Récit d’une campagne de vols paraboliques avec le CNES

Pauline, étudiante en mastère spécialisé à l’ISAE-Supaero a effectué son stage de fin d‘études à l’Agence Spatiale Française, le CNES. Elle a participé au développement d’un système de déploiement de cubesats 12U. Pour tester le système en environnement au plus près de l’espace, elle a participé à une campagne de vols paraboliques avec Novespace, filiale du CNES.

Mais participer à des vols en tant qu’expérimentatrice, cela ne s’improvise pas. Découvrez son retour d’expérience :

 

Préparer une expérience

Six mois : c’est la durée minimale entre la confirmation de Novespace que le concept d’expérience proposé est sélectionné pour voler lors de la prochaine campagne, et la réalisation de l’expérience dans l’avion. Pour une expérience qui n’a jamais volé, comme celle-ci, ces 6 mois sont nécessaires pour concevoir, assembler, instrumenter et tester l’expérience au sol.

Les spécifications à satisfaire sont nombreuses pour être autorisé à embarquer :

  • Les « volants » doivent se soumettre à une visite médicale incluant un électrocardiogramme (et parfois un test physique à l’effort) qui se termine par l’obtention d’un certificat d’aptitude au vol parabolique.
  • Les expériences, elles, doivent être conçues pour résister à un atterrissage d’urgence (jusqu’à 9G dans la direction du cockpit) et pouvoir être installées dans l’avion (masse, dimensions, interfaces). Les expérimentateurs doivent également démontrer que l’expérience ne représentera aucun risque, à la fois humain (accident corporel) et matériel (dégradation de l’avion).

Pour s’affranchir au maximum des inconnues et réduire les risques, les échanges sont réguliers entre les expérimentateurs et les coordinateurs Novespace pendant les 6 mois de préparation. Le suivi de l’avancé de l’expérience est également réalisé à l’aide d’un document, le Formulaire Expérimental, qui répertorie les points suivants : présentation de l’expérience, description du matériel et des produits utilisés, spécifications techniques (implémentation cabine, nuisances, masses, dimensions, raccordements nécessaires), justifications de la tenue mécanique, procédures, évaluation des risques.

Pour une expérience sélectionnée pour voler en avril de l’année N, le planning est le suivant :

  • Début octobre N-1 :  Les équipes reçoivent une confirmation que l’expérience est sélectionnée pour voler sur la prochaine campagne.
  • Fin octobre N-1 : Il faut fournir une première version du Formulaire Expérimental à Novespace avec de plus amples détails sur le concept de l’expérience.
  • Début novembre N-1 : Un workshop est organisé à Novespace pour rencontrer le coordinateur technique, visiter les locaux et discuter de l’expérience.
  • Mi-janvier N : La conception de l’expérience doit être figée. Passée cette date, il n’est plus possible d’effectuer des modifications importantes.
  • Début février N : Une partie des documents administratifs (incluant les certificats d’aptitude au vol parabolique des volants) doivent être signés et envoyés.
  • Mi-février N : L’ensemble des équipements nécessaires à la réalisation de l’expérience doivent être livrés dans les locaux de l’entité en charge d’assembler et tester l’expérience.
  • Mi-mars N : L’expérience doit être assemblée et testée au sol. Les résultats des tests de bon fonctionnement doivent être fournis à Novespace.
  • Avril N : Campagne de vol parabolique.

 

Objectif : Tester l’éjection de CubeSats 12U

 Des campagnes de vols expérimentales avec Novespace, il y en a 6 par an : 2 pour le CNES, 2 pour l’ESA et 2 pour le DLR. Pour chaque campagne, c’est une dizaine d’expériences qui sont sélectionnées par l’agence spatiale concernée. Toutes les expériences ont des objectifs différents : répondre à des questions de sciences fondamentales, éprouver des nouveaux matériaux, faire des expériences de biologie ou encore tester des équipements destinés à être embarqués dans l’espace, le tout en microgravité pendant une vingtaine de secondes consécutives à un coût moindre qu’un lancement spatial.

Expérience pour tester l’éjection de CubeSat 12U depuis un déployeur (photo prise dans les locaux du CNES – credit CNES/Pauline Delande)

L’expérience sur laquelle j’ai travaillé appartient justement à la dernière catégorie : tester le fonctionnement d’une maquette de déployeur de CubeSat 12U développé par la société toulousaine COMAT en partenariat avec le CNES, avec pour objectif la commercialisation de cet équipement en 2020-2021.

