Spacecraft Acoustic Laboratory

LE S.A.L. ou Spacecraft Acoustic Laboratory (Laboratoire d'acoustique pour vaisseau spatial)

La fluctuation aléatoire de la pression acoustique excitant le vaisseau spatial Apollo pendant le lancement et la phase de poussée n’est pas seulement sévère, mais elle varie également en fonction du temps de mission et de la position sur le véhicule. Afin d’obtenir la meilleure vérification possible de l’aptitude au vol du vaisseau spatial Apollo, il est nécessaire d’évaluer son comportement vibratoire sous des conditions acoustiques sévères représentatives du vol, au moyen d’essais au sol.

Sources de vibrations dans les véhicules spatiaux pendant le vol

Les quatre principales sources de vibrations des engins spatiaux (à des fréquences supérieures aux résonances fondamentales du corps du système vaisseau spatial/véhicule lanceur) pendant le vol sont :
(1) l'énergie vibratoire transmise par les systèmes de propulsion ou d'autres équipements embarqués ;
(2) les vibrations induites par des événements transitoires tels que l’allumage, la séparation des étages et les impacts d’amarrage ;
(3) les vibrations résultant du bruit du lanceur agissant sur la structure du vaisseau spatial pendant le lancement ;
et (4) les vibrations causées par l'excitation de la structure du vaisseau spatial par des fluctuations de pression externes d'origine aérodynamique.

Les mouvements associés aux modes de flexion du corps à basse fréquence du corps d'un véhicule spatial ou d'un lanceur complet sont généralement de moindre importance et ne sont pas considérés comme une source primaire de vibrations structurelles de forte intensité, en particulier aux fréquences élevées (c’est-à-dire au-dessus des résonances fondamentales du corps du système).

Le S.A.L.

L'objectif principal du S.A.L. ( Spacecraft Acoustic Laboratory) est de simuler un ou plusieurs des environnements rencontrés par un engin spatial en condition d'utilisation, comme c’est le cas pour toute installation expérimentale au sol. À l’aide de cette installation, l’expérimentateur peut étudier les vibrations d’un véhicule à l’échelle réelle ou d’un modèle réduit dans des environnements simulés, puis utiliser les résultats obtenus pour prédire les vibrations du véhicule réel dans des conditions de vol.

Le S.A.L. est installé dans une tour rectangulaire mesurant 32 m de hauteur, 18,29 m de profondeur et 21,34 m de largeur. Cette structure est composée d’une ossature en acier avec des panneaux en béton formant les parois extérieures, et elle est conçue pour accueillir un véhicule d’un diamètre maximal de 9,14 m et d’une hauteur maximale de 25,91 m.

Une porte de 12,19 m de hauteur et de 9,75 m de largeur permet l’introduction des différents modules composant le vaisseau spatial dans le laboratoire. Celui-ci est équipé d’un palan fixe de 75 tonnes, utilisé pour l’assemblage des composants modulaires d’un véhicule spatial ou pour suspendre un vaisseau pendant les essais. Un pont roulant de 5 tonnes est utilisé pour les opérations de manutention générale ainsi que pour la manipulation des conduits d’essai.

Des platesformes permanentes et mobiles sont disposées à différentes hauteurs : 4,57 m, 9,14 m, 13,72 m, 18,29 m et 22,86 m. Les plateformes mobiles, d'une largeur de 91 cm, entourent le véhicule d'essai. Un ascenseur de grande capacité permet l'accès du personnel et du matériel aux différents niveaux, ainsi qu'à la salle de contrôle adjacente. Les raccordements pneumatiques et électriques, les stations de communication ainsi que les cheminements de câbles d'instrumentation sont situés tout au long du laboratoire.

Deux modes d'essai sont disponibles dans le laboratoire : le mode primaire à ondes progressives et le mode secondaire à ondes progressives et réverbérantes.
Dans le mode primaire (ondes progressives), la surface exposée du véhicule d'essai est soumise à un champ acoustique contrôlé de forte intensité. Seize champs acoustiques distincts à ondes progressives sont dirigés vers le bas, au-dessus du véhicule, par des conduits séparés disposés autour de celui-ci.
La section transversale des conduits est réglable afin de permettre l'obtention des niveaux de pression acoustique spécifiés le long de l'axe longitudinal du véhicule d'essai. L'énergie acoustique est fournie par 16 sources de bruit, ou modulateurs d'air, chacun ayant une puissance de 10 000 watts acoustiques et étant contrôlé électriquement. Ces modulateurs d'air sont suspendus à la plate-forme supérieure de la tour et raccordés à des cornes de couplage, elles-mêmes reliés aux conduits.
Les modulateurs sont contrôlés indépendamment afin de permettre la programmation de la corrélation des champs acoustiques entre les conduits. Les 160 000 watts acoustiques générés par les modulateurs d'air produisent un niveau de pression acoustique (SPL - Sound Pressure Level) global de 169 dB à l'interface entre la corne et le conduit

