COLUMBIA, UN AN APRÈS Un résumé des événements La reprise des vols
Il y a maintenant un an, le 1er février 2003, une onde de choc traversait le monde entier à partir du Texas. Ce matin-là, la navette Columbia revenait sur Terre après une mission de 16 jours. Elle ne s'est jamais posée mais s'est plutôt désintégrée au-dessus de cet état du sud des États-Unis. Une vaste et coûteuse enquête débutait, pour se terminer le 26 août 2003 avec la publication du premier volume du rapport d'enquête de la CAIB (Commission d'enquête sur l'accident de Columbia).         Voici donc un résumé de la chaîne d'événements qui ont conduit à la destruction de l'orbiteur, monté à partir d'informations puisées en majorité dans les différents volumes du rapport d'enquête. Une bonne partie des données utiles à l'enquête ont été extraites d'un enregistreur à bande magnétique faisant partie du Modular Auxiliary Data System (MADS), aussi appelé OEX, et qui fut retrouvé au sol presque intact le 19 mars 2003, soit plus d'un mois et demi après la catastrophe. Visitez cette page sur Obsat pour des images de cet enregistreur.         Pour faciliter la compréhension du texte, il est conseillé de consulter cette page qui donne des détails sur la construction des ailes de la navette.   Note : Toutes les heures indiquées sont en HNE. Ajouter 6 heures pour l'heure de Paris.

Le commandant Rick Husband Le pilote William McCool	La spécialiste de mission 2 Kalpana Chawla La spécialiste de mission 4 Laurel Clark

Le spécialiste de mission 1 David Brown	Le spécialiste de mission 4 Michael Anderson	Le spécialiste de charge utile Ilan Ramon

        Même si l'accident s'est produit lors du retour sur Terre, il trouve son origine dans un événement qui s'est produit peu après le décollage le 16 janvier 2003. À T+81,7 secondes, alors que la navette filait à Mach 2,46 à 20 075 mètres d'altitude, un bloc de mousse isolante se détache de la rampe gauche du biped retenant le nez de l'orbiteur au réservoir externe.
 

Trajectoire simulée du bloc de mousse

        Les dimensions du bloc sont estimées à environ 60 x 38 x 13 cm. Il percute le dessous du panneau de bord d'attaque no 8 en CCR de l'aile gauche à une vitesse estimée à 875 km/h à T+81,9 decondes. Cette vitesse relative à l'orbiteur est dûe à la décélération rapide de la mousse à cause de sa faible masse. L'endroit où se situe cette mousse subit d'énormes pressions aérodynamiques et un échauffement important dû à la friction de l'air. Un tel décollement de la mousse de la rampe gauche a été observé à au moins sept reprises par le passé, donc cinq fois avec la navette Columbia (missions STS-32R, 50, 52, 62, 107).

        Pour valider le fait qu'une telle collision avec l'aile puisse produire des dommages importants, un essai de tir réel a été fait au Soutwest Research Institute du Texas en juillet 2003 à l'aide d'un canon à air comprimé qui a projeté un bloc de mousse de 760 g mesurant 14 x 29 x 57 cm sur un panneau en CCR prélevé sur la navette Discovery. Sur la navette Columbia, les études montrent que le trou produit par l'impact devait avoir une surface d'environ 515 cm carrés pour générer les effets observés lors de la rentrée dans l'atmosphère.
 

Meilleure estimation de la trajectoire du bloc de mousse	Résultat du tir sur le panneau no 8

      Un débris en orbite

        Après l'accident, le commandement spatial de l'US Air Force a étudié environ 3180 observations radar et optiques recueillies sur la mission STS-107. On s'est rendu compte qu'un débris de nature inconnue s'est éloigné de Columbia le lendemain de son lancement. Ce débris a été détecté la première fois à 15h57 le 17 janvier. On suppose qu'il serait un débris délogé de l'aile de la navette après une manoeuvre de celle-ci à 10h17 le 17. Son écho radar correpond, d'après des tests en laboratoire, à une pièce de CCR d'environ 900 cm carrés provenant du bord d'attaque de l'aile.

        Cette pièce a été observée au radar plusieurs fois en orbite avant sa rentrée dans l'atmosphère le 20 vers 23h45. Comme elle n'a pu être récupérée, cette pièce ne sera jamais positivement identifiée, mais tous les indices pointent vers un fragment de CCR produit par l'impact de la mousse sur l'aile et qui serait resté bloqué à l'intérieur de l'aile sous la pression aérodynamique. Une fois en orbite, et après s'être faite secouée par la manoeuvre de l'orbiteur, elle serait sortie de l'aile sans être aperçue par qui que ce soit.

