L’avènement des opérations de la navette spatiale a été l’occasion pour les chercheurs d’effectuer des expériences de vols sur une grande échelle. En 1976, pour profiter de cette occasion, le Bureau Aéronautique, Exploration et Technologie de la Nasa institue le programme d’expériences de l’Orbiter (OEX – Orbiter Experiments). Depuis le lancement du programme, 13 expériences ont été développées pour le vol et vont ainsi permettre d’enregistrer de précieuses données sur l’aérothermodynamique et sur les phénomènes aérothermiques uniques attachés aux spécificités hypersoniques de la navette spatiale. Ces résultats de référence en vol hypersonique, indisponibles jusqu’ici (début du programme) pour un véhicule de rentrée atmosphérique, vont être utilisés dans un processus continu de validation de l’état et de la conduite des méthodes, à la fois expérimentales et informatiques, pour simuler et/ou prédire les caractéristiques aérothermodynamiques de l’orbiteur.
Contrairement aux charges utiles classiques, les expériences OEX ont été pour la plupart intégrées à la structure de la navette et concernent les orbiteurs « Columbia » et « Challenger ». De ce fait, leurs exploitations ont pu être systématiques sur ces vaisseaux, sans qu’elles soient pour autant « visibles » dans les documents servant à l’élaboration du contenu du site sts-missionnavettespatiale.net, et plus particulièrement de sa section « Charges Utiles ». L’article présent a pour but de faire un descriptif de certaines des expériences du Programme OEX.
1) Shuttle Entry Air Data System (SEADS)
Une évaluation du système de base de données de l’orbiteur a indiqué que les données aériennes de vol ne seraient pas disponibles au-dessus d’environ Mach 3,5 et que la précision de ces données ne satisferont pas les exigences de recherche aérodynamique. Par conséquent, le système SEADS a été développé et inclus au programme OEX afin de prendre les mesures nécessaires à la détermination précise des données aériennes de l’’orbiteur dans un large éventail de vitesses de vol (c’est à dire, hypersoniques, supersoniques, transsoniques et subsoniques) lors des phases d’ascension et de rentrée atmosphérique jusqu’à 280 000 pieds (environ 85 km d’altitude). Le dispositif est situé dans le nez de l’orbiteur est inclus 14 ensembles contenant chacun un petit orifice grâce auquel la pression atmosphérique de surface est détectée. Ces mesures de pression permettent de déterminer l’altitude et la densité atmosphérique. Les données provenant des capteurs de pression SEADS sont transmises au système de soutien OEX et stockées sur un enregistreur. Les données sont analysées après le vol. Le dispositif SEADS a été installé sur Columbia au cours de sa période de modification (1984-85). L’ensemble a été exploité avec succès sur les missions STS-61C, 28, 32, 35 et 40.
2) Shuttle Upper Atmosphere Mass Spectrometer (SUMS)
L’expérience SUMS complète le dispositif SEADS plus haut, en permettant la mesure de la densité atmosphérique au-dessus de 300 000 pieds (environ 90 km). SUMS capte des échantillons d’air par un petit trou sur la face inférieure du véhicule juste à l’arrière de nez de l’orbiteur. Le mesureur utilise un spectromètre comme un dispositif de détection de pression pour mesurer la densité atmosphérique en haute altitude, là où le régime d’écoulement est raréfié et où la pression est trop faible pour l’utilisation de capteurs de pression ordinaires. Le spectromètre incorporé dans l’expérience a été à la base d’équipements à l’origine développés pour les atterrisseurs Viking, à destination de Mars en 1975.
SUMS a été initialement installé à bord de l’orbiteur Columbia en 1984-1985. L’expérience a été exploitée sur la mission STS-61C, malheureusement sans succès en raison d’un blocage d’une pièce de protection du spectromètre, puis sur les misions STS-35 avec succès et enfin STS-40 avec de nouveau un dysfonctionnement dû à un niveau de pression excessif détecté dans le spectromètre.
