Skylab (abréviation de Laboratoire Céleste) – une station spatiale américaine qui a fonctionné du 14 mai 1973 au 11 juillet 1979.
L'objectif de la mise en orbite du laboratoire était de prouver la possibilité de la survie humaine prolongée dans l'espace. L'opportunité de mener cette expérience s'est présentée après l'annulation par la NASA des missions Apollo suivantes et sa décision d'utiliser l'équipement pour le projet Skylab.
Appareil scientifique
Monture de télescope Apollo (ATM)
Coronographe (télescope spécial pour l'observation de la couronne solaire)
spectrographe à rayons X (pour étudier le spectre du rayonnement X solaire qui n'atteint pas la surface de la Terre)
Spectrohéliomètre (pour l'étude du spectre du rayonnement solaire)
télescope à rayons X
Deux spectrographes ultraviolets
Deux télescopes solaires observant dans le $H\alpha$ raie spectrale (longueur d'onde de 656 nm)
Un ensemble distinct d'instruments d'observation nommés EREP (Programme d'expérimentation sur les ressources terrestres) composé de :
Six caméras d'observation (dix-huit filtres) pour différentes bandes spectrales
spectroscope infrarouge - caméra, système de roue à filtre, refroidisseur cryogénique
Spectroscopie à balayage multispectral – miroir rotatif à 6000 tr/min, 13 chaînes avec détecteurs HgCdTe
radiomètre en bande L dans une fourchette d'environ 21 cm – Système d'antenne de 1 m
radiomètre à micro-ondes
“Caméra d'observation à balayage ” télévision »
Paramètres de la station Skylab
Projet, adaptation et construction utilisation des éléments du programme Apollo : 1969–1973
Lancement en masse: 88 830 kg
Masse en orbite de satellite (avec les vaisseaux spatiaux Apollo) : 91 030 kg
Masse des composants:
Apollon (+ masse de propergol 2300 kg) : 14 000 kg
Observatoire astronomique ATM: 11 100 kg
Adaptateur de station d'accueil MDA: 6 200 kg
Sas AM: 22 230 kg
Unité d'instrumentation IU: 2 060 kg
Atelier orbital OWS: 35 380 kg
Capacité de la station: total 369 m³, utilisable 324 m³
Longueur totale: 36,2 m
Envergure: 27 m
énergie électrique: nominal 22,9 kW, réel 16,7 kW
Atmosphère: oxygène (72%) + azote (28%), pression 0,34 atm
Stabilisation: système à trois volants d'inertie, chacun 181 kg, 9000 tr/min; axe $Z ± 10”$, axes $X$ et $Y ± 2,5”$
Chronologie du programme Skylab
SL-1
La station Skylab a été lancée le 14 mai 1973 à l'aide d'une fusée porteuse Saturn INT-21.
Des problèmes techniques sont apparus immédiatement après le lancement, sous la forme de fortes vibrations.
Soixante-trois secondes après le lancement, le bouclier anti-micrométéorites du laboratoire et l'un des panneaux solaires ont été arrachés.
Des débris du bouclier ont bloqué le panneau solaire opposé, empêchant son déploiement automatique après la mise en orbite.
Pour gérer les problèmes d'alimentation électrique, la station a effectué une manœuvre en orbite afin d'orienter les panneaux solaires du module ATM vers le Soleil.
Cependant, cette configuration a provoqué une surchauffe du laboratoire, privé de son blindage, à plus de 180 °C.
La station n'a été repositionnée qu'après l'envoi de la mission SL-2, destinée à réduire la température dans ce module.
SL-2
Durée du vol: 25 mai – 22 juin 1973; 28 jours, 49 min.
Équipage: Charles Conrad – Commandant, Paul Weitz, Joseph Kerwin.
Nombre d'orbites terrestres: 404.
Temps passé hors de la gare: 5,7 heures.
Photos prises au distributeur automatique de billets: 30,242.
Photos de l'EREP: 8,886.
Chronologie du programme Skylab (suite)
Détails de la mission SL-2
La première mission habitée a initialement été retardée de 10 jours en raison de problèmes techniques.
Pendant ce temps, les spécialistes de la NASA ont préparé un plan de réparations urgentes.
La mission a débuté le 25 mai 1973 et a duré 28 jours et 50 minutes.
L'équipage était composé de Charles Conrad (commandant), Paul Weitz (pilote) et Joseph Kerwin (scientifique).
