LES ÉCOUTILLES

Changements post Apollo 1

À la suite de l'accident du vaisseau spatial 012 d'Apollo au Centre spatial Kennedy, les efforts de conception sont intensifiés, avec un accent particulier sur l’évacuation d’urgence de l’équipage et l’utilisation en vol spatial. La direction de la division spatiale de North American prend alors conscience de la complexité de développer un nouveau système d’écoutille dans les délais imposés par le calendrier révisé du programme du module de commande et de service Apollo. Un groupe de travail, réunissant membres de la direction et ingénieurs des départements de conception, d’ingénierie et de fabrication, s’engage dans un travail intensif, sept jours sur sept. La NASA participe activement à la définition des critères et à la sélection de la conception finale parmi trois propositions.
Une fois le modèle retenu, il est confié aux équipes de conception fonctionnelle pour une élaboration détaillée, incluant analyses et publication des plans techniques. Par ailleurs, North American et la NASA sollicitent McDonnell Douglas Corporation afin d’obtenir des informations sur le mécanisme et les joints de l’écoutille du programme Gemini, qui leur sont rapidement transmises.

Pour bien appréhender les défis de conception, une brève description du vaisseau spatial s’impose. Le module de commande (CM), où sont installés les astronautes, est constitué de trois structures :

(1) Une structure intérieure en nid d'abeille en aluminium, qui sert de compartiment pressurisé pour l'équipage.
(2) Un bouclier thermique en acier inoxydable recouvert d'un matériau ablatif. Ce bouclier est fixé en permanence à la structure interne par des raccords spéciaux permettant des mouvements relatifs entre les structures, dus aux variations de température et de pression.

(3) Un capot de protection léger appelé BPC (Boost Protective Cover), qui recouvre et protège le bouclier thermique pendant le lancement. Il est fixé à la tour de lancement et largué avec celle-ci après l'allumage du deuxième étage du lanceur Saturn V.

Le vaisseau spatial 012 a trois trappes, situées et verrouillées sur les trois structures du module de commande (pour plus de détails, voir le lien "les trois trappes d'origines").

Par ailleurs, la série de vaisseaux désignée Block II, conçue pour les rendez-vous en orbite lunaire, intègre un système d’écoutille latérale amélioré pour les activités extravéhiculaires. La principale différence entre le Block I et le Block II réside dans l’écoutille du bouclier thermique : sur le Block II, elle s’articule vers l’extérieur et est dotée de loquets offrant une plus grande portée et une meilleure capacité d’abaissement.

Comparaison entre les deux systèmes d'écoutille

Au moment du lancement de la nouvelle conception des écoutilles, de nombreuses structures du Block II sont déjà fabriquées, avec les systèmes installés et les boucliers thermiques assemblés sur les structures internes. Face à cette situation, la direction prend les décisions suivantes :
(1) Limiter les modifications majeures aux écoutilles, en réduisant au minimum les ajustements sur la structure interne et le bouclier thermique.
(2) Ne pas retirer le bouclier thermique pour des travaux de modification.
(3) Éviter toute soudure lors de la réfection du bouclier thermique.
(4) Utiliser uniquement des matériaux et des équipements facilement disponibles pour garantir la faisabilité du projet.
(5) Intégrer des marges de résistance excédentaires dans les structures, les mécanismes et les fixations, afin d’assurer une robustesse optimale.

Préparation du CM 004 pour la mise en place de la nouvelle écoutille (photo prise le 30/06/1967, collection : Webb, James E. Papers, trumanlibrary.gov)

Dans ce projet, la priorité est donnée à la robustesse et à la simplicité d’utilisation, au détriment de la réduction de masse, une pratique pourtant courante en ingénierie. Aucun allègement futur n’étant prévu, l’excès de masse devient définitif.
L’exigence principale impose que l’écoutille assure un fonctionnement optimal en usage normal. Cependant, les critères liés à l’évacuation d’urgence, notamment lors des vérifications du module de commande et des préparatifs au lancement, sont profondément revus. Le temps d’ouverture de l’écoutille latérale est ramené à 3 secondes, et l’évacuation complète des trois astronautes en combinaison pressurisée doit s’effectuer en 30 secondes.

Une exigence fonctionnelle secondaire vise à optimiser les caractéristiques des activités extravéhiculaires, notamment :

1) Durabilité des loquets : capacité à rester ouverts jusqu’à 20 minutes sous l’orientation solaire la plus intense du module de commande.
2) Facilité de manipulation : possibilité d’actionner les mécanismes d’une seule main, aussi bien depuis l’intérieur que l’extérieur.
3) Ergonomie de la poignée intérieure : pousser pour ouvrir, tirer pour fermer afin de simplifier l’utilisation.
4) Commande extérieure : interface permettant l’utilisation d’un outil interconnecté à une goupille de verrouillage.
5) Accès d’urgence : possibilité pour un astronaute d’entrer sans assistance.
6) Système de verrouillage de secours, garantissant la fermeture sécurisée en cas de défaillance du mécanisme principal.
7) Soupape de dépressurisation rapide pour faciliter l’ouverture en cas d’urgence.
8) Aucune réduction de la taille de l’ouverture, avec un angle d’ouverture accru pour un accès amélioré.
9) Modularité : possibilité de remplacer le hublot de l’écoutille par un sas de type Block I, prévu pour des expériences scientifiques lors de missions futures.
10) Force d’actionnement limitée à 17,7 N (1,8 kg ou 20 lb) pour assurer une ouverture et une fermeture aisées.

