L’équipage d’Artemis II subira 3 000°C lors de la rentrée. Un expert en hypersonique explique comment ils survivront
Artemis II crew will endure 3,000°C on re-entry. A hypersonics expert explains how they will survive
The high-speed, hypersonic and extremely hot re-entry is the last challenge the Artemis II crew will have to endure on their epic 10-day mission.
La rentrée, à haute vitesse, hypersonique et extrêmement chaude, est le dernier défi que l’équipage d’Artemis II devra endurer lors de sa mission épique de 10 jours.
After successfully completing their mission to the Moon, the Artemis II crew is about to return to Earth.
Après avoir achevé avec succès leur mission sur la Lune, l’équipage d’Artemis II est sur le point de revenir sur Terre.
The four astronauts set a new record for how far humans have travelled from Earth, reaching a maximum distance of 406,771 kilometres from our home planet.
Les quatre astronautes ont établi un nouveau record de la distance parcourue par l’homme depuis la Terre, atteignant une distance maximale de 406 771 kilomètres de notre planète d’origine.
Their journey back will culminate in a high-speed, hypersonic and extremely hot re-entry into Earth’s atmosphere before their spacecraft splashes down in the Pacific Ocean off the coast of California at roughly 8pm April 10 local time.
Leur voyage de retour culminera par une rentrée atmosphérique de haute vitesse, hypersonique et extrêmement chaude, avant que leur vaisseau spatial ne se pose dans l’océan Pacifique, au large de la côte de Californie, aux alentours de 20h le 10 avril, heure locale.
The re-entry will be the last challenge the crew will have to endure on their epic ten-day mission. It comes with many dangers – but their spacecraft is equipped with an array of technology to keep them safe.
La rentrée sera le dernier défi que l’équipage devra endurer lors de leur mission épique de dix jours. Elle comporte de nombreux dangers – mais leur vaisseau spatial est équipé d’un éventail de technologies pour les maintenir en sécurité.
A speedy re-entry
Une rentrée rapide
The Orion capsule carrying the Artemis II astronauts will be travelling at more than 11 km/s (40,000 km/h) when it reaches Earth’s atmosphere. This is 40 times faster than a passenger jet travels.
La capsule Orion transportant les astronautes d’Artemis II voyagera à plus de 11 km/s (40 000 km/h) lorsqu’elle atteindra l’atmosphère terrestre. C’est 40 fois plus rapide qu’un avion de ligne.
If we instead consider kinetic energy, which is the energy an object possesses due to its motion, upon re-entry the Orion capsule will have almost 2,000 times as much kinetic energy per kilogram of vehicle as a passenger jet.
Si nous considérons plutôt l’énergie cinétique, qui est l’énergie qu’un objet possède en raison de son mouvement, lors de la rentrée, la capsule Orion aura presque 2 000 fois plus d’énergie cinétique par kilogramme de véhicule qu’un avion de ligne.
Like any spacecraft returning home, it will have to slow down and reduce its kinetic energy to almost zero so parachutes can be deployed and it can land safely on Earth.
Comme tout engin spatial revenant chez lui, il devra ralentir et réduire son énergie cinétique à presque zéro afin que les parachutes puissent être déployés et qu’il puisse atterrir en toute sécurité sur Terre.
Spacecraft reduce their kinetic energy by performing a controlled re-entry through Earth’s upper atmosphere, where they use aerodynamic drag against the atmosphere as a brake to decelerate.
Les engins spatiaux réduisent leur énergie cinétique en effectuant une rentrée contrôlée à travers la haute atmosphère terrestre, où ils utilisent la traînée aérodynamique contre l’atmosphère comme un frein pour décélérer.
Unlike an aeroplane, which is generally designed to be aerodynamic and minimise drag forces to reduce fuel consumption, re-entering spacecraft do the opposite. They are designed to be as un-aerodynamic as possible to maximise drag and help them slow down.
Contrairement à un avion, généralement conçu pour être aérodynamique et minimiser les forces de traînée afin de réduire la consommation de carburant, les engins spatiaux en rentrée font le contraire. Ils sont conçus pour être aussi peu aérodynamiques que possible afin de maximiser la traînée et de les aider à ralentir.
