Amarrage (astronautique)

Les techniques de rendez-vous et d'amarrage entre deux vaisseaux spatial sont mises au point quelques années après le début de l'ère spatiale (1957) dans le cadre de la course à l'espace entre les Américains et les Soviétiques. Cette compétition a été officiellement déclarée le 25 mai 1961 par le président des États-Unis John Kennedy, après que les Soviétiques aient envoyé le premier satellite artificiel (Spoutnik 1, 4 octobre 1957) et le premier homme dans l'espace (Gagarine, 12 avril 1961). Le défi lancé par Kennedy n'était rien d'autre que d'envoyer un homme sur la Lune avant la fin de la décennie. Ce programme ambitieux nécessitait du matériel important et des procédures complexes, en particulier l'assemblage de deux modules distincts : le module de commande, à bord duquel résidaient trois membres d'équipage, et le module lunaire, à bord duquel, parvenus en orbite lunaire, deux d'entre eux s'installaient, atterrissaient, effectuaient leur séjour et, revenus en orbite, s'amarraient au vaisseau-mère, à bord duquel ils revenaient sur Terre. Baptisé "Apollo", ce programme ne pouvait être mené d'emblée : il nécessitait un certain nombre d'essais préalables, menés durant la période 1965-1966 lors du programme Gemini.

Le 25 octobre 1965, une fusée Agena doit servir de cible au vaisseau Gemini 6, habité par deux hommes et devant être lancé peu après elle. Mais cette fusée explose six minutes après son décollage et la mission est reportée. Finalement, deux mois plus tard, Gemini 6 décolle et son équipage (Schirra-Stafford) réalise le tout premier rendez-vous spatial de l'histoire, en s'approchant à quelques centimètres du vaisseau Gemini 7 (occupé par Borman et Lovell) mais sans toutefois s'amarrer à lui, les deux engins n'étant pas équipés de pièces ad hoc.

Trois ans avant de devenir célèbre en marchant pour la première fois sur la Lune, Neil Armstrong réalise le premier amarrage dans l'espace.

Le premier amarrage spatial : Gemini 8 et Agena 8, en 1966.

En définitive, le premier amarrage est effectué le 16 mars 1966 par Neil Armstrong, commandant de la mission Gemini 8, entre son vaisseau spatial et la fusée-cible Agena 8. Mais à la suite d'un incident technique, l'astronaute doit désamarrer les deux engins et rentrer d'urgence sur Terre. D'autres amarrages sont effectués avec succès entre juillet et novembre 1966 (vols Gemini 10 à 12).

Le premier amarrage automatique est effectué le 27 octobre 1967 par les vaisseaux soviétiques Cosmos 186 et Cosmos 188 et le 16 janvier 1969 s'opére une jonction entre les vaisseaux habités Soyouz 4 et Soyouz 5. À cette occasion, deux cosmonautes de Soyouz 5 effectuent une sortie extravéhiculaire pour rejoindre Soyouz 4 et revenir sur Terre à son bord car il n'y a pas de tunnel de communication dans les colliers d'amarrage. Cette mission s'inscrit dans le cadre des préparatifs d'un programme de débarquement sur la Lune, un programme mené dans le plus total secret et qui ne sera révélé que des années plus tard. Il était envisagé qu'un cosmonaute marcherait sur la Lune avant les Américains, occupant seul un module lunaire, puis qu'il rejoindrait un collègue resté en orbite après une sortie extravéhiculaire, aucun tunnel de liaison n'étant conçu au centre des pièces d'amarrage[4].

Le programme soviétique est donc à la fois moins ambitieux et plus risqué que celui des Américains qui, eux, ont prévu un tunnel de liaison entre le module lunaire (LM) et le module de commande (CM), Ce qui signifie que les moonwalkers n'ont à effectuer de sortie dans l'espace qu'en cas d'incident empêchant la jonction, procédure testée en orbite terrestre en mars 1969 lors de la mission Apollo 9.

Les différents composants du système d'amarrage Apollo.

En définitive, le programme soviétique sera ponctué d'échecs et aucun Soviétique n'approchera la Lune tandis qu'au contraire les Américains mèneront le leur avec succès. De mai 1969 à décembre 1972 se déroulent huit missions emportant l'ensemble du train spatial. Les équipages procèdent à différents amarrages entre leurs modules. Tout d'abord au début des missions, quand le train spatial s'éloigne de la Terre et qu'il s'agit de retirer le module lunaire, logé au sommet du troisième étage de la fusée porteuse ; puis en orbite lunaire, après les séjours effectués sur la Lune et avant le retour sur Terre. À l'exception du début de la mission Apollo 14, en 1971, où le pilote Stuart Roosa éprouve des difficultés à amarrer le module de commande au module lunaire (lire), le système d'amarrage fonctionne parfaitement.