À mesure que la conception progresse, des critères supplémentaires sont définis pour affiner les performances de l’écoutille :

1) Capacité d’ouverture prolongée : l’écoutille doit pouvoir rester ouverte pendant une heure pour les activités extravéhiculaires, bien que cela ne doive pas nécessairement être testé dans l’orientation solaire la plus extrême.
2) Position entrouverte : l’écoutille doit pouvoir être maintenue entrebâillée pour permettre des activités extravéhiculaires de longue durée.
3) Fiabilité prouvée : l’écoutille doit supporter 100 cycles d’ouverture et de fermeture sans dégradation afin de garantir son bon fonctionnement répétitif.
4) Tolérance à une utilisation d’urgence : une détérioration acceptable de l’écoutille est permise en cas d’usage d’urgence lors des essais ou avant le lancement, sous l’effet d’une pression interne accrue, tant que la structure du module de commande (CM) reste intacte.
5) Maintien de l’étanchéité : aucune augmentation du taux de fuite ne doit être constatée après l’utilisation de l’écoutille.

L'ÉCOUTILLE MONOBLOC (Unified Crew Hatch), une merveille d'ingénierie mécanique

Le concept développé par North American et approuvé par la NASA est baptisé Unified Crew Hatch (U.C.H.), ou écoutille monobloc. Cette nouvelle conception fusionne les fonctions de la trappe du bouclier thermique, de la trappe du compartiment équipage et de la trappe de la structure interne en une seule écoutille à charnière, s’ouvrant vers l’extérieur et équipée d’un unique ensemble de mécanismes. Bien que la trappe du BPC (Boost Protective Cover) soit conservée, elle est modifiée pour s’adapter à ce nouvel agencement. L’U.C.H., souvent simplement appelée « trappe », devient ainsi l’écoutille principale du module de commande (CM). Située sur le flanc du vaisseau, elle permet :

- l’accès de l’équipage lors des préparatifs et du lancement,
- les sorties extravéhiculaires (EVA) si nécessaire,
- l’évacuation lors de la récupération en mer après le retour sur Terre.

Cette nouvelle écoutille remplace définitivement les trois trappes d’origine à la suite de la tragédie d’Apollo 1.

STRUCTURE DE L'ÉCOUTILLE

La structure de l’écoutille est une unité stratifiée constituée de trois couches solidement assemblées :

- couche intérieure : en aluminium usiné, elle assure l’étanchéité de la cabine et est conçue pour résister aux charges de pression subies tout au long de la mission.
- couche centrale : une sous-structure en en fibre de verre remplie d’isolant, elle joue un rôle d’isolation thermique entre la structure en aluminium interne et le bouclier thermique externe.
- couche extérieure : un bouclier thermique ablatif, identique à celui du reste du CM, permettant de résister aux températures extrêmes lors de la rentrée atmosphérique.

Une coupe transversale typique à travers le bord de l'écoutille est illustrée sur la figure ci-dessous.

L'écoutille présente les dimensions suivantes : 73,65 cm de haut et 86,35 cm de large. Elle contient généralement un petit hublot de 22,85 cm de diamètre. Toutefois, elle est également conçue pour l'installation d'un airlock (sas à expériences), déjà présent sur le Block I. En termes de masse, l'écoutille pèse 102,05 kg, et avec l'ajout de l'airlock, elle atteint 111,13 kg.
L'écoutille dispose d'un ensemble "joint de pression" qui est constitué de deux éléments : Un joint en élastomère fixé au cadre de l'écoutille, maintenu en place grâce à un silicone vulcanisé à température ambiante (Room Temperature Vulcanized Silicone ou RTV). Une lame usinée qui est visible sur le périmètre extérieur de la porte, juste après les loquets et le mécanisme de liaison. Cette lame s'encastre dans le joint en élastomère lorsque l'écoutille est complètement fermée, formant ainsi un joint de pression efficace pour garantir l'étanchéité.

Schéma représentatif du sas à expériences

Localisation de la lame sur la périphérie de la porte de l'écoutille pour le joint de pression

L'écoutille assure la fonction de support principal pour les charges de pression, garantit l'étanchéité de la structure interne et sert de support pour le matériau ablatif, assurant ainsi la protection thermique. Ces fonctions combinées font de l'écoutille un élément vital pour l’intégrité du module de commande.

Deux cadres adaptateurs sont conçus pour modifier les structures existantes de l'écran thermique et de pression du CM afin d'accueillir la nouvelle écoutille. La majeure partie de la pénalité de masse d'environ 38 kg (85 lb) est concentrée dans ces cadres, qui ont pour but d'assurer une continuité structurelle, permettant ainsi de transférer les charges primaires autour de l’ouverture, sans transmettre les charges de tension ou de compression à l'écoutille. Ce concept évite l’imbrication structurelle de la trappe et des cadres dans la direction tangentielle, tout en offrant des tolérances suffisantes pour les déformations thermiques et structurelles, sans compromettre le bon fonctionnement de l'écoutille.
Un cadre extérieur en acier résistant à la chaleur est fixé mécaniquement à la sous-structure existante de l'écran thermique. Les modifications apportées aux écrans thermiques sont limitées à l'usinage du cadre pour éliminer la languette et la rainure, ainsi qu'à un retrait local de l'ablateur. Le cadre en acier est ensuite boulonné et/ou riveté à la sous-structure en acier, et l’ablateur moulé est collé puis boulonné à la surface extérieure et au bord du cadre. Les figures ci-dessous illustrent les coupes transversales du bouclier thermique existant (à gauche) et du bouclier modifié (à droite). Les matériaux et procédés utilisés sont compatibles avec la construction du bouclier thermique existant, ce qui élimine le besoin de développer de nouvelles technologies.