Petit rappel pour ceux qui ne seraient pas familiers avec le jargon spatial :

  • Un CubeSat est un satellite de très petite taille standardisé, notamment utilisé dans le cadre de projets spatiaux étudiants car justifiant de coûts de développement et de lancement moins élevés que des satellites dits « traditionnels ». Cette standardisation intervient notamment au niveau des dimensions du CubeSat : on parle d’U (unité) avec 1U = 10cm*10cm*10cm. Un CubeSat 12U, c’est un CubeSat d’environ 20cm*20cm*30cm et pouvant peser jusqu’à 24 kg.
  • Un déployeur, c’est l’interface mécanique entre le lanceur et le CubeSat. Ce déployeur, il a 3 fonctions principales : contenir le CubeSat, le protéger de l’environnement du lancement et l’éjecter dans la bonne direction et à la bonne vitesse une fois le lanceur en orbite. En résumé, ça ressemble à une boîte avec 1, 2 ou 4 portes. À l’ouverture des portes (déclenchée par un ordre électromécanique) le CubeSat est guidé et éjecté du déployeur grâce à un système de ressort.
Déployeur CubeSat 12U développé par COMAT (credit CNES/Pauline Delande)

Une fois éjecté du déployeur, le CubeSat 12U (qui, rappelons-le, pèse jusqu’à 24 kg) est considéré comme étant en « free-floating ». Pour des raisons de sécurité, les masses flottant librement dans la cabine sont limitées à 10kg par Novespace. L’expérience a donc été conçue pour contenir le CubeSat dans un volume limité réalisé à partir de profilés 45*45 et d’équerres : c’est le rack d’expérimentation.

Le rack d’expérimentation (credit CNES/Pauline Delande)

De plus, l’objectif étant de répéter l’éjection autant de fois que possible, il a fallu réfléchir à un système permettant d’amortir le CubeSat et faciliter autant que possible son réarmement dans le déployeur, c’est la fonction remplie par le profilé traversant ainsi que la pièce imprimée 3D située en fin de course du déployeur.

Parce qu’il est intéressant d’effectuer des mesures, en plus de filmer les éjections, 4 accéléromètres sont positionnés sur les parties mobiles de l’expérience : les portes et le CubeSat. Les mesures réalisées sont enregistrées et récupérées grâce au rack d’acquisition : un pc spécifique.

Enfin, parce qu’il ne serait pas envisageable d’embarquer un vrai CubeSat pour cette expérience, la pièce éjectée est ce qu’on appelle une « gueuse », c’est-à-dire une pièce mécanique similaire en masse et en dimensions à un vrai CubeSat 12U. Des masselottes, vissées sur la structure, permettent également de simuler un décalage du centre de gravité pour tester différentes configurations.

Le faux cubesat (credit CNES/Pauline Delande)

 

Campagne de vols paraboliques : c’est quoi le programme ?

La campagne de vols paraboliques en elle-même dure deux semaines.

Pendant la première semaine, dite de préparation, nous nous rendons à Mérignac (près de Bordeaux) accompagnés de notre expérience. Le transport oblige souvent à démonter une partie de la structure et des instruments de mesure : les locaux de Novespace se transforment alors en atelier mécanique géant où chacun s’affaire à tout remonter.

Réception de l’expérience dans les locaux de Novespace (credit CNES/Pauline Delande)

Plusieurs inspections sont orchestrées par les coordinateurs techniques.

Inspection du matériel par les équipes de Novespace (credit CNES/Pauline Delande)

Lorsqu’elle est jugée conforme, l’expérience est autorisée à être installée dans l’avion.

L’expérience est apte au vol (credit CNES/Pauline Delande)

Le lundi de la deuxième semaine est la journée de briefing où tous les expérimentateurs sont invités à présenter leur expérience devant les pilotes, le personnel de Novespace et les médias. Les 3 vols de 31 paraboles chacun ont lieu le matin du mardi, mercredi et jeudi, ce qui laisse le temps aux expérimentateurs de (re)travailler sur leur expérience l’après-midi et préparer la configuration de vol du lendemain. Le vendredi, quant à lui, est une journée de « back-up » au cas où l’un des vols serait annulé.