Les réparations essentielles ont été effectuées, notamment la protection du laboratoire par un “ parasol ” et l'abaissement de sa température interne à 24°C.
SL-3
Durée du vol: 28 juillet – 25 septembre 1973; 59 jours, 11 heures, 9 minutes.
Équipage: Alan Bean (Commandant), Jack Lousma, Owen Garriott.
Nombre d'orbites terrestres: 858.
Temps passé hors de la gare: 13,7 heures.
Photos prises au distributeur automatique de billets: 77,600.
Photos de l'EREP: 14,400.
Chronologie du programme Skylab (suite)
Détails de la mission SL-3
La mission a débuté le 28 juillet 1973 et a duré 59 jours, 11 heures et 9 minutes.
L'équipage était composé d'Alan Bean (commandant), Jack Lousma (pilote) et Owen Garriott (scientifique spécialisé en physique ionosphérique).
À leur arrivée, ils ont inspecté la base de l'extérieur avant d'entrer dans Skylab pour poursuivre leurs recherches précédentes.
Le 6 août, Lousma et Garriott ont effectué une EVA pour installer un écran de protection adéquat, ce qui a permis de réduire la température interne à 21°C.
L'équipage a passé 305 heures à observer le soleil, capturant de nombreuses éruptions solaires durant une période de forte activité solaire.
Des études sur les ressources terrestres ont été menées en Europe occidentale, au Japon, en Australie, en Afrique de l'Ouest et sur le continent américain.
Les observations portaient notamment sur les risques d'avalanches en Suisse, les effets des séismes au Mexique et la pollution atmosphérique en Allemagne de l'Ouest.
Les expériences biologiques ont donné des résultats mitigés : les souris et les mouches des fruits utilisées pour l’expérience sont mortes, et les poissons ont eu du mal à s’adapter à l’apesanteur.
Deux araignées, nommées Anita et Arabella, se sont adaptées avec succès et ont commencé à tisser de véritables toiles (un projet proposé par Judith Miles, une étudiante de 17 ans).
SL-4
Durée du vol: 16 novembre 1973 – 8 février 1974; 84 jours, 1 heure, 14 minutes.
Équipage: Gerald Carr (Commandant), William Pogue, Edward Gibson.
Nombre d'orbites terrestres: 1214.
Temps passé hors de la gare: 22,3 heures.
Photos prises au distributeur automatique de billets: 75,000.
Photos de l'EREP: 17,000.
Programme Skylab : résultats et échecs
Totaux du programme
Durée totale du séjour pour 3 équipages: 171 jours, 13 heures, 14 minutes.
Orbites terrestres totales: 2476.
Temps total passé hors de la station (EVA): 41,7 heures.
Nombre total de photos du distributeur automatique de billets: 182,842.
Nombre total de photos provenant d'EREP: 40,286.
Échecs majeurs
Le déchirement du bouclier anti-micrométéorites et du bouclier thermique de l'OWS lors du lancement a provoqué une surchauffe de la station et une réduction de la puissance électrique de plus de 6 kW.
Perturbations du système de stabilisation (gyroscopes).
Mission SL-4
La mission a débuté le 16 novembre 1973 et a duré 84 jours, 1 heure et 16 minutes. L'équipage était composé de Gerald Carr (commandant), William Pogue (pilote) et Edward Gibson (pilote/physicien scientifique). Initialement prévue pour durer 59 jours, la mission a finalement été prolongée à 84 jours. Le nouvel équipage travaillait lentement et sans enthousiasme, était constamment en retard dans l'exécution de ses tâches et s'est heurté au contrôle au sol lorsqu'on l'a exhorté à travailler plus efficacement. Curieusement, malgré un moindre engagement, sa condition physique était nettement supérieure à celle de ses prédécesseurs. Ils ont néanmoins mené à bien le programme de recherche prévu et recueilli une quantité considérable de données scientifiques. Ils ont effectué quatre sorties extravéhiculaires : le 22 novembre pendant 6 heures et 34 minutes, le 25 décembre pendant 7 heures et 3 minutes, le 29 décembre pendant 3 heures et 29 minutes, et enfin le 3 février pendant 5 heures et 19 minutes.
