LE SYSTÈME ATTÉNUATEUR D'IMPACT DU CM

Lors de l'impact sur l'océan, la force de décélération du CM varie de 12 à 40 g, en fonction de la forme de la vague et de la vitesse horizontale au moment de l'impact. Les forces d'impact sur l'équipage sont réduites grâce au système d'atténuation à un niveau de tolérance acceptable. Une grande partie de l'énergie (75 à 90 %) est absorbée par la surface d'impact (l'eau) ainsi que par la déformation de la structure CM.

Composition

Le système d'impact est divisé en deux sous-systèmes : externe et interne.

Le sous-système d’atténuation externe se compose de quatre nervures (les "côtes" du CM), à l’extrémité de chacune desquelles est fixé un noyau écrasable en nid d’abeille, d’une longueur de 30,48 cm et d’une épaisseur de 10,15 cm. Ces noyaux sont constitués d’un réseau de cellules alvéolaires en aluminium, conçu pour absorber l’énergie en s’écrasant de manière contrôlée lors de l’impact, à l’image des zones déformables des véhicules modernes. Celles-ci sont situées dans le compartiment arrière du CM (entre les réservoirs de carburant, d'oxydant et l'emplacement de la connexion ombilicale CM-SM), entre la structure interne et la structure principale, à proximité de l'axe +Z. Au moment de la descente finale, la cabine est suspendue à un angle nominal d’environ 27,5° sous les parachutes principaux, afin de présenter en premier à l’impact la zone avant équipée du sous-système d’atténuation externe (jouant un rôle similaire à un train d’atterrissage), conçue pour absorber l’énergie lors du contact avec l’eau.

Une vue plus précise des nervures auxquelles sont fixés les nids d’abeille écrasables

La partie interne du système d’atténuation comprend huit jambes de force amortissantes (attenuation struts) reliant les couchettes d’équipage à la structure interne du CM. Leur fonction est d’absorber l’énergie du choc lors de l’amerrissage. Chacun de ces atténuateurs fonctionne par déformation plastique progressive.

Ce dispositif d’absorption d’énergie utilise des anneaux de réaction (reaction rings) en acier maraging à 18 % de nickel, tels que désignés dans la documentation NASA. Ces éléments sont organisés en ensembles répétitifs appelés éléments annulaires de travail (working ring elements). Chaque élément constitue un module fonctionnel composé d’anneaux de réaction, qui participent à l’absorption et à la dissipation de l’énergie d’impact lors de l’amerrissage par déformation plastique contrôlée, et de bagues de retenue (retainer rings) assurant le confinement, le positionnement et la stabilité géométrique de l’ensemble.

Chaque bracelet est ensuite enfilé sur le tube intérieur, qui sert d’axe central pour le roulement des anneaux. L’absorption d’énergie est réalisée en faisant rouler ces anneaux dans un espace annulaire contraint induisant un roulement déformant, ce qui provoque leur déformation progressive au fur et à mesure du roulement. Les anneaux peuvent rouler dans les deux sens sous condition de maintien en contact, permettant à l’atténuateur de fonctionner aussi bien en compression qu’en tension, et ce, quelle que soit position de la jambe de force amortissante. La charge de réaction est contrôlée en ajustant le nombre d'anneaux installés. À chaque extrémité du groupe d’anneaux, des bagues d’appui (bearing rings) à haute résistance, traitées thermiquement, maintiennent la concentricité des tubes et contrôlent la déformation des anneaux. La conception finale a été dimensionnée pour résister à une charge de seuil (breakout load) supérieure de 10 % à la charge nominale. La charge exercée pendant la course de l’atténuateur (stroking load) présentait une variation d'environ 5 % par rapport à la charge nominale. Ces jambes de force mesurent entre 86,4 cm et 99,1 cm (34 à 39 in) de long, avec un diamètre d’environ 6,3 cm (2,5 in).