Dans le mode secondaire (ondes progressives et réverbérantes), les conduits sont retirés des cornes et remplacés par des sections à extension évasée, qui assurent le couplage de l'énergie acoustique aux modes de réponse acoustique du volume de la chambre. Ainsi, la partie inférieure du véhicule est soumise à un champ réverbérant.
Les modulateurs d'air nécessitent un grand volume d'air comprimé (environ 764,55 m³ / min) fourni par un compresseur centrifuge (aussi appelé radial) à débit constant, entraîné par un moteur électrique de 4500 chevaux-vapeur. Ce compresseur est situé dans un bâtiment adjacent et prélève l’air dans la tour, formant ainsi un système en boucle fermée, le volume de la tour servant de plénum intermédiaire. Les collecteurs d’air sont reliés aux modulateurs par des conduites.

Contrôle et Instrumentation

L'équipement de contrôle, situé dans une salle adjacente à la tour acoustique, est composé de 16 canaux de commande et de puissance, un pour chacun des modulateurs d'air. Chaque canal comprend un générateur de bruit blanc électrique distinct, un conformateur en bandes de tiers d’octave pour une programmation aléatoire, ainsi qu'un amplificateur de puissance distinct de 3000 watts. Cela permet de produire une énergie acoustique non corrélée entre les conduits via aux modulateurs d'air séparés.

En préparation de la mission Apollo 7, première mission habitée du programme Apollo prévue pour octobre 1968, ainsi que des missions ultérieures, les ingénieurs doivent certifier le module de commande et de service (CSM) pour le vol habité. Une partie de cette certification consiste à effectuer des essais structuraux du véhicule. Les ingénieurs lancent une série d'essais de vibrations à basse fréquence sur le CSM 105 d'Apollo le 5 février 1968, dans le Spacecraft Acoustic Laboratory. Cette installation permet de soumettre le matériel de vol spatial à des environnements de vibrations et de chocs afin de vérifier que ses performances ne sont pas altérées par les conditions sévères du lancement. Le CSM 105, véhicule non habité configuré selon la conception du premier engin habité et équipé de trois couchettes d’équipage, est livré au MSC en décembre 1967, empilé sur un SLA (adaptateur du LM), puis installé dans le S.A.L. Le programme d’essais a pour objectif de démontrer l’intégrité structurelle du câblage, des circuits de fluide, de la structure secondaire et des sous-systèmes du vaisseau spatial sous des excitations simulées de bruit aérodynamique et de vibrations prévues en vol. De plus, les critères de vibration de la mission lunaire du CSM sont vérifiés et le mécanisme de l'écoutille unifiée — conception introduite à la suite de l'incendie d'Apollo 1 — est qualifié dans cet environnement vibro-acoustique.

Apollo CSM 105 en place dansla structure d'essai

Sortie de l'astronaute Gordo Cooper après un des tests

Lors de cette série d'essais, les ingénieurs réalisent un essai le 10 février 1968 avec l'astronaute Gordon Cooper à bord du CSM 105 d'Apollo. Des mannequins représentent les deux autres membres d'équipage supposés être présents lors des missions. L'objectif de cet essai est de déterminer si les membres d'équipage peuvent rencontrer des problèmes visuels pendant les vibrations à basse fréquence du lanceur Saturn V. Cooper effectue deux sessions d'une durée totale de 2 min 40 s au cours desquelles il exécute plusieurs tâches. Il indique n’avoir rencontré aucun problème durant ces essais. La seule anomalie structurelle observée pendant l’ensemble du programme est une jambe de force tordue dans le module de service. En conséquence, les procédures d’installation de cette entretoise sont modifiées afin d’éviter la répétition de ce phénomène lors d’un vol réel.

L'astronaute Gordon Cooper pendant l'un des test à bord du CSM 105 (source photos : groupe de discussions space hipsters sur Facebook