        Toute la mission s'est déroulée normalement. Aucun indice ne laissait croire à la présence d'une brèche dans l'aile gauche. Les images filmées au lancement et montrant l'impact de la mousse ont été envoyées à l'équipage en orbite et personne ne s'en est vraiment préoccupé, à part quelques ingénieurs au sol. Ces derniers firent trois demandes pour obtenir des images de la navette en orbite afin de vérifier l'état de l'aile gauche, mais ces demandes furent rabrouées par les gestionnaires de la NASA.

        Les préparatifs pour le retour sur Terre se sont donc passés sans problème et sans se soucier du danger que courait l'équipage. Il faut comprendre qu'une fois la mise à feu de désorbitation effectuée, le retour en arrière n'est pas possible. Cette mise à feu de ses deux moteurs orbitaux a eu lieu à 08:15:30 et a duré 2 min 38 sec. Le ralentissement de 370 km/h (sur une vitesse de 25 000 km/h) ainsi imposé à la navette est suffisant pour la décrocher de son orbite et la faire descendre vers le sol sans autre propulsion. L'image ci-dessous représente l'endroit au-dessus de l'océan Indien où s'est produit la manoeuvre.

Pour la manoeuvre, l'orbiteur vole la soute vers la Terre et la queue vers l'avant. Il bascule ensuite pour se placer le nez vers l'avant mais incliné vers le haut (angle d'attaque) de 40 degrés. Sur une trajectoire descendante, l'orbiteur entre en contact avec l'atmosphère à une altitude de 122 km à 08:44:09 à l'endroit indiqué sur la carte ci-dessous. Remarquez que sa trajectoire prévue l'amène jusqu'au Centre spatial Kennedy en Floride. Dans le reste du texte, un chronométrage fait à partir du contact avec l'atmosphère est utilisé. Le moment de ce contact est désigné par IE pour interface d'entrée. IE+100 signifie 100 secondes après le contact avec l'atmosphère.

        Durant les six prochaines minutes, la collision des molécules d'air avec la navette à une vitesse de Mach 25 porte la température du revêtement du bord des ailes à 1 370 °C. Même si la densité de l'atmosphère est très faible, et que les forces aérodynamiques sont faibles, l'énergie dissipée par la navette qui ralentit provoque une onde de choc où la température peut atteindre plus de 5 000 °C. Heureusement, cette onde se tient assez loin de la protection thermique de l'orbiteur, ce qui fait que derrière cette onde, l'air est ralenti et la température reste dans des limites acceptables.

        Le malheur de Columbia était que son aile était percée. Le flux d'air autour de l'aile s'est trouvé modifié et de l'air brûlant pénétrait par une ouverture d'environ 25 cm de large sur le dessous du bord d'attaque, vis-à-vis le panneau no 8. A cet endroit, la température a vite excédé les 2 000 °C. Aucun matériau constituant le bord d'attaque ne pouvait résister. La détérioration de l'aile débuta donc tôt dans la rentrée. Ces effets ne furent cependant ressentis que plusieurs minutes plus tard.

        À 08:48:39 (IE+270), l'enregistreur du MADS a relevé qu'une jauge de contrainte mesurait une déflection anormale du longeron avant de l’aile gauche derrière le panneau en CCR no 9. C'était le premier signe d'une anomalie à être enregistré. Cette donnée, comme plusieurs autres après, n'était pas visible de l'équipage, ni des contrôleurs au sol. L'image ci-dessous, à gauche, représente le longeron avant de l'aile de Columbia vue de l'intérieur. La position de la jauge de contrainte est représentée par l'identification "Sensor 1". Le graphique à droite indique les déflections enregistrées par le MADS et comparées avec 3 missions précédentes.
 

Tout ce temps, l'air chaud qui entre dans le bord d'attaque de l'aile s'échappe par des fentes faites derrière les panneaux en CCR, à la limite des panneaux d'accès qui, eux, sont couverts de tuiles noires. Cet échappement d'air interfère avec l'écoulement naturel de l'air sur l'aile et provoque des températures anormalement basses sur la nacelle moteur gauche de l'orbiteur.

À 08:49:32 (IE+323) et à Mach 24,5 Columbia exécute un roulis à droite pour virer et dissiper de l’énergie. En fait, l'orbiteur n'effectue pas un réel virage mais est plutôt incliné sur son aile droite.

À 08:50:53 (IE+404) et Mach 24,1 la température est maximale et reste ainsi pour une dizaine de minutes.

À 08:53:26 (IE+557) et Mach 23, Columbia franchit la côte californienne. Altitude de 231 600 pi. (70,5 km)

Pendant ce temps, la première hausse anormale de température était enregistrée sur le devant du longeron de l’aile gauche derrière le panneau 9 de IE+290 à IE+493 (coupure abrupte).