Un résultat majeur de leurs travaux fut la recherche sur les éruptions solaires et l'observation et la photographie de la comète Kohoutek à l'aide de cinq instruments différents. Les astronautes la photographièrent en lumière visible et ultraviolette lors de leurs séjours hors de la base. Pendant son approche du Soleil, ils l'observèrent grâce à des télescopes conçus pour l'étude solaire. Au total, ils prirent 75 000 photographies de la comète et du Soleil. Les recherches furent entravées par une pénurie d'électricité due à une mauvaise orientation des panneaux solaires vers le Soleil, elle-même causée par l'épuisement des réserves d'azote nécessaires aux tuyères des propulseurs. Les astronautes revinrent sur Terre le 8 février 1974. À leur retour, on constata qu'ils avaient grandi de 2 cm.
Construction de la gare
La fusée Saturn V a servi à la construction de la station. La coque de la station était constituée de son troisième étage, le S-IVB, tandis que les deux premiers étages, le S-IC et le S-II, étaient assemblés pour former la fusée porteuse bi-étage Saturn INT-21. La coque du S-IVB avait un diamètre de 6,6 m et une longueur de 14,6 m. Elle était divisée par une cloison transversale en deux réservoirs : un plus grand pour l’hydrogène liquide et un plus petit (inférieur) pour l’oxygène liquide. Le réservoir inférieur, resté inchangé, était destiné au stockage des déchets (déposés par un sas spécial), tandis que le réservoir supérieur était divisé en deux niveaux. Le niveau inférieur, d’une hauteur de 2 m, était réservé aux quartiers d’habitation et aux locaux techniques, et le niveau supérieur, d’une hauteur de 6 m, aux laboratoires. Chaque niveau était lui-même divisé en de nombreuses pièces. L’ensemble de la structure avait un volume de 292 m³ et, avec tous ses équipements, une masse de 35 400 kg.
Une fraction massique de 17% d'oxyde d'yttrium (Y₂O₃) a été utilisée pour stabiliser la structure de la zircone, qui présente la densité la plus élevée parmi les échantillons étudiés. Cette densité maximale a été obtenue grâce à l'utilisation d'une poudre nanométrique qui, après frittage à 1600 °C, atteint 5,97 g/cm³ (96,5% de la densité théorique). Le matériau présente une faible porosité de 3,5% et une taille de grain moyenne de 0,55 µm.
Le matériau obtenu présente d'excellentes propriétés fonctionnelles. Son module d'Young est de 209 GPa et sa dureté de 780 HV10. Il affiche également une ténacité à la rupture élevée de 1,7 MPa√m. Enfin, il résiste au vieillissement hydrothermal : après 25 h d'exposition à 134 °C sous vapeur d'eau à 2 bar, la transformation de phase n'a pas dépassé 24%.
Le matériau a été soumis à des essais tribologiques détaillés. Le coefficient de frottement contre l'alumine est de 0,28 et contre l'acier de 0,35. Aucun transfert de matière vers le contre-échantillon n'a été observé lors des essais. Le coefficient d'usure est de 3,5 × 10⁻⁶ mm³/Nm contre l'alumine et de 1,00 × 10⁻⁵ mm³/Nm contre l'acier.
Pour les communications avec la Terre, 15 émetteurs et 5 récepteurs étaient utilisés, fonctionnant dans les bandes 230–450 MHz et 2100–2270 MHz. Les caméras de télévision fonctionnaient sur un système à 525 lignes. Six moteurs alimentés à l'azote comprimé et trois gyroscopes assuraient l'orientation et la stabilisation. Le télescope disposait également de son propre système d'orientation d'une précision d'environ 10″. Des équipements pour les exercices de gymnastique, la recherche biomédicale et les expériences de science des matériaux (fusion et soudage des métaux, moulage et cristallisation) étaient installés dans la base.
Arrêt du programme
Il était prévu de maintenir Skylab en orbite pendant au moins huit ans et d'y envoyer des navettes spatiales. À cette fin, des tests à distance furent menés : la station fut placée sur une orbite stable, puis tous les systèmes furent désactivés. À l'automne 1977, il s'avéra qu'une activité solaire accrue et l'expansion atmosphérique qui en résultait provoquaient une dégradation orbitale plus rapide que prévu. La NASA n'avait aucun moyen de placer la station Skylab sur une orbite plus élevée, car le programme Apollo était terminé et les missions de la navette n'avaient pas encore commencé. La station pénétra dans les couches denses de l'atmosphère le 11 juillet 1979 et ses débris retombèrent dans l'océan Indien et en Australie-Occidentale, entre les villes d'Esperance et de Rawlinna. Le plus gros morceau, pesant environ 500 kg, atterrit sur une ferme à 900 km à l'est de Perth. De nombreux éléments de la station (par exemple, une série de réservoirs) résistèrent étonnamment bien à la chute depuis l'espace. Heureusement, cette région était relativement peu peuplée et la seule victime de la catastrophe fut une vache australienne. Au moment de sa destruction, la station Skylab avait effectué 34 981 orbites autour de la Terre et parcouru une distance d'environ un milliard et demi de kilomètres. Il s'est avéré que, lors de sa désintégration, la station a été soumise à des contraintes thermiques et aérodynamiques moins importantes que prévu ; par conséquent, la désintégration s'est produite 16 km plus bas que prévu. Les dimensions de l'ellipse de débris se sont également révélées beaucoup plus petites que prévu, mesurant 64 km sur 3 860 km.