Ancienne configuration

Nouvelle configuration

Un cadre intérieur en aluminium usiné est boulonné et scellé au cadre existant de la trappe à pression. Ce cadre contient le joint de la nouvelle écoutille et permet de transmettre les charges primaires du corps autour de l'ouverture. Les seules modifications apportées à la structure existante concernent l'ajout de boulons au niveau du bord inférieur. Une section transversale typique à travers le cadre intérieur est montrée dans la figure ci-dessous.

Le cadre de l'adaptateur est usiné pour s'adapter à la structure existante à l'aide de fraiseuses à commande numérique, de la même manière que les cadres des trappes à pression précédents. La conception et les matériaux du joint de pression sont les mêmes que ceux utilisés avec succès pour le joint de l'écoutille de Gemini.

L'installation de ce cadre réduit l'ouverture libre disponible pour l'entrée et la sortie par rapport à celle fournie par le système à deux trappes précédemment. Cette réduction est nécessaire pour assurer l'étanchéité de l'écoutille s'ouvrant vers l'extérieur et pour fournir la résistance structurelle requise dans le cadre. Les exigences minimales concernant la taille de l'écoutille sont définies en fonction des activités extravéhiculaires durant le vol spatial, lorsque les astronautes portent une combinaison spatiale pressurisée et un système de survie portatif (sac à dos/PLSS), ainsi que des considérations liées à l’évacuation d’urgence de l’équipage.

Comparaison des dimensions des ouvertures Block I et II

L'U.C.H. est articulée et verrouillée sur le cadre adaptateur de la structure interne tandis, que le bouclier thermique et son cadre adaptateur flottent par rapport à l'écoutille. L'espace résultant entre la périphérie de l'écoutille et le cadre adaptateur du bouclier thermique est comblé par un joint thermique, dont le rôle est d'empêcher l'absorption de flux thermique lors de la rentrée atmosphérique dans l’espace autour du périmètre de l'écoutille.Bien que l'écoutille soit située sur le côté "sous le vent" de la capsule, et donc soumise à des charges thermiques faibles, le joint thermique est conçu pour être en contact avec le cadre de l'écoutille à un angle qui l’incline vers l'extérieur de la capsule. L'air dans la cavité entre le joint de pression et le joint thermique peut s'échapper pendant l'ascension à travers le joint thermique car la pression différentielle réduit la pression de contact du joint. Ainsi, la pression dans la cavité chute jusqu’à des conditions proches du vide pendant la mission. Lors de la rentrée, la pression externe sur le joint augmente, ce qui augmente ainsi la pression de contact du joint contre le cadre de l'écoutille , améliorant ainsi l'efficacité du joint thermique et bloquant l'entrée du flux thermique. Ce concept de conception thermique passive était en cours d'expérimentation à l'époque.

Bien que des études aient été menées pour éliminer la trappe du BPC (Boost Protective Cover), il a été décidé de la conserver avec des modifications mineures. L'élimination de cette trappe aurait nécessité des changements radicaux dans le matériau ablatif du CM, ce qui était impossible en raison des contraintes de calendrier.

Les mécanismes de l'U.C.H.

L'U.C.H du CM comprend les composants mécaniques suivants :

1) Loquets pour maintenir l'écoutille en position fermée.
2) Tringlerie pour transmettre le mouvement aux loquets.
3) Boîte de transfert à commande manuelle pour actionner la tringlerie.
4) Mécanisme à piston plongeur pour ouvrir les loquets de la trappe BPC (le plongeur de la gâchette du BPC).
5) Manivelle à piston à gaz pour ouvrir l'écoutille et amortir le mouvement (contrepoids).
6) Soupape à commande manuelle pour égaliser la pression dans l'écoutille.
7) Vérins à vis pour la fermeture et le maintien d'urgence de l'écoutille.

Les loquets

Les exigences des loquets de l'écoutille du CM sont les suivantes :

1) Maintenir l'écoutille du module de commande fermée et garantir l'étanchéité du joint de pression de l'écoutille.
2) Tirer l'écoutille vers le bas lorsqu'elle est à moins de 1,27 cm (1/2 in) de la surface de contact, ce qui permet sa fermeture même si elle est déformée en raison de variations de température dans sa structure.
3) Ouvrir l'écoutille d'environ 0,95 cm (3/8 in) lorsque les loquets sont en position ouverte.

Ces exigences sont remplies grâce à l’utilisation du loquet conique, qui présente plusieurs caractéristiques avantageuses pour l’application dans cette écoutille :

1) Il permet un mouvement de translation de 90°, ce qui facilite le placement de la tringlerie d’entraînement près de la surface de l'écoutille.
2) Son avantage mécanique varie tout au long de son parcours de sorte que la force de sortie augmente lorsque qu'il se déplace vers la position verrouillée.
3) Vers la fin de sa course de fermeture, le levier de sortie passe au-dessus du centre, et la pression de la cabine aide alors à maintenir les loquets en position fermée.
4) Les forces de pression de la cabine ne sont pas transmises à la tringlerie d'entraînement par l'intermédiaire du loquet, ce qui permet de sécuriser le loquet avec une goupille de verrouillage relativement légère.