3) Shuttle Infrared Leeside Temperature Sensing (SILTS)
L’expérience de mesure infrarouge de l’orbiteur a été conçue pour obtenir des mesures de température précises des ailes et du fuselage de l’orbiteur lors de la rentrée atmosphérique. Ces mesures ont été obtenues au moyen d’une caméra à imagerie infrarouge, située au sommet de la dérive de l’orbiteur Columbia. Le dispositif se déclenchait à une altitude de 122 km lors de la phase de rentrée atmosphérique et envoyait les données recueillies à l’enregistreur OEX. Un système de refroidissement à l’azote sous pression était prévu afin de conserver lors de la rentrée, les petites fenêtres d’observation à des températures permettant l’expérience.
L’expérience SILTS a volé sur cinq missions de la navette. D’importantes anomalies sur le matériel ont empêché d’obtenir des données utiles sur le premier vol STS-61C. Des informations utiles ont cependant été obtenues sur quatre vols ultérieurs. Les missions STS-28 et -32 ont permis d’enregistrer des données de température pour l’aile gauche de l’orbiteur pendant toute la partie hypersonique de l’entrée atmosphérique. L’expérience a ensuite été reconfigurée pour capter les données cette fois du fuselage sur les missions STS-35 et 40.
Malgré quelques anomalies de fonctionnement survenues sur chacun de ces quatre autres vols (différentes pour chaque vol) ayant limité la quantité de données obtenues, de précieuses informations sur la température du fuselage ont toutefois été obtenues sur des portions bien distinctes de la trajectoire d’entrée atmosphérique.
4) Orbital Acceleration Research Experiment (OARE)
L’expérience de recherche sur les accélérations orbitales (OARE) vient compléter le dispositif ACIP (Aerodynamic Coefficient Identification Package) et l’instrument HiRAP (High Resolution Accelerometer Package), tous deux dédiés aux mesures d’accélérations subit par l’orbiteur, en étendant la plage d’altitude sur laquelle des données d’accélérations aérodynamiques du véhicule peuvent être obtenues à une altitude orbitale. L’objectif de l’expérience OARE est de mesurer avec une grande précision, les basses fréquences et les niveaux d’accélération faible à bord de la navette spatiale.
Le package, d’environ 165 cm et 137 cm et placé au centre de gravité de l’orbiteur dans la soute, intégrait un ensemble d’accéléromètres linéaires très sensibles pouvant fonctionner de façon automatique ou préprogrammée. La portée opérationnelle de l’expérience OARE est (début du programme) à un tel niveau d’accélération faible que les capteurs ne peuvent pas être calibrés avec précision dans l’environnement au sol d’1 G. En conséquence, les capteurs de mesure sont montés, au sein du dispositif, sur un support spécial permettant un étalonnage précis s’effectuant sur orbite en l’absence de gravité terrestre.
Le mesureur OARE qui a volé sur STS-40 et STS-50, a été précurseur d’expériences comme MAMS (Microgravity Acceleration Measurement System) ou SAMS-II (Space Acceleration Measurement System) qui enregistrent encore actuellement, les accélérations qui affectent la Station spatiale internationale et plus particulièrement les expériences scientifiques qui y sont effectuées.
5) High-Resolution Accelerometer Package (HiRAP)
Cet instrument est un ensemble de trois accéléromètres linéaires qui mesurent le mouvement très sensible des accélérations aérodynamiques le long des axes principaux de l’orbiteur lors de la première phase de sa rentrée atmosphérique, au-dessus de 300 000 pieds (90 km). Cet instrument a fourni des données sur l’orbiteur, qui sont venues compléter les enquêtes réalisées par l’expérience SUMS.
Les données de vol ainsi récoltées ont soutenu les progrès dans la prédiction du comportement aérodynamique des véhicules (type avion) de grande vitesse lors de la rentrée atmosphérique, le régime de vol à basse densité, y compris les flux moléculaire libre et la transition dans le continuum hypersonique.