Pauline présentant l’expérience avant le premier vol (credit Pauline Delande)

Au matin du vol

« L’avion est prêt et nous aussi ! » (credit Pauline Delande)

Une fois arrivés à Novespace au matin des vols aux alentours de 7h45, nous enfilons nos combinaisons de « zéronaute ». Une dernière inspection de l’expérience dans l’avion permet de régler les derniers détails : revérifier le fonctionnement des accéléromètres, installer les caméras, positionner l’ordinateur.

Nous nous pressons ensuite en file indienne devant le bureau du docteur à partir de 8h30 pour recevoir notre injection de scopolamine, un médicament recommandé pour réduire le risque de mal des transports.  Une quinzaine de minutes seulement après la piqûre, les effets secondaires peuvent se faire ressentir : la tête se met à tourner et la bouche devient très sèche. Pour réactiver la production de salive, on nous distribue des chewing-gums.

À 9h00, les portes de l’avion se referment avec l’équipage à bord. Lorsque les conditions météorologiques sont favorables, l’avion est autorisé à décoller dans la foulée. Pour notre premier vol (le mardi), un brouillard épais nous a cloués au sol 45 minutes. Deux zones de vols sont prévues : la première au-dessus de l’Océan Atlantique et la deuxième au-dessus de la Mer Méditerranée.

Une dizaine de minutes seulement après le décollage, nous sommes autorisés à nous lever tandis que l’avion continue de monter pour gagner son altitude de croisière. Les pilotes annoncent une trentaine de minutes avant la première parabole, un temps suffisant pour allumer les expériences et se préparer. L’excitation monte.

 

L’apesanteur, quelles sensations ?

 La première parabole est de loin la plus extraordinaire. Novespace nous suggère, à ceux dont c’est la première campagne de vols, de ne pas s’activer sur nos expériences afin de laisser le corps s’habituer à la sensation magique de la microgravité. Pour la plupart à bord, il s’agit du premier vol.

Au moment où l’apesanteur s’établit pour la première fois dans la cabine, des petits cris retentissent. C’est la surprise de sentir son poids s’effacer jusqu’à ne peser plus rien.

Parce qu’il s’agit d’un vol expérimental, la majorité des gens est sanglée au plancher. De ce fait, la cabine n’est pas « sans dessus-dessous » pendant les 20 secondes que dure l’expérience de l’apesanteur. À la différence des vols de découverte grand public, les yeux gardent des repères et il reste assez facile de différencier le haut du bas, les expériences étant fixées au sol.

Mais même en étant assis(e) sans bouger la tête dans tous les sens, l’oreille interne est complètement perturbée. On a l’impression d’entrer dans une autre dimension : celle où le facteur gravité n’existe plus. Les repères visuels sont toujours là mais le cerveau est quand même confus : est-ce que le plafond est bien en haut ? Et le plancher en bas ?

Nous n’avons cependant jamais la sensation de tomber. Notre référentiel, ce n’est plus le plancher des vaches mais l’avion. Par rapport à lui, on flotte… au même titre que les poussières d’ailleurs, qui se mettent à remonter dans la cabine, accentuant le côté surréaliste de la scène.

L’apesanteur est toujours précédée et suivie de phases d’hypergravité de 20 secondes. Pendant ces phases à 1.8g, chaque centimètre cube du corps est « aspiré » vers le sol. L’impression est celle d’un aspirateur géant qui nous attire inéluctablement vers le « bas ». Si on les bouge, les bras se dotent d’élastiques invisibles, perpendiculaires au plancher, qui rendent les mouvements plus difficiles. C’est la même sensation décrite par les astronautes lorsqu’ils retrouvent la gravité terrestre après 6 mois de mission dans la Station Spatiale Internationale.

Passée la surprise de la première fois, il faut se mettre au travail. Les paraboles qui suivent sont toujours aussi extraordinaires mais le corps s’habitue progressivement : c’est moins déstabilisant.

[Pour plus de détails sur le principe du vol parabolique dans l’article « J’ai testé le vol parabolique « Zéro G » avec Novespace et le CNES »]

 

L’expérience en vol

 La plupart du temps, il n’est pas possible de réaliser les expériences au sol à cause du facteur gravité. C’est d’ailleurs l’intérêt de participer à une campagne de vols paraboliques : s’en affranchir.

