn du touché et environ 40 km du site d’atterrissage, le commandant reprend le contrôle en manuel. L’équipage emmène l’engin dans l’un des deux cônes prévus pour l’alignement, à 50 km des seuils de piste, en fonction du QFU utilisé. C’est là que la navette va effectuer son dernier virage sous 30 à 45° d’inclinaison pour dissiper l’énergie excessive avant l’approche finale débutée vers 10.000 ft. Une fois la navette revenue à des vitesses subsoniques, son contrôle peut être effectué par l’équipage en manuel.
La phase d’approche commence ainsi vers 3.000 m d’altitude à une vitesse de 300 Kt, avec une pente autour de 18° (masse élevée) à 20° (masse faible) et un taux de chute de 50 m/s. L’équipage contrôle la vitesse (à maintenir sous 330 Kt) et l’énergie disponible. L’aéro-frein caudal est utilisé à 65% environ de son débattement maximal pour maintenir la vitesse jusqu’à la finale, puis rentré vers 3.000 ft (augmentation de 10 Kt) avant un « pré-arrondi » destiné à casser la trajectoire, afin d’atteindre 1,5° de pente à partir de 2.000 ft/sol. Le taux de chute va passer de 55 m/s à moins de 1 m/s au touché des roues. Le pré-arrondi nécessite 1,35 G.
Le manuel prévient que notamment pour des pilotes inexpérimentés (!), il y a une forte tendance à être « agressif » aux commandes durant le pré-arrondi ou à trop anticiper la manoeuvre, pouvant placer l’appareil trop haut et trop lent. Ceci peut être aggravé de nuit avec le taux de rapprochement du sol et les perceptions visuelles réduites. Il est donc préférable d’utiliser les barres de tendances du HUD et il faut plutôt attendre 1.000 ft avant de débuter la manoeuvre, sauf si l’aéro-frein est encore ouvert à plus de 60% imposant une action plus agressive. Dans le cas contraire, un fort taux de descente sera subi. Par vent de travers durant le pré-arrondi, le pilote doit craber la navette et cet angle de crabage pourra varier de façon importante suite aux variations de vitesses durant la manoeuvre.
Vers 3.000 ft, l’aéro-frein caudal est refermé à une valeur calculée par ordinateur en fonction de l’énergie pour atteindre le point de touché en fonction de la force du vent, de la masse de l’appareil, de l’altitude-densité, etc. Ce braquage sera maintenu jusqu’à 500 ft avant un possible ajustement en fonction du vent plus proche du sol. Le manuel de vol précise que la hauteur de 500 ft/sol a été retenue car le temps pour passer de 3.000 à 500 ft est approximativement identique au temps de vol entre 500 ft/sol et le touché de la piste.
Quand le point de touché visé est défini, une marge de 1.000 ft est automatiquement ajoutée pour maintenir le même niveau d’énergie même si le point de touché est décalé de 1.000 ft. Ceci pour avoir des marges en cas d’évolution des conditions atmosphériques. Si cela n’est pas nécessaire, l’excès d’énergie sera corrigé par un braquage additionnel de 12 à 13° de l’aéro-frein, la valeur nominale étant 50% de braquage pour ne pas dégrader les qualités de vol à l’arrondi. Ce mode optionnel « d’atterrissage court » permet d’atterrir avec -10 Kt sur la vitesse ciblée (plutôt que 1.000 ft plus loin) avec toujours la même valeur de dispersion du point de touché soit 2.500 ft.
L’aéro-frein peut être mis en mode Automatique durant l’approche. Cette option « atterrissage court » peut être utilisée si la vitesse au sol est supérieure à la limite visée soit 214 Kt. Il s’agit d’avoir une marge face aux 225 Kt de vitesse limite pour les pneus. Le point d’aboutissement initial est localisé à 7.500 ft du point de touché. Un PAPI peut ensuite être utilisé. Lors d’approches par nuit, le contrôle de l’inclinaison est plus difficile avec le manque de références visuelles, imposant une approche aux instruments.