      Le longeron avant fut percé par l’air chaud vers 08:52:16 (IE+487) derrière le panneau 8. Dans l'image ci-dessous à gauche, le cercle montre l'endroit où le trou s'est fait. Ce trou s’est ensuite agrandi pour couper les câbles des jauges qu'on aperçoit de haut en bas entre 08:52:16 et 08:52:51 (IE+487 et IE+522).
 

        L'image de droite montre le flux d'air chaud pénétrant l'intérieur de l'aile avec les vitesses d'écoulement telles que prédites par des modèles numériques. Les couleurs identifiés à gauche représentent la vitesse en milles à l'heure (1 mph = 1,6 km/h). Cet air brûlant aura vite fait de vaporiser la structure interne du tiers avant de l'aile faite de tubes d'aluminium (image ci-dessous, pièces en rouge). Mentionnons que l'aluminium fond autour de 650 °C.

Entre 08:52:29 et 08:53:19 (IE+500 à 550), plus de 70 % des 150 câbles électriques longeant le puits de roue gauche sont sectionnés par la chaleur.

Entre 08:52:59 et 08:53:31 (IE+530 à 562), 4 jauges de température hydraulique de l’élevon intérieur gauche ont flanché. Les données de ces jauges étaient transmises au sol. C'était là le premier indice transmis au contrôle de mission et qui fut remarqué par l'officier des systèmes mécaniques, d'entretien et de support à l'équipage (MMACS officer). Ce dernier rapporta la perte des jauges au directeur de vol à 08:54:24.

08:53:46 (IE+577) : Première observation rapportée d’un débris se détachant de la navette. Quatre autres débris seront observés dans les 23 sec suivantes par des amateurs prenant des photos ou des images vidéos. Puis, neuf autres débris sont observés entre 08:55:07 et 08:56:11.

L’air chaud pénètre le puits de roue gauche à 08:56:16 (IE+727) par un trou qui s'est fait dans la paroi le séparant de la structure de l'aile. Le Contrôle de mission remarque alors la hausse de température dans un circuit hydraulique, mais sans savoir pourquoi. L'air chaud va ressortir par le contour de la porte du puits de roue sous l'aile en endommageant les tuiles autour.
Image détaillant le parcours de la chaleur dans l'aile.

À 08:56:30 (IE+741), Columbia amorce son roulis prévu vers la gauche à Mach 20,9 et 219 000 pi (66,8 km) qui est complété à 08:56:55.

Les dommages s’accroissent dans le puits de roue. L’extérieur de l’aile est endommagé (bord d’attaque et dessus percé), la traînée augmente vers la gauche, l’ordinateur de bord cherche à compenser par un mouvement des ailerons. L'air qui s'échappe du dessus de l'aile vient percuté la nacelle moteur gauche, entraînant une forte hausse des températures sur la protection thermique.

À 08:58:56, des débris se détachent de l’aile, ce qui provoque une nouvelle compensation des ailerons. Toutes les jauges du puits de roue sont perdues. Au même moment, un message interrompu du commandant Husband parvient à Houston disant : « And, uh, Hou… »

        Vers 08h59, l’équipage de Columbia voyait les premiers signes d’anomalies sur leurs instruments. Houston communiquait alors : « And Columbia, Houston, we see your tire pressure messages and we did not copy your last call. »

À 08:59:32 (IE+923), Mach 18,1 et 200 700 pi (61,1 km), Husband envoya un ultime message qui fut coupé : « Roger, (mot coupé)… »  En même temps, la télémétrie était perdue (transfert d’antenne de communication prévue). Cette perte qui devait être momentanée, dura une trentaine de secondes à cause de l'attitude de l'orbiteur qui changeait et du flux de particules d'aluminium vaporisé qui se dégageait de l'aile et qui coupait le signal radio. Le signal faible de télémétrie a continué pendant encore 5 secondes (décodé après l’accident), avant d’être interrompu pour 25 secondes.

À 09:00:02, un dernier 2 secondes de télémétrie était transmis. Tous les systèmes de la navette fonctionnaient normalement à l’exception des 3 circuits hydrauliques de l’aile gauche qui n’avaient plus de pression, présumément à cause de la rupture des conduites d'huile hydraulique sous l'effet de la chaleur.

Un premier gros débris se détache à 08:59:47, probablement le dessus de l’aile.
Deux autres gros débris se détachent à 09:00:03. Il pourrait s’agir des élevons et/ou du bout de l’aile.

La désintégration complète débute à 09:00:18.
L’enregistreur du MADS cesse de fonctionner à 09:00:19,44.