Emplacement des 8 entretoises d'atténuation

Deux jambes de force amortissantes (axe Y‑Y) sont situées aux extrémités externes de l’ensemble des couchettes, fixées sur un longeron au niveau des hanches. L’extrémité du cylindre de chaque atténuateur est fermement fixée à l’assemblage des couchettes, tandis que l’extrémité du piston, qui contient un pied circulaire plat, vient simplement s'appuyer contre une plaque d'appui plate (panneau d’atténuation) fixée à la structure. Elles agissent donc comme des butoirs latéraux en compression uniquement

Deux jambes de force amortissantes (axe Z‑Z) sont fixées sous les longerons latéraux stabilisateurs des couchettes et à la cloison latérale arrière de la structure, juste en dessous de l’écoutille d’accès.

Quatre jambes de force amortissantes (axe X‑X) sont fixées sur la structure principale avant (apex) du CM et aux extrémités avant et arrière des longerons latéraux des couchettes. Celles-ci possèdent un mécanisme de verrouillage destiné à empêcher toute atténuation avant l’atterrissage, c’est-à-dire pendant les charges normales de vol. Après le déploiement des parachutes principaux et juste avant l’atterrissage, ce mécanisme de verrouillage est déverrouillé manuellement.

Vue en coupe d'une jambe de force amortissante par déformation cyclique

Montage photo d'une jambe de force amortissante des pieds, axe X-X. Photos originales : salle des vente RR Auction

Pour Apollo 10 et les missions suivantes, l’atténuateur cyclique de l’axe Z a été remplacé par un atténuateur cyclique combiné, qui associe un atténuateur cyclique classique à un dispositif à faible seuil d’activation (low-onset device). Ce dispositif se compose d’une tige mince, droite, lisse et relativement dure, d’une longueur de 46,45 cm et d’un diamètre de 9,5 mm, équipée de 76 rondelles espacées de 0,304 cm pour la course en tension, et de 26 rondelles espacées de 0,174 cm pour la course en compression. Afin de maintenir une charge constante lors du glissement des rondelles le long de la tige, le diamètre de cette dernière devait être maintenu à +0,012 mm, avec une variation maximale d’une extrémité à l’autre ne dépassant pas 0,0025 mm. Le matériau retenu pour cette conception était l’Inconel 718, un alliage relativement nouveau à base de nickel et de chrome, présentant d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques et de frottement. La tige a été traitée thermiquement pour atteindre une dureté de 40 Rockwell C, puis rectifiée et polie afin d’obtenir une finition de surface de haute qualité.

La pression de contact adéquate (« squeeze ») exercée par la rondelle sur la tige a été obtenue en usinant le diamètre intérieur de la rondelle 2,5 % plus petit que le diamètre de la tige. Les rondelles étaient dimensionnées avec un diamètre intérieur de 9,30 mm, un diamètre extérieur de 15,9 mm et une épaisseur de 1 mm. Leurs tolérances globales étaient maintenues à +0,025 mm.

Plusieurs matériaux ont été envisagés pour la fabrication des rondelles, mais seuls les aciers inoxydables 304 et 416 ont été testés. L’acier inoxydable 416 s’est avéré satisfaisant. Après usinage à partir d’un matériau de fabrication recuit, les rondelles ont été entièrement recuites, puis refroidies à un rythme adapté à ce type d’acier. Le recuit et le refroidissement devaient impérativement être réalisés dans une atmosphère de gaz inerte.

Vue en coupe d'un atténuateur cyclique combiné

Dispositif à faible seuil d’activation

La sélection et l’application d’un lubrifiant adéquat étaient également indispensables pour assurer le bon fonctionnement de cet absorbeur d’énergie, conçu comme un dispositif à friction. Plusieurs huiles et graisses ont été testées puis écartées en raison de fortes tendances au phénomène d’adhérence-glissement (stick-slip). Un lubrifiant sec en film pulvérisé a donné de bons résultats, avec une grande répétabilité.

Avant l’assemblage, la tige et les rondelles devaient être entièrement dégraissées au Fréon, puis manipulées uniquement avec des gants afin d’éviter toute contamination. Le lubrifiant devait être soigneusement pulvérisé sur la tige avant la pose de chaque rondelle, puis l’ensemble était à nouveau lubrifié avant d’être installé dans la jambe de force.