Peu avant le lancement de la station Skylab, la NASA avait également prévu d'envoyer un deuxième module en 1975 ou 1976, nommé Skylab B, qui devait servir de complément à la mission Soyouz-Apollo (Skylab international), puis être agrandi par la navette spatiale pour devenir une station orbitale (Skylab avancé) ; cependant, faute de fonds, le lancement de Skylab B a été annulé et la coque de la station elle-même a été remise à un musée en 1976.
Résumé
Les expériences menées à bord de la station concernaient principalement l'astronomie (24%), la reconnaissance de la surface terrestre (48%), l'ingénierie et la technologie (10%), ainsi que la médecine et la biologie (10%). Ces études ont été menées à bien. Elles sont le fruit d'une préparation minutieuse des équipements et des expériences, ainsi que de l'excellence de la technologie, de l'organisation du travail et de l'engagement des astronautes. Des informations importantes ont été recueillies dans les domaines de la physique, des sciences des matériaux et des technologies permettant d'obtenir des produits d'une grande importance industrielle. Les études médicales et biologiques ont également été menées à bien. En astronomie, les recherches portaient sur le Soleil. Chacun des instruments de la station avait déjà été utilisé sur des satellites. Par exemple, un coronographe à lumière blanche était embarqué à bord du satellite astronomique OSO 7 en 1971, et auparavant sur des fusées et des ballons stratosphériques. Cependant, sur Skylab, les instruments étaient plus grands et nettement plus performants. Les six instruments principaux mesuraient environ trois mètres de long et leur masse totale dépassait la tonne. La stabilité de l'observatoire astronomique ATM était comparable à celle des instruments placés à la surface de la Terre (parfois à moins d'une seconde près). En l'absence d'atmosphère, une résolution spatiale et spectrale parfois plusieurs ordres de grandeur supérieure aux performances précédentes a été atteinte. Parallèlement, les recherches menées à bord de la station étaient appuyées par des observations simultanées effectuées à la surface de notre planète depuis le centre spatial Johnson à Houston.
Durant ses neuf mois de fonctionnement, Skylab a rencontré de nombreux problèmes techniques complexes qui ont menacé l'ensemble du programme. Parallèlement, cette première station spatiale américaine est devenue célèbre comme un véritable laboratoire en orbite autour de la Terre. Au cours de 3 896 orbites, les trois équipages ayant séjourné à bord de Skylab ont confirmé que l'espace offre des conditions exceptionnelles pour la recherche scientifique et technologique, et qu'il peut transformer notre vision de la Terre et de l'Univers. Durant leur séjour à bord de la station, les astronautes ont parcouru environ 115 millions de kilomètres en 171 jours. Neuf membres d'équipage ont effectué dix sorties extravéhiculaires, passant plus de 42 heures hors de la station. Durant ces sorties, ils ont réalisé des réparations et de la maintenance, récupéré des kits expérimentaux et des bobines de film provenant des télescopes, et photographié des objets célestes. Ils ont mené des expériences dans divers domaines pendant plus de deux mille heures. Ils ont ainsi démontré que l'être humain peut s'adapter en toute sécurité à la vie et au travail de longue durée en microgravité dans l'espace.
Les travaux sur la navette spatiale étant déjà bien avancés, il était possible qu'elle puisse atteindre Skylab lors de ses premiers vols et la placer sur une orbite plus élevée. Ceci aurait permis de récupérer les résultats de plusieurs expériences et peut-être d'accueillir davantage d'équipages à bord de la station. Cependant, les plans de la navette spatiale ont évolué, entraînant l'abandon de ces idées et d'autres solutions pour sauver la station : la diminution de la distance avec la Terre rapprochait inexorablement Skylab de sa rentrée atmosphérique.