Au début des années 1970, s'engage une nouvelle compétition, celle des stations spatiales. Russes et Américains amarrent leurs vaisseaux (Soyouz et Apollo) à leurs stations spatiales respectives (Saliout, en 1971, et Skylab, en 1973). Comme ils en ont l'habitude, ils utilisent le système d'amarrage sonde-cône : le vaisseau habité est équipé d'un élément mâle (sonde) et le véhicule-cible d'un élément femelle (cône).

Schéma du premier système d'amarrage périphérique dit "androgyne", l'APAS-75.

En 1972, quand les Américains ont gagné la course à la Lune, une collaboration est décidée avec les Soviétiques et un vol commun est programmé. Le 17 juillet 1975, dans le cadre du vol Apollo-Soyouz, se déroule le premier amarrage entre un vaisseau américain (commandé par Thomas Stafford) et un vaisseau russe (commandé par Alexei Leonov). Les atmosphères des deux engins étant différentes, un module spécial a été construit pour faire fonction de sas, logé dans la soute de la fusée porteuse américaine. Par ailleurs le système sonde-cône étant connoté sexuellement et afin de ménager certaines susceptibilités, les deux vaisseaux ont été pourvus de pièces « hermaphrodites », le système APAS.

Sans réelle portée scientifique, l'événement est avant tout de nature politique : il met officiellement fin à près de vingt ans de compétition spatiale entre les deux pays. Pour autant, jusqu'à la fin de la Guerre froide, au début des années 1990, il restera sans lendemain : les deux nations vont continuer de mener séparément leurs programmes spatiaux.

Maquette grandeur nature de l'ensemble Apollo–Soyouz au National Air and Space Museum, à Washington DC.

Le 29 septembre 1977 est lancée la station soviétique Saliout 6, premier engin disposant de deux ports d'amarrage, un à chaque extrémité. Le 11 janvier 1978, Soyouz 27, lancé la veille, s'amarre à la station, à laquelle Soyouz 26 est fixé depuis un mois. Pour la première fois, trois vaisseaux différents sont assemblés en orbite. Le 22 janvier, soit six jours après le retour sur Terre de Soyouz 26, et à sa place, vient s'amarrer le vaisseau de ravitaillement Progress 1, de façon totalement automatique.

Le 19 février 1986 est lancée la station Mir. Elle ouvre une nouvelle voie dans l'histoire de l'astronautique car elle est équipée de six pièces d'amarrage : cinq disposées à l'une de ses extrémités, disposées autour d'un élément servant de nœud ; la dernière à l'autre extrémité. La station est assemblée d'avril 1987 (apport du module Kvant-1) à avril 1996 (apport du module Priroda), atteignant finalement une masse de 124 tonnes et permettant une occupation ininterrompue pendant douze ans et demi, jusqu'en 2001. Entretemps, les Américains se seront associés à son exploitation, huit astronautes y séjournant pour des vols longue durée, de mars 1995 à janvier 1998.

• Évolution de la station Mir de 1986 à 1996
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  février 1986 :
  module central
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  avril 1987 :
  Kvant-1
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  décembre 1989 :
  Kvant-2
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  mai 1990 :
  Kristall
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  juillet 1991 :
  poutre Sofora
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  mai 1995 :
  déplacement de Kristall
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  juin 1995 :
  Spektr
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  avril 1996 :
  Priroda

La navette spatiale Atlantis amarrée à Mir durant le vol STS-71 (image d'artiste).

Livraison par la navette américaine d'un module d'amarrage à la station Mir (vol STS-74).

En juin 1992, soit moins d'un an après l'écroulement de l'Union soviétique, la coopération entre Russes et Américains reprend aux termes d'un accord signé entre le président des États-Unis George Bush et le président russe Boris Eltsine.

Le 27 juin 1995, lors du programme soviéto-américain Shuttle-Mir et plus particulièrement de la mission STS-71, a lieu le premier amarrage entre deux vaisseaux de forts tonnages, la navette spatiale américaine Atlantis (pilotée par Robert L. Gibson) et la station orbitale Mir. Le 12 novembre (mission STS-74), afin de faciliter les opérations, un module d'amarrage, le Mir Docking Module, est livré par la navette américaine et fixé à la station Mir. Il est équipé d'un système androgyne APAS, comme pour le vol Apollo-Soyouz vingt ans plus tôt.