        L'orbiteur était incliné sur son aile gauche avant de perdre des pièces de cette aile. Quand l'aile est partie en morceaux, Columbia a effectué un tonneau sur la gauche provoqué par la poussée de son aile droite toujours intacte. L'orbiteur s'est retrouvé en position inversée avec son flanc gauche face au vent. L'air brûlant a pénétré la structure interne de l'aile gauche alors exposée, a ensuite traversé jusque dans l'intérieur de l'aile droite en même temps que le fuselage se fracturait du côté gauche sous l'effet des forces aérodynamiques, en arrachant les portes de la soute cargo en fibre de carbone.

        Le fuselage s'est ensuite sectionné à l'extrémité arrière de la soute. Celle-ci et son contenu se sont désintégrés progressivement vers l'avant jusqu'à ce que la cabine s'en détache. La partie avant du fuselage se serait détachée à 09:00:20,6 de façon assez nette comme ce fut le cas lors de l'explosion de la navette Challenger en janvier 1986. La cabine aurait poursuivi sa trajectoire relativement intacte tout en étant soumise à des températures anormalement hautes. Les recherches effectuées lors de l'enquête prévoient que l'air chaud a perforé la cabine vers 09:00:50, soit trente secondes après la destruction de l'orbiteur, provoquant une dépressurisation, si ce n'était pas déjà fait.

        Sept secondes plus tard, s'amorçait la désintégration de la cabine elle-même (graphique ci-dessous) qui dura environ 24 secondes, sous l'effet de la chaleur extrême et des forces aérodynamiques, à une altitude qui est passée de 138 700 à 105 500 pieds (42 275 à 32 150 m). Sur les images vidéos, la cabine et les trois moteurs principaux de la navette sont les objets qui vont le plus loin et qui restent lumineux le plus longtemps. Ce sont d'ailleurs ces objets qui ont été trouvés le plus à l'est dans la traînée de débris au sol.

        Une page spéciale est consacrée à ce qui est arrivé à la cabine et à l'équipage de Columbia.

        La Commission d'enquête sur l'accident de Columbia (CAIB) a été créée le 2 février 2003 et est issue de l’International Space Station and Space Shuttle Mishap Interagency Investigation Board. La création de cet organisme était prévu dans les procédures mises en vigueur suite à la tragédie de Challenger. Composée au départ de dix membres, cette Commission d'enquête fut dirigée par l'amiral à la retraite Harold W. Gehman Jr. (Avis : Le site web de la CAIB cessera malheureusement ses activités le 1er février 2004).

        L'enquête a débuté le 3 février, puis trois membres se sont ajoutés à la Commission. Le premier volume de son rapport final a été présenté à la NASA et au public le 26 août 2003. Les cinq autres volumes furent publiés le 28 octobre et contiennent des documents de référence ayant permis d'établir les faits et recommandations contenues dans le volume un. Tous ces volumes sont disponibles sur le site de la CAIB en format .pdf. Vingt-neuf recommandations furent émises, dont 15 essentielles à la reprise des vols. La NASA s'est engagée à les respecter toutes.

        Voici la conclusion officielle à laquelle sont arrivés les membres de la CAIB sur les causes de l'accident :
La cause physique de l’accident est une brèche (estimée à environ 80 po carrés) faite dans la protection thermique du bord d’attaque de l’aile gauche. Cette brèche a été causée par l’impact d’un débris de mousse isolante qui s’est détaché de la rampe gauche du bipied du réservoir externe et qui a frappé la moitié inférieure du panneau en CCR no 8 de l’aile 81,9 secondes après le lancement.

        Pendant cinq mois, de février à juin, s'est déroulé la plus grande opération de recherche de débris jamais entreprise dans le monde. Chaque pièce retrouvée pouvait s'avérer cruciale dans la compréhension de la chaîne des événements ayant amener la destruction de Columbia. Voici quelques statistiques sur cette recherche en sol américain :
25 000 personnes ont participé aux recherches.
1,5 millions d’heures cumulées.
2,3 millions d’acres de terrain fouillé.
305 millions US$ de financement à part les ressources de la NASA.
50 000 $ remboursés en réclamations pour dommages à la propriété liés à la chute de débris.

Au 30 juin 2003 :
83 900 débris ramassés en 5 mois.
Masse totale de 84 900 lb (38 % de la masse de l’orbiteur).
40 000 pièces non identifiées.
27 remorques utilisées pour le transport.
Tous les débris étaient transportés à la base de l’Air Force de Barksdale en Louisiane, puis au centre spatial Kennedy en Floride dans un hangar réaménagé.

        Voici une carte du Texas montrant la dispersion des débris au sol (points noirs) :

Auteur : Daniel Deak
Première publication : 31 janvier 2004
Dernière mise à jour : 1er février 2004

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