Les rondelles sont forcées sur la partie droite de la tige, ce qui provoque leur déformation plastique et maintient une pression constante sur la tige. Lorsque la rondelle est contrainte de coulisser le long de la tige, un frottement métal contre métal se produit, ce qui permet l’absorption d’énergie. La charge totale (ou énergie totale consommée) correspond à l’effet cumulatif de toutes les rondelles se déplaçant le long de la tige. Si des espaces sont laissés entre les rondelles, la charge augmente chaque fois qu’une rondelle est saisie et poussée le long de la tige. Ce chargement progressif produit une fonction de rampe approximative de la force appliquée, ce qui, pour une masse donnée, réduit le taux de début de décélération. Ainsi, le taux de début de décélération d’une masse peut être contrôlé en sélectionnant l’espacement des rondelles, et l’amplitude de la décélération, en choisissant le nombre adéquat de rondelles. Cet effet de chargement progressif n’a lieu que lors de la course initiale de l’atténuateur, qui redevient ensuite un atténuateur cyclique de niveau inférieur pour les courses ultérieures.

Comme une charge réversible sur l’axe Y pour le véhicule Block II n’était pas nécessaire, le même atténuateur de type nid d’abeilles utilisé lors de la mission Apollo 7 a été conservé pour toutes les missions.

Lorsque le module de commande entre en contact avec l'eau, les dispositifs d’atténuation internes (système d'absorption d'énergie) se compriment, permettant à la structure des couchettes de se déplacer sur une course contrôlée afin d’absorber l’énergie cinétique de l’impact. Cet espace de déplacement est vital : il permet de transformer un impact brutal en une décélération contrôlée, réduisant les charges subies par les astronautes à des niveaux compatibles avec la tolérance humaine, en fonction des conditions d’atterrissage.

En effet, les systèmes d’atténuation externes et internes limitent le mouvement de la structure des couchettes de l’équipage à l’intérieur d’une enveloppe de débattement définie (excursion envelope), comme illustré à la figure centrale ci-dessous. Selon les spécifications techniques de North American Aviation, cette enveloppe correspond aux limites de déplacement de la structure des sièges sous l’effet des charges d'impact. Sur l'axe principal (Z), ce débattement peut atteindre une valeur maximale définie.
Cette enveloppe définit un volume de dégagement contraint qui détermine strictement les dimensions des compartiments de rangement situés sur la cloison arrière (aft bulkhead). Les rapports d'expérience de la NASA (NASA TN D-7440) indiquent que ces casiers ne doivent pas empiéter sur ce volume. Tout dépassement de l’enveloppe par des équipements, ou toute entrave au mouvement, provoquerait un phénomène de "talonnement" (bottoming out), c'est à dire une mise en butée du système d’atténuation entraînant une décélération accrue et une augmentation critique des charges transmises au corps de l’équipage, pouvant provoquer de graves blessures.

La flèche bleue indique la direction du mouvement horizontal provoqué par le vent. Un impact contre une vague déplacerait les couchettes dans cette direction. Les repose-pieds et repose-jambes des couchettes soutiennent les pieds et les jambes des astronautes, de manière à absorber les forces de l’impact, qu’elles soient verticales ou horizontales. Les jambes de force amortissantes sont marquées à l'aide de flèches rouges indiquant leur extension due à l'impact

ATTENTION : Un équipement peut apparaître proche, voire situé à l’intérieur de l’enveloppe en configuration statique (schéma), sans pour autant interférer avec le volume de déplacement des couchettes en condition de charge. Schéma original (sans les casiers de rangement), document PDF "blk2_csm_design_slides_partial"

Clip montrant le mouvement de balancier des atténuateurs décrit dans la case de gauche (vidéo originale Hornet Museum)

Sources : PDF "Apollo Operations Handbook Block II Spacecraft Volume 1 Spacecraft Description" ; "Apollo Experience Report-Command Module Crew-Couch/Restraint and Load-Attenation Systems" ; "Apollo couch energy absobers par Clarence J. Wesselski and Ralph E. Drexel" ; "The shock and vibration bulletin november 1968 Bulletin 38 Part 3" ; United States Patent 3 603 433 Low onset rate energy absorber. Texte de Paul Cultrera, tous droits réservés.