Le 25 juin 1997 survient le premier accident grave consécutif à une procédure d'amarrage : le vaisseau automatique Progress-M 34 entre en collision avec le module Spektr, de la station Mir, endommageant ses panneaux solaires et perforant sa coque. Celui-ci se dépressurisant, l'équipage (comptant l'Anglo-américain Michael Foale) est contraint de l'isoler du reste de la station.

La navette spatiale amarrée à la Station spatiale internationale.

En 1998 la coopération russo-américaine prend un nouveau tournant avec la création progressive de la Station spatiale internationale, projet américain auquel a été associé les russes pour faire face à la tourmente économique politique que traverse ce pays. Le 2 décembre 1998, l'équipage de la navette Endeavour (mission STS-88) procède à l'amarrage du module Unity au module russe Zarya, lancé dix jours plus tôt. Durant les années qui suivent, une multitude de navettes américaines et de Soyouz russes effectuent de multiples amarrages avec l'ISS : tout d'abord durant la phase de sa construction (laquelle n'est qu'une succession d'amarrages de modules) puis durant toute sa phase d'exploitation. À partir de ce moment, plusieurs engins automatiques de ravitaillement des équipages s'amarrent également à la station ; notamment les vaisseaux russes Progress et les vaisseaux européens ATV.

Pour assembler les modules non Russes, les Américains ont conçu un nouveau système d'amarrage, le "Common Berthing Mechanism" (CBM), qui permet d'installer entre les modules des écoutilles (en forme de carrés aux angles arrondis) de 1,27 m de côté, permettant par conséquent de faire circuler dans la station des racks particulièrement volumineux. Le module Unity, élément central de la station, est ainsi équipé de cinq ports CBM : quatre sur ses côtés, le dernier à son extrémité.

Un vaisseau automatique Dragon saisi par le bras télémanipulateur de l'ISS,
le Canadarm2.

Au fil de son exploitation, de nouvelles procédures d'amarrage sont expérimentées. Notamment, dans les derniers instants qui précèdent la jonction d'un vaisseau automatique, l'utilisation d'un bras télémanipulateur, le Canadarm2, à la place des traditionnelles rétro-fusées, pour éviter que ne se reproduise l'accident de Progress-M 34 sur la station Mir en 1997.

La station spatiale internationale constitue de très loin le plus grand des satellites artificiels. Mesurant approximativement 110 m de longueur, 74 m de largeur et 30 m de hauteur, elle comporte 13 modules pressurisés et sa masse est d'environ 400 tonnes. Cette performance a été rendue possible grâce à la succession des amarrages des différents modules au fil des années. Mais, pour cette raison même, elle n'est pas sans susciter quelques inquiétudes. En 2018, la NASA a exprimé le souhait de se désengager du programme après 2024[5]. La station pourrait alors être privatisée ou désorbitée. À partir du moment où il aura été décidé de l'abandonner, il sera nécessaire de réaliser son démantèlement par désamarrages multiples de sorte que les débris parvenant au sol soient de taille limitée et tombent dans des zones inhabitées. Ce qui nécessitera une importante logistique.

Diagramme du complexe Tiangong-Shenzhou.

En 2003, la Chine devient la troisième nation à envoyer un homme dans l'espace par ses propres moyens. En quinze ans (2003-2018), elle n'envoie que six vaisseaux habités (programme Shenzhou) mais à chaque vol, elle démontre qu'elle récupère son retard sur la Russie et les États-Unis. En 2011, elle expédie sa première station spatiale, Tiangong 1, et peu après, le vaisseau inhabité Shenzhou 8 vient s'y amarrer. Deux équipages l'occupent en 2012 et 2013.

Une seconde station, Tiangong 2, est lancée en 2016, rejointe successivement par un équipage (mission Shenzhou 11) puis par un cargo ravitailleur, Tianzhou. La Chine démontre ainsi qu'elle maîtrise les techniques d'amarrage, tant manuelles qu'automatiques.

• (en) James E. Oberg, « United We Orbit [Docking in Space] », Air and Space Magazine,‎ décembre 1996, p. 31-41 (lire en ligne)
• (en) Christopher Michael Jewison et David W.Miller, Guidance and Control for Multi-stage Rendezvous and Docking Operations in the Presence of Uncert, 2017, 269 p. (lire en ligne) — Thèse sur les opérations de rendez-vous orbital et d'amarrage
• (en) M.E. Polites, An Assessment of the Technology of Automated Rendezvous and Capture in Space, NASA, 1998, 62 p. (lire en ligne)
• Droit français : arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.

• Common Berthing Mechanism
• Module d'accouplement pressurisé
• International Docking System Standard
• Low Impact Docking System
• International Berthing and Docking Mechanism
• Rendez-vous spatial
• Système d'amarrage sonde-cône
• Système d'amarrage périphérique androgyne

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