This deceleration during re-entry can be extremely harsh.
Cette décélération pendant la rentrée peut être extrêmement brutale.
Deceleration and acceleration are generally discussed in g-forces – or “g’s” for short. This is the deceleration or acceleration force divided by the standard acceleration we all feel from Earth’s gravity. A Formula One driver will experience over 5 g’s while cornering, which is close to the maximum g-forces a human can sustain without passing out.
La décélération et l’accélération sont généralement discutées en forces G – ou « G » pour faire court. Il s’agit de la force de décélération ou d’accélération divisée par l’accélération standard que nous ressentons tous due à la gravité terrestre. Un pilote de Formule Un subira plus de 5 G en virage, ce qui est proche des forces G maximales qu’un humain peut supporter sans s’évanouir.
Small, uncrewed re-entry capsules such as NASA’s OSIRIS-REx capsule which brought back samples from asteroid Bennu, just barrel into the atmosphere and rapidly decelerate. These entries occur very quickly, in less than a minute. But g-forces in that case can be upwards of 100 – fine for robotic vehicles, but not for humans.
De petites capsules de rentrée non habitées, comme la capsule OSIRIS-REx de la NASA qui a ramené des échantillons de l’astéroïde Bennu, pénètrent simplement dans l’atmosphère et décélèrent rapidement. Ces rentrées se produisent très rapidement, en moins d’une minute. Mais les forces G dans ce cas peuvent atteindre 100 – ce qui est acceptable pour les véhicules robotiques, mais pas pour les humains.
Crewed vehicles such as NASA’s Orion capsule use lift forces to slow the entry down in time. This lowers the g-forces down to more manageable levels that humans can survive and makes re-entry last for several minutes.
Les véhicules habités, comme la capsule Orion de la NASA, utilisent des forces de portance pour ralentir la rentrée dans le temps. Cela abaisse les forces G à des niveaux plus gérables que les humains peuvent survivre et fait durer la rentrée pendant plusieurs minutes.
A very hot re-entry
Une rentrée très chaude
The Orion capsule will re-enter the atmosphere moving at more than 30 times the speed of sound.
La capsule Orion rentrera dans l’atmosphère en se déplaçant à plus de 30 fois la vitesse du son.
A shock wave will envelop the spacecraft, creating air temperatures of 10,000°C or more – about twice the temperature of the surface of the Sun.
Une onde de choc enveloppera le vaisseau spatial, créant des températures de l’air de 10 000 °C ou plus – soit environ le double de la température de la surface du Soleil.
The extreme heat turns the air that crosses over the shock wave into an electrically charged plasma. This temporarily blocks radio signals, so the astronauts will be unable to communicate during the harshest parts of their descent.
La chaleur extrême transforme l’air qui traverse l’onde de choc en un plasma électriquement chargé. Cela bloque temporairement les signaux radio, de sorte que les astronautes ne pourront pas communiquer pendant les parties les plus difficiles de leur descente.
Making sure it’s a safe re-entry
S’assurer qu’il s’agit d’une rentrée sûre
Spacecraft survive the extremely harsh re-entry environment through careful design of their trajectories to minimise heating as much as they can.
Les vaisseaux spatiaux survivent à l’environnement de rentrée extrêmement rude grâce à la conception minutieuse de leurs trajectoires pour minimiser le chauffage autant que possible.
The craft also carries a thermal protection system. It’s effectively an insulating blanket which protects the spacecraft and its crew or cargo from the harsh hypersonic flow occurring outside.
Le vaisseau porte également un système de protection thermique. Il s’agit en fait d’une couverture isolante qui protège le vaisseau spatial, son équipage ou sa cargaison du flux hypersonique rude qui se produit à l’extérieur.
The thermal protection system is tailored precisely for the vehicle and its mission. Materials that can take more heat are put on the surfaces where the environment is expected to be harshest, and thicknesses are precisely adjusted too.
Le système de protection thermique est adapté précisément au véhicule et à sa mission. Des matériaux capables de supporter plus de chaleur sont placés sur les surfaces où l’environnement devrait être le plus rude, et les épaisseurs sont également ajustées avec précision.