Le dispositif HiRAP est localisé à côté de l’ACIP (Aerodynamic Coefficient Identification Package), dans la structure de l’orbiteur. Comme ACIP, l’expérience a été construite à deux exemplaires. Elle a volé sur 12 missions, quatre pour Columbia (début de l’expérimentation mission STS-9), et huit pour Challenger (en commençant par la mission STS-6).
6) Aerothermal Instrumentation Package (AIP)
L’ensemble d’Instrumentation Aérothermique (AIP) comprend quelque 125 mesures de température et de pression de la surface aérodynamique à différents endroits sur le fuselage, sur l’aile gauche et sur l’empennage vertical de l’orbiteur. Les capteurs de température AIP fournissent in situ des mesures qui viennent se corréler aux informations de l’expérience SILT.
Les capteurs de pression AIP ont été aussi destinés à fournir des données pour appuyer les enquêtes sur les interactions des jets des RCS (Reaction Control System) avec le champ d’écoulement aérodynamique de l’orbiteur.
Les données récoltées par le dispositif AIP ont été enregistrées sur l’enregistreur de données de vol OEX. L’expérience a obtenu des données à travers la partie hypersonique des entrées atmosphériques sur les missions de la navette STS-28, 32 et 40. Seules des données limitées (en dessous de l’altitude d’environ 73 km) ont été obtenues sur la mission STS-35, en raison d’une panne de télémétrie qui a affecté aussi l’expérience SILTS.
D’autres systèmes d’acquisitions de données ont intégré le programme OEX. On peut citer à ce propos les dispositifs d’instruments de mesure en vol DFI (Development Flight Instrumentation) et ACIP (Aerodynamic Coefficient Identification Package). Bien que distincts du programme OEX par les deux configurations possibles (palettes dans la soute ou inclues à la structure de l’orbiteur) lors des vols de qualification (STS-1/2/3/4 Columbia) et commerciaux STS-5 Columbia et STS-8 Challenger, DFI et ACIP sont considérés comme des expériences planifiées pour le programme OEX.
D’autre part et toujours dans le cadre du programme OEX, l’expérience IRIS (Infrared Imagery of Shuttle Experiment) a été exploitée lors de la mission STS-3. L’objectif de cette expérience d’imagerie haute résolution infrarouge de la navette, a été de déterminer la distribution de température sur la surface de l’orbiteur au cours du vol d’entrée atmosphérique. Afin d’obtenir de meilleures résolutions dans les observations que celles atteintes avec les mesures de DFI, cette mesure a été faite à distance à une altitude de 13 700 m, par un avion C-141 de la Nasa. L’avion équipé du Kuiper Airborne Observatory (KAO) a permis d’obtenir des images infrarouges de l’orbiteur alors qu’il traversait le champ de vision de l’observatoire KAO, qui à cet effet était équipé de deux détecteurs à infrarouge.
L’expérience IRIS a réussi à obtenir une image partielle de l’orbiteur. Malheureusement, les résultats ont été jugés inexploitables en raison de déformations de l’image infrarouge dues à la chaleur. En conséquence, il a été conclu qu’une image infrarouge résolue de l’orbiteur n’était pas atteignable en utilisant cette technique expérimentale.
Les vols des instrumentations et expérimentations du programme OEX à bord des orbiteurs Columbia et Challenger ont fourni une mine de données sur le vol hypersonique et ses caractéristiques aérothermodynamiques. Ces données ont été et continuent à être utilisées dans la recherche et l’analyse de la compréhension de l’environnement du vol hypersonique et dans l’évaluation de l’état des méthodologies devant être utilisées pour prédire les caractéristiques aérothermodynamiques de pointe des véhicules de transport spatial. Un grand nombre des expérimentations du programme OEX ont servi de base à l’élaboration d’instruments et d’expériences encore exploités de nos jours à bord des vaisseaux spatiaux.