L'écoutille est équipée de 15 loquets, répartis à intervalles de 13,97 cm (5,5 in) autour de sa périphérie. Chaque loquet se compose d'un levier d'entraînement, d'un levier de liaison et d'un levier entraîné, assemblés dans un boîtier fixé à la surface intérieure de la trappe. Des cales placées sous les boîtiers permettent d’ajuster leur position afin d'assurer une répartition uniforme de la charge de compression du joint, tandis qu'une surface de calibrage usinée dans chacun d'eux facilite le réglage de la course excentrée du levier d'entraînement du loquet. Le levier d'entraînement est usiné pour former le chien d'abaissement et présente une course effective de 1,9 cm (3/4 in), ce qui est amplement suffisant pour compenser la déformation thermique calculée de l'écoutille. La tringlerie d'entraînement des loquets est un système simple de tiges de poussée et de traction avec des ajustements filetés pour chaque loquet. Les loquets sont conçus de manière à ce que la pression atmosphérique à l'intérieur du vaisseau spatial exercée contre la trappe contribue à augmenter la pression de fermeture des loquets.

La boite de transfert (gearbox)

La fonction de la boîte de transfert est d'ouvrir et de fermer les loquets de l'écoutille principale du module de commande ainsi que de fournir un moyen d'ouverture d'urgence pour les les loquets de la trappe du BPC. Elle dispose deux entrées et deux sorties :

1) Une entrée manuelle depuis l'extérieur de la l'écoutille.
2) Une entrée manuelle depuis l'intérieur de la l'écoutille.
3) Une sortie pour ouvrir et fermer les loquets de l'écoutille du CM via la tringlerie d'entraînement.
4) La sortie pour entraîner le piston plongeur de la trappe du BPC pour la déverrouiller.

L'entrée extérieure de la boite de transfert est une douille dans un arbre encastré, qui pénètre dans l'écoutille du module de commande. Elle est actionnée par un outil manuel amovible. Elle est utilisée pour les opérations au sol, les vérifications, les tests, les activités extravéhiculaires et pour la récupération des astronautes après amerrissage. Étant exposée à la chaleur de la rentrée atmosphérique, elle est protégée par un dissipateur thermique en alliage de cuivre/béryllium et est isolée thermiquement de l'intérieur de la cabine grâce à des intercalaires en tissu de verre.

L'entrée intérieure se compose d'une poignée (push/pull, poussée/traction) qui se déplace normalement par rapport au plan de l'écoutille du module de commande. Cette poignée est utilisée par les astronautes pendant les activités extravéhiculaires, l'amerrissage et l'évacuation d'urgence. La poignée actionne, via des cliquets, une roue à rochet cannelée qui est reliée à un train d'engrenages, lequel active ensuite les deux sorties de la boîte de transfert. Cinq oscillations de la poignée sont nécessaires pour ouvrir ou fermer les loquets du module de commande. Le mouvement de la roue à rochet et du train d'engrenages de sortie, en relation avec celui de la poignée push/pull, est contrôlé par deux boutons de commande qui permettent d'engager et de désengager les cliquets.
Un sélecteur monté sur la poignée engage l'un des deux cliquets pour déterminer la direction de la roue à rochet. Le second sélecteur, situé sur le boîtier de la boîte de transfert, empêche la roue à rochet de reculer pendant la course à vide de la poignée push/pull.
La configuration des cliquets permet que la course de poussée de la poignée serve à ouvrir les verrous et la traction à les fermer. De plus, un deuxième jeu de cliquets est décalé de la moitié de l'espacement des dents du rochet afin de réduire le jeu entre la poignée et la roue à rocher, assurant ainsi une sécurité redondante.

Une fois les astronautes verrouillés à l'intérieur du CM, les deux sélecteurs sont positionnés sur la position "open latches" (ouverture des loquets) en prévision d'une sortie d'urgence.
La sortie de la boite de transfert pour l'ouverture et la fermeture des loquets du CM est un levier coudé entraîné par le train d'engrenages, avec un dernier engrenage en segment de 120°. Ce levier coudé est équipé de deux chapes à déconnexion rapide, chacune actionnant une moitié du système de verrouillage du module de commande, et d'un ressort de décentrage qui maintient le levier dans l'une des extrémités de sa course.

L'autre sortie de la boite de transfert est un levier permettant d'actionner l'ouverture de la trappe du BPC. Ce levier est entraîné par une came fente usinée sur le côté du segment d'engrenage de 120° et est programmé pour ouvrir les loquets du BPC avant que ceux du CM ne se déplacent de manière significative (c'est-à-dire qu'ils restent en position verrouillée excentrée). Une goupille de verrouillage de sécurité, montée sur ressort, se verrouille dans un trou correspondant du segment d'engrenage à la fin du cycle de fermeture des loquets du CM, empêchant ainsi l'ouverture accidentelle de l'écoutille en raison de vibrations ou d'erreurs humaines. Pour une ouverture normale de l'écoutille (non urgente), la goupille de verrouillage est désengagée manuellement avant d'actionner la poignée du réducteur. Lorsque l'entrée extérieure est utilisée, cela se fait en tournant l'arbre de 15° dans le sens des aiguilles d'une montre avant de le faire tourner dans le sens inverse pour déverrouiller la trappe. La goupille de verrouillage est dimensionnée pour se cisailler lorsqu'une force supérieure à la normale est appliquée à la poignée push-pull, par exemple lors d'une évacuation d'urgence.