Le train d’atterrissage préarmé à 2.000 ft sol et générant beaucoup de traînée (en cas de panne de l’aéro-frein, la sortie du train équivaut en effet à 60% de la traînée de l’aéro-frein), il n’est donc sorti que 10 à 15 secondes avant le touché, vers 300 ft/sol alors que la navette file encore à 290 Kt. Une fois le train sorti, la décélération se fait à environ -4 Kt par seconde. La trajectoire sous 1,5° procure 5 secondes de trajectoire stable au pilote avant l’arrondi final.
L’arrondi final, avec une augmentation souple de l’assiette, permet de diminuer le taux de chute à 0,9 m/s environ avec un touché intervenant entre 195 et 225 Kt selon la masse. L’effet de sol est puissant, augmentant la finesse de 25%. Le manuel de vol précise une particularité de la navette, due à ses élevons placés au bord de fuite de la voilure, au nombre de quatre. Ils ont à la fois une fonction en tangage (elevator) et en roulis (aileron) d’où la désignation elevon.
Au début de l’action en tangage (suite au positionnement du centre de gravité, du centre de poussée, de la cinématique des gouvernes et du… siège du pilote), l’effet est inverse à celui recherché. Une action souhaitée en tangage peut entraîner une déflexion vers le haut de l’élevon, entraînant une diminution de la portance, rapprochant encore plus les roues du sol à l’arrondi. L’augmentation de portance attendue n’interviendra qu’après une prise d’incidence un peu plus élevée. Après chaque action, il faut donc attendre l’effet avant de faire une nouvelle correction.
La trajectoire est conçue pour un touché à environ 2.500 ft en aval du seuil de piste. La vitesse cible est de 195 Kt à faible masse et 205 Kt à masse élevée. Les facteurs impactant l’énergie au touché sont le vent, l’altitude-densité, la masse de l’appareil et l’écart de vitesse à 3.000 ft. Le touché se fait à un taux de chute correct avec +5/-10 Kt de la vitesse ciblée. En cas de vent de travers, le crabage est conservé jusqu’au touché des roues du train principal, le retour dans l’axe se faisant avant le touché du train avant.
La « dérotation » (diminution de l’assiette au sol) se fait en deux phases. La première est destinée à diminuer les efforts sur les jambes de train principal. L’assiette cabrée est maintenue jusqu’à 185 Kt, valeur retenue pour un meilleur compromis entre efforts sur le train principal et effort maximal sur le train avant, en prenant en compte la durée entre le touché et le début de dérotation, et la nécessité d’avoir le train avant au sol pour débuter le freinage.
La seconde phase est réalisée à raison d’un taux de -1,5° d’assiette par seconde pour la dérotation. Une bonne manoeuvre exige une parfaite coordination de l’équipage, imposant un entraînement au simulateur. Un phénomène d’oscillations induites par le pilote peut intervenir. Le pilote non en fonction annonce les vitesses jusqu’à 185 Kt. Une action positive doit alors être effectuée, maintenue et contrôlée pour avoir un taux de -1 à -2°/s. Ainsi, la dérotation est une manoeuvre « critique », notamment à forte masse car la perte d’efficacité des élevons peut entraîner un choc important du train avant et donc des dommages structuraux.
Une fois la masse du train avant confirmée au sol par les systèmes de bord, les élevons sont braqués de 10° vers le bas pour réduire les efforts sur le train principal. La décélération se fait alors à environ 4 Kt par seconde. Le contrôle aux pieds peut être repris par les freins différentiels et la direction sous 100 Kt. Le freinage aux freins n’a été initié que sous la vitesse de 140 Kt. Ce n’est qu’une fois au sol que l’équipage déclenche le parachute-frein.
Voilà, vous êtes revenu sur Terre ! ♦♦♦
Photos et documents © Nasa
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