These materials are designed to glow red hot and degrade during the entry – but they will survive. The red-hot glow also radiates heat back out to the atmosphere instead of allowing it to be absorbed by the spacecraft.
Ces matériaux sont conçus pour luire de rouge vif et se dégrader pendant la rentrée – mais ils survivront. La lueur rouge vif rayonne également la chaleur vers l’atmosphère au lieu de la laisser être absorbée par le vaisseau spatial.
This precise design is how Artemis is to able to pass through air at 10,000°C while maintaining a maximum heat shield surface temperature of only around 3,000°C.
C’est grâce à cette conception précise qu’Artemis peut traverser l’air à 10 000 °C tout en maintenant une température de surface maximale du bouclier thermique d’environ seulement 3 000 °C.
Most spacecraft are protected by materials called ablatives. These are generally made out of carbon fibre and a type of glue known as phenolic resin.
La plupart des vaisseaux spatiaux sont protégés par des matériaux appelés ablatifs. Ils sont généralement fabriqués à partir de fibre de carbone et d’un type de colle connu sous le nom de résine phénolique.
These ablative heat shields absorb energy and inject a relatively cool gas into the flow along the surface of the vehicle, helping to cool everything down.
Ces boucliers thermiques ablatifs absorbent l’énergie et injectent un gaz relativement froid dans le flux le long de la surface du véhicule, aidant ainsi à refroidir le tout.
The ablative heat shield material used on the Orion capsule is called AVCOAT. It is a version of the material which protected the Apollo capsule when it returned from the Moon in the late 1960s and early 1970s.
Le matériau de bouclier thermique ablatif utilisé sur la capsule Orion est appelé AVCOAT. Il s’agit d’une version du matériau qui a protégé la capsule Apollo lors de son retour de la Lune à la fin des années 1960 et au début des années 1970.
While the Artemis I mission – an uncrewed test flight – was a great success, the heat shield ablation during re-entry was much larger than expected. Large chunks of material separated from the heat shield in some places.
Bien que la mission Artemis I – un vol de test sans équipage – ait été un grand succès, l’ablation du bouclier thermique lors de la rentrée a été beaucoup plus importante que prévu. De gros morceaux de matériau se sont séparés du bouclier thermique à certains endroits.
After lengthy inspections and analysis, engineers did decide to go ahead with the same type of heat shield on the Artemis II mission.
Après de longues inspections et analyses, les ingénieurs ont décidé de maintenir le même type de bouclier thermique pour la mission Artemis II.
They believe Artemis I lost chunks of its heat shield due to a pressure buildup inside the material during the “skip” part of its entry, where the spacecraft exited the atmosphere to cool down before performing a second entry where it landed.
Ils pensent qu’Artemis I a perdu des morceaux de son bouclier thermique en raison d’une accumulation de pression à l’intérieur du matériau pendant la partie « saut » de sa rentrée, où le vaisseau spatial a quitté l’atmosphère pour se refroidir avant d’effectuer une seconde rentrée où il a atterri.
For Artemis II, the engineers have instead decided to modify the trajectory slightly to still use lift, but include a less defined “skip”.
Pour Artemis II, les ingénieurs ont plutôt décidé de modifier légèrement la trajectoire pour toujours utiliser la portance, mais d’inclure un « saut » moins défini.
It is amazing to see what NASA and the astronauts have achieved on this mission so far. But like many others, I’ll be relieved when I see them welcomed safely home on Earth.
Il est incroyable de voir ce que la NASA et les astronautes ont accompli jusqu’à présent lors de cette mission. Mais comme beaucoup d’autres, je serai soulagé de les voir accueillis sains et saurs sur Terre.
Chris James receives funding from the Australian Research Council, the Commonwealth Defence Science and Technology Group, the US Office of Naval Research, and the US Air Force Office of Scientific Research.
Chris James reçoit un financement du Australian Research Council, du Commonwealth Defence Science and Technology Group, du US Office of Naval Research et du US Air Force Office of Scientific Research.
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