Les charnières

Le principal problème des charnières de l'écoutille du CM réside dans la difficulté de faire pivoter une porte épaisse, bien ajustée et affleurante.En raison de considérations thermiques et structurelles, il est impossible de placer un point de charnière dans son épaisseur. De plus, il est souhaité de minimiser l'utilisation de l'espace à l'intérieur de la cabine. La solution choisie consiste en une paire de charnières à tringlerie repliable, montée sur la surface intérieure de l'écoutille. Lorsque la tringlerie se déploie, elle déplace la trappe directement vers l'extérieur avant qu'elle ne commence à tourner, car le point d'articulation change constamment pendant le mouvement. Un sandow à ressort est incorporé pour centrer l'écoutille dans son ouverture en cas de déformation thermique. En apesanteur, l'équipage peut fermer l'écoutille de l'intérieur en tirant sur une poignée (door release handle/poignée d'ouverture [ou relâchement] de l'écoutille) située près de la charnière inférieure. Cela libère manuellement le verrou du mécanisme de déploiement et permet de faire pivoter l'écoutille vers l'intérieur.

Les 3 étapes de fermeture de l'écoutille principale.

Contrepoids

La fonction du contrepoids consite à pousser l'écoutille du module de commande et la trappe du BPC lors d'une évacuation d'urgence immédiatement après leur déverrouillage. Étant donné que l'ensemble pèse 158,76 kg (350 Ib), son ouverture sans cette assistance est difficile, bien que possible. Afin de faciliter l'ouverture, un vérin est alimenté par de l'azote gazeux, stocké dans deux cartouches (ou sparklet) scellées à 5000 psi (351 kg/cm²). Chaque cartouche contient environ 0,0901 dm³ de gaz. Une des cartouches est perforée (par un percuteur) sur l'aire de lancement, permettant au gaz de pousser le vérin avec force pour ouvrir la porte une fois les loquets libérés. Une pression d'environ 2200 psis (154,47 kg) est requise pour ouvrir l'écoutille.
Une vanne à tiroir actionnée manuellement régule le débit de l'azote gazeux des cartouches vers le vérin de puissance et un piston. Un cylindre de commande, monté axialement en ligne avec le vérin de puissance, contient un piston et un orifice servant à contrôler le flux de fréon. Ce dernier régule la vitesse d'ouverture de l'écoutille et atténue les chocs à la fin de la course d'ouverture. Le contrepoids entraîne un sandow qui déplace l'écoutille et déclenche un verrou de sécurité pour la maintenir en position d'ouverture complète. La séquence des opérations de l'écoutille au lancement est la suivante :

1) Pressuriser la vérin (personnel au sol).
2) Monter à bord du vaisseau spatial (équipage de vol).
3) Forcer la fermeture de l'écoutille du module de commande contre la pression du verrin (personnel au sol).
4) Fermer les loquets de l'écoutille du CM (équipage de vol, à l'aide de la poignée de la boite de transfert).
5) Régler les boutons de commande de la boîte de transfert sur la position "ouverture des verrous" (équipage de vol).
6) Fermez et verrouillez la trappe du BPC (personnel au sol).

L'écoutille est alors configurée pour l'évacuation d'urgence. L'équipage de vol n'a qu'à actionner la poignée push-pull de la boîte de transfert pour :

1) Cisailler la goupille de verrouillage de sécurité.
2) Charger et relâcher le piston plongeur à ressort du BPC pour ouvrir les verrous de la trappe du BPC.
3) Libérer les verrous de l'écoutille du CM et laisser le contrepoids ouvrir les deux écoutilles d'environ 100°.
4) Verrouillez l'écoutille du CM en position ouverte.

Cette procédure prévoit que le membre d'équipage situé à droite actionne la boîte de transfert (environ 3 s) et sorte le dernier.

Des dispositifs redondants et de secours sont intégrés pour garantir le retour en toute sécurité du CM et de son équipage, même en cas de défaillance des mécanismes primaires. L'exigence essentielle est de pouvoir maintenir l'écoutille du module de commande fermée pendant la rentrée, bien que d'autres facteurs, tels que la rétention d'oxygène et la flottaison, doivent également être pris en compte. Pour assurer la redondance, les verrous du CM sont divisés en quatre groupes, séparables les uns des autres et de la boite de transfert par des axes de chape à déconnexion rapide. Cela permet de localiser toute défaillance des verrous.
Si la boite de transfert devient inopérante, les loquets déconnectés peuvent être manipulés manuellement à l'aide d'une clé à main. Une autre difficulté qui peut survenir lors d'une activité extravéhiculaire, est que l'écoutille du module de commande peut se déformer thermiquement de manière plus importante que ce que les loquets peuvent supporter. Pour résoudre ce problème, un ensemble de trois petits vérins à vis est fourni, permettant de fixer l'écoutille et de la fermer de force, assurant ainsi l'intégrité structurelle pour la rentrée.