La toute première éjection de CubeSat a donc été une source de stress pour l’équipe (nous étions 3 par vol sur cette expérience). Puis c’est le soulagement lorsque les portes du déployeur s’ouvrent : le CubeSat sort du déployeur sans gripper, à une vitesse qui se rapproche à vue d’œil de celle prévue par les calculs théoriques (entre 0,5 et 1 m/s) et vient s’encastrer en fin de course dans la pièce imprimée 3D. Le réarmement du CubeSat dans le déployeur est un peu pénible (malgré les répétitions préliminaires au sol). Finalement, les 2 expérimentateurs en charge du rack d’expérimentation réussissent à verrouiller les portes avant la fin de la phase d’hypergravité qui suit l’apesanteur. C’est une réussite !

Les éjections vont s’enchaîner pendant tout le vol, même lorsque je serai forcée de quitter la zone expérimentale pour cause de… nausées. Les procédures ont de toute façon été pensées pour que l’expérience puisse continuer avec seulement 2 expérimentateurs au lieu de 3, ce qui permet, pendant les autres vols d’alterner les expérimentateurs pour aller s’amuser un peu dans la zone de free-floating.

93 paraboles réparties sur 3 vols ont permis d’effectuer une soixantaine d’éjections de CubeSat. Seule ombre au tableau : quelques problèmes sur les accéléromètres ne permettront pas de récupérer les données du 3ème vol.

 

Après le vol

 Au retour sur la Terre ferme, la fourmilière s’agite. Les équipes restées au sol attendent avec impatience les retours de ceux qui ont volé : l’expérience a-t-elle fonctionné ? Qui a été malade ?

Le temps de reprendre ses esprits et c’est déjà l’heure du briefing au sol. Tout le monde (expérimentateurs, pilotes, personnel navigant, presse) se réunit dans les locaux de Novespace pour un compte-rendu rapide du vol. Cette réunion, indispensable après chaque vol, permet de faire le point sur ce qui a fonctionné (ou pas) afin de préparer au mieux le vol suivant.

Quand on a été malade (et qu’on est encore un peu barbouillé), la question se pose ensuite de savoir si on veut revoler le lendemain. L’hésitation ne dure que quelques secondes, le temps de se rappeler que l’expérience extraordinaire de la microgravité vaut bien quelques nausées. Et puis, il n’y a qu’à demander au médecin d’augmenter un petit peu la dose de scopolamine…

 

Vivre une campagne de vols paraboliques

En dehors de la possibilité de se sentir l’âme d’un(e) astronaute en goûtant au plaisir de l’apesanteur, participer à une campagne de vols paraboliques avec Novespace, c’est intégrer une grande famille le temps d’une semaine. Expérimentateurs, pilotes, personnel de vol, médias… tous sont réunis à Mérignac dans un seul objectif : faire de cette semaine une réussite.

Avec Thomas Pesquet, l’un des pilotes de l’avion de Novespace (credit Pauline Delande)

L’A310 Zero-G de Novespace se transforme pendant ces 2 semaines extraordinaires en laboratoire éphémère volant. C’est l’occasion de rencontrer des scientifiques et ingénieurs venus d’un peu partout de France et d’Europe et de découvrir les expériences sur lesquelles ils travaillent. C’est également une chance incroyable de croiser et même d’échanger avec des astronautes (Jean-François Clervoy, Thomas Pesquet et Matthias Maurer) et autres personnalités qui, sans le vouloir, ont participé à faire naître ma vocation pour le spatial au cours de ces dernières années (c’est le cas d’Hervé Stevenin, instructeur de vols paraboliques des astronautes de l’ESA).

Avec Jean-François Clervoy, ancien astronaute et directeur de Novespace (credit Pauline Delande)

Je mesure l’immense honneur qu’est le fait d’avoir intégré une campagne de vols paraboliques et je tiens, pour cette raison, à terminer cet article en remerciant très chaleureusement Alain Gaboriaud du CNES pour m’avoir confié ce projet, aux ingénieurs COMAT (Victor Pires, Guillaume Tourette, Bastien Fernandez) pour leur aide, à toute l’équipe de Novespace (dont notre coordinateur technique Yannick Bailhé) et à toutes les personnes très bienveillantes que j’ai eu l’occasion de rencontrer pendant ce stage et cette campagne.

par Pauline Delande, désormais ingénieure au CNES

 

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