Trousse à outils du CM (les 3 petits vérins à vis entourés)

Ci-dessus: la chaine d'assemblage de l'écoutille principale

Le saviez vous? Indépendament du sas à expériences, on pouvait monter d'autres éléments sur l'écoutille. La caméra multispectrale lunaire (LMC) L'expérience de la caméra multispectrale lunaire (LMC) repose sur l'utilisation de quatre appareils photographiques Hasselblad EL. Ses objectifs sont les suivants : (1) Photographier les variations de couleur de la surface lunaire pour la cartographie géologique. (2) Corréler les photographies avec la réflectance spectrale des échantillons retournés pour la détermination de la composition. (3) Photographier les sites potentiels d'atterrissage lunaire. (4) Réaliser des études comparatives des variations de réflectance lunaire en fonction des longueurs d'onde. (Une expérience similaire, baptisée SO-65, avait été réalisée pour la photographie multispectrale de la Terre lors de la mission Apollo 9.) Les quatre appareils Hasselblad EL utilisés présentent les mêmes paramètres, réglages et champ de vision qu’un Hasselblad EL équipé d’un objectif de 80 mm. Ils sont montés sur un support annulaire, orienté perpendiculairement au hublot de l'écoutille principale, avec une inclinaison de ±5° par rapport au nadir et un angle de 57,5° par rapport à l’axe X. Les déclenchements des obturateurs sont automatisés par un intervallomètre, réglé sur un intervalle de 20 s, afin d’obtenir une photographie en bande verticale. Les combinaisons film/filtre (exemple Apollo 9) pour les caméras sont les suivantes : Film Filtre Caméra 1 B&W 3401 Photar 47 (bleu) Caméra 2 B&W 3401 Photar 29 (rouge) Caméra 3 B&W 3401 Wratten 58 (vert) Caméra 4 IRBW SO-246 Photar 87C (noir) La caméra topographique lunaire Hycon À l'origine, cet appareil photo était prévu pour être embarqué sur les trois dernières missions de classe H : Apollo 13, 14 et 15. Cependant, la mission Apollo 13 a été interrompue en raison de l’incident bien connu. Lors d’Apollo 14, la caméra a cessé de fonctionner après 193 prises de vue. Finalement, Apollo 15, qui est devenue une mission de classe J avec une baie SIM, a utilisé un autre système. Il s’agit d’un appareil photographique de reconnaissance aérienne KA-7A modifié (KA-74), à commande électrique, qui, lorsqu’il est utilisé, est fixé sur le hublot de l’écoutille d’accès de l’équipage. Un boîtier de commande à distance, relié par un câble d’interconnexion, permet d’activer un mode automatique pour la photographie panoramique ou un mode manuel pour capturer des images individuelles. Un système de compensation variable du mouvement vers l’avant (FMC – Forward Motion Compensation) ajuste l’image en fonction du déplacement orbital du vaisseau spatial. Chaque cliché comporte, sur le côté, une horloge miniature affichant simultanément le jour et l’heure de la prise de vue. L’objectif principal de ces photographies est d’obtenir des images à haute résolution des futurs sites d’atterrissage et des zones d’intérêt scientifique. L’appareil, sans sa pellicule, pèse 29,48 kg et mesure 72 cm de long, 26,67 cm de large et 31 cm de haut. Il peut contenir une pellicule de 30,48 m de long sur 12,7 cm de large et 0,127 mm d’épaisseur, ou bien une pellicule de 60,96 m de long, 12,7 cm de large et 0,050 mm d’épaisseur. Malheureusement, lors de la mission, une anomalie a provoqué un déclenchement continu de l’obturateur. Cette défaillance était due à un transistor court-circuité par un éclat d’aluminium logé à l’intérieur du composant. De plus, l’absence d’une impulsion continue, normalement chargée d’activer l’obturateur du plan focal, a perturbé le fonctionnement de l’intervallomètre, entraînant l’exposition répétée de la même scène. Cette zone du film a ainsi été surexposée d’environ deux diaphragmes. La très grande et lourde caméra Hycon est installée sur le hublot de l'écoutille pour prendre des photos haute résolution de la surface lunaire. L'une de ses qualités les plus remarquables est d'utiliser le vide extérieur pour maintenir le film bien à plat pendant l'exposition. Pour ce faire, on crée une aspiration en connectant la décharge d'urine auxiliaire à la caméra.

La trappe du Boost Protective Cover (BPC)

La trappe du BPC est légèrement plus grande que l'écoutille du CM et dispose une charnière à piano le long d'un bord vertical, permettant ainsi aux deux trappes de s'ouvrir dans la même direction. Les trois autres bords de la trappe sont fixés à la structure du BPC à l'aide de loquets reliés à un levier de commande central. Ces loquets sont normalement ouverts et fermés par l'équipe au sol à l'extérieur du CM, en utilisant un outil amovible. Pour l'évacuation d'urgence, les astronautes peuvent libérer les loquets de la trappe du BPC depuis l'intérieur du CM en utilisant un piston, le piston plongeur du BPC. Ce dernier est automatiquement actionné lorsque l'astronaute effectue la fonction de déverrouillage de la trappe en actionnant la poignée de la boîte de réduction. La trappe du BPC reste alors appuyée contre l'écoutille du module de commande. Une autre procédure d'urgence prévoit que l'équipage au sol puisse tirer sur un cordon externe pour ouvrir les loquets et la trappe du BPC.

Sur l'image en taille réelle : trappe du BPC encadré en vert et outil d'ouverture/fermeture de l'écoutille principale cerclé en orange (lancement Apollo 12)

Le BPC, étant une structure distincte et larguée pendant la poussée, présente des défis spécifiques pour son mécanisme de trappe. Avant le lancement, il doit pouvoir être actionné depuis l'extérieur du BPC et depuis l'intérieur du CM pour l'évacuation d'urgence. Cependant, après le largage, l'écoutille du CM doit présenter une surface ablative lisse. De plus, pour l'évacuation, les loquets de la trappe du BPC doivent se déverrouiller avant ceux de l'écoutille du CM, afin que les deux puissent s'ouvrir simultanément. Ces problèmes sont résolus grâce au piston plongeur du BPC, qui est activé par la deuxième sortie de la boîte de transfert. Le piston pénètre dans l'écoutille du CM et est coiffé par un embout ablatif affleurant parfaitement la surface extérieure de l'écoutille. Lorsqu'il est activé par la boîte de transfert, il se déplace vers l'extérieur pour actionner le mécanisme de verrouillage de la trappe du BPC. Le BPC étant une structure relativement non rigide et offrant peu de résistance à une poussée régulière, le piston doit appliquer sa force rapidement.
À cette fin, il est équipé d'un empilement de rondelles élastiques Belleville, qui sont comprimées au début de la course puis relâchées, produisant ainsi un coup de marteau qui ouvre les verrous de la trappe du BPC avant que la structure ne se déforme. Cette action se produit lors de la première course de travail de la poignée de la boîte de transfert. Au cours du reste du cycle de déverrouillage, les loquets de l'écoutille du CM s'ouvrent et le piston plongeur du BPC revient à sa position d'origine. Comme il n'est plus nécessaire après le lancement, le piston est désactivé pendant l'orbite en tournant un bouton qui le déconnecte de la deuxième sortie de la boîte de transfert.

Le programme d'essais

Le programme d'essai est planifié pour soutenir l'effort de conception accéléré et pour développer la confiance dans le système d'écoutille en adoptant une approche progressive, commençant par des essais au sol et se terminant avec une mission d'alunissage. Un grand nombre d'essais au sol sont réalisés pour s'assurer que le système d'écoutille répond aux exigences de conception avant qu'un vol puisse être envisagé.
Une maquette en bois existante du module de commande est modifiée pour intégrer la nouvelle conception de l'écoutille. Bien que les mécanismes ne soient pas fonctionnels, ils permettent aux ingénieurs de vérifier la configuration et d'évaluer l'emplacement des poignées et des commandes. Les astronautes participent aux essais préliminaires d'évacuation pour tester l'ouverture de l'écoutille et déterminer les limites de l'équipage en combinaison spatiale. Parallèlement, un programme d'essai des composants est lancé pour développer et valider les performances du joint de pression de l'écoutille, des loquets individuels, d'une charnière et du contrepoids.
Afin de satisfaire aux exigences des essais officiels de qualification au sol, cinq véhicules sont utilisés, désignés 004B, 2TV-1, 2S2, 105 et 007A. Le véhicule 004B est un modèle de vol de type Block I réaménagé, équipé de la nouvelle écoutille de production et une partie du BPC, y compris sa trappe complète. Ce véhicule est utilisé pour vérifiez les fonctionnalités des mécanismes et a été soumis aux tests suivants :

1) Cycles fonctionnels : Vérification de tous les mécanismes à température ambiante entre chaque test environnemental.
2) Test d'étanchéité : Vérification des fuites du joint de pression.
3) Résistance aux variations de pression et de température : Exposition à une pression différentielle de 9,75 psig, avec une température intérieure de +82,2 °C et une température extérieure de -79,4 °C.
4) Test de rentrée thermique : Simulation d'une température de +2760 °C pendant 10 min.
5) Ouverture d’urgence : Vérification de l'ouverture de l'écoutille du CM et de la trappe du BPC sous pression maximale et minimale du module de commande.
6) Simulation d'amerrissage : Exposition à une impulsion de pression d'eau de 10 psi et à une force maximale de 11 g dans le sens d'ouverture de l'écoutille.
7) Tests de durabilité : Cycles de vie opérationnels du mécanisme de l’écoutille.
8) Exposition à un environnement corrosif : Simulation des conditions à l'intérieur de la cabine du module de commande pendant le vol (solution saline, oxygène, humidité et cycles de température).
9) Tests de résistance : Vérification de la charge ultime sur la boîte de transfert, les loquets, la tringlerie et les raccords du contrepoids.
10) Essai de choc : Soumission à une accélération de 70 g.

Le véhicule 2TV-1 est un module de commande Block II conçu pour être testé par la NASA dans sa grande chambre à vide thermique à Houston. De nombreux essais avec et sans équipage sont réalisés afin de valider les différentes phases d'une mission. Lors des tests simulant l'échauffement solaire avec l'écoutille ouverte pendant les activités extravéhiculaires, des variations de forme et de dimensions plus importantes que prévu sont observées. En conséquence, la procédure de montage est ajustée pour assurer des dégagements plus importants dans les zones critiques. Les véhicules 2S2 et 105 sont des CM Block II affectés aux essais de structure et de vibration, tandis que le véhicule 007A est utilisé pour tester la flottaison après amerrissage. L'écoutille monobloc (U.C.H.) n'a pas fait l'objet de tests indépendants, mais a été évaluée en conjonction avec l'ensemble du module de commande.

Deux véhicules Block I sont disponibles pour des vols d'essai non habités :

Apollo 4, envoyé en orbite terrestre, simule la rentrée d'une mission lunaire. Ce véhicule est équipé d'une ancien ensemble de trappes Block I, avec un joint thermique d'U.C.H. et un espace à la place d'un hublot.

Apollo 6 est une autre mission lunaire simulée, cette fois avec une nouvelle écoutille complète. La réussite de ces deux vols permet d'autoriser un vol habité en orbite terrestre, Apollo 7, suivi de Apollo 8, la première mission habitée en orbite lunaire. Lors de ces missions, l'écoutille monobloc, ainsi que l'ensemble du vaisseau spatial, fonctionnent parfaitement.

L'écoutille du tunnel d'amarrage

L'écoutille avant (ou d'amarrage) est un dispositif combinant une écoutille ablative et étanche, montée au dessus du tunnel d'amarrage (un cylindre de 80 cm de diamètre utilisé par les astronautes pour passer du CM au LM). Elle à un diamètre de 76,19 cm et pèse 36,28 kg. Le côté extérieur (ou supérieur) de l'écoutille est couvert de 1,26 cm d'isolant thermique et de Mylar. Une couverture en aluminium robuste renforçant l'isolation et protégeant les verrous, est installée afin de minimiser les risques de condensation et de formation de glace. Cette écoutille permet également une évacuation d'urgence après l'amerrissage.

L'écoutille dispose d'un verrouillage à six points actionné par une poignée (pompe), similaire à celle de l'écoutille principale latérale, mais nécessitant un seul mouvement pour ouvrir les verrous. La poignée est excentrée pour être facilement accessible à un membre d'équipage se tenant dans le tunnel. Elle fait partie intégrante de la boîte de réduction et peut être manipulée d'une seule main. Lors de son actionnement, la poignée prolonge ou rétracte les six verrous. La course de la poignée est d'environ 80°, mais la distance effective pour actionner les verrous est de 60°. La poignée est équipée d'un sélecteur à trois positions : L-N-U (Latch-Neutral-Unlatch pour verrouillage-neutre-déverrouillage).
Un mécanisme de verrouillage auxiliaire est prévu pour activer les verrous en cas de défaillance de la boîte de réduction ou de la poignée. Pour l'utiliser, la boîte de réduction est déconnectée et la bague tournée pour engager les verrous. Pour ouvrir la trappe de l'extérieur (côté LM), l'outil B est inséré dans l'orifice opposé à la boîte de réduction et tourné en sens inverse. La rotation totale nécessaire pour rétracter les verrous est de 167°, les premiers 30° servant à déconnecter la boîte de réduction. Deux prises sont fixées sur l'ablateur extérieur pour faciliter la manipulation.

Cette écoutille peut également être déverouillée de l'extérieur, mais elle n'est amovible que dans le compartiment de l'équipage. La bride renforcée sur l'anneau du tunnel avant, qui sert à assurer le joint de pression et à engager les loquets de verrouillage, empêche son retrait vers l'extérieur. Elle est équipée d'une valve d'égalisation de pression, permettant d'équilibrer la pression entre le tunnel et le LM avant de retirer la trappe. La valve fonctionne de manière similaire au clapet de mise à l'air libre de l'écoutille latérale. Il n'existe pas de système pour ouvrir les verrous manuellement en cas de défaillance du mécanisme. L'écoutille du tunnel avant comprend également en forme de lame, similaire à celui de l'U.C.H., qui s'intègre dans un joint en élastomère, lui même fixé circonférentiellement autour du tunnel avant.
Lorsque le côté extérieur de l'écoutille est exposé à des conditions de vide (par exemple, lorsque le CM n'est pas amarré au LM), la différence de pression à travers celle-ci sert à fournir un engagement positif de la lame dans le joint en élastomère ce qui en améliore les performances.
L'écoutille avant dispose également d'un joint thermique. Bien qu'il soit plus petit que celui de l'U.C.H., car l'environnement thermique au sommet de la partie conique du module de commande est limité, il reste suffisant pour faire face à la faible charge thermique dans cette zone. Le joint thermique est comprimé contre la paroi avant du tunnel près de la zone indiqué par le chiffre 7 (voir photo N&B ci-dessous).

Photo de l'écoutille avant du vol Apollo 17 avec annotations

Le saviez-vous ?? Jusqu'au 1er mars 1967 (date du document où a été trouvé l'info), il y avait 2 écoutilles avant, l'une pressurisée et la seconde faisant office de bouclier thermique.

Extrait du document PDF daté du 1^er mars 1967 "Apollo Operations Handbook Block II Spacecraft Volume 1 Spacecraft Description"

retour

Sources : Technical Memorandum 33-425 Proceedings of fhe 4th Aerospace Mechanisms Symposium (mai 22-23, 1969), Apollo Spacecraft New references 1968, NASA Tech brief 71-10095, Apollo 14 lunar photography august 1971. Textes traduits de l'anglais par Paul Cultrera, tous droits réservés.