EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Description d’une possible station spatiale rotative en L1 Terre-Lune

Je vous ai dit la semaine dernière qu’une station spatiale localisée au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune pourrait être très utile pour notre évolution future dans l’Espace. Je vous décris aujourd’hui comment je vois cette station : structure (tore et axe central), relations entre le tore et l’axe central (tubes et jonction partie mobile – partie fixe).

Structure de la station :

Le tore

Il est en rotation, tenu par quatre tubes rayonnant de l’axe immobile situé au centre de gravité de la station :

Pour avoir dans le tore une gravité de 0,5g en raison d’une vitesse de rotation de 2 tours par minute (tpm), il faut une distance du tore au centre de 112 mètres. Pourquoi 0,5g et pas plus ? Parce que cette gravité permet aux êtres humains et à leurs robots d’avoir un comportement ‘normal’ (comme sur Terre), qu’elle permet une mécanique des fluides à peu près normale et qu’elle n’est pas trop éloignée de la gravité martienne ou lunaire. Pourquoi pas plus de 2 tpm ? parce qu’on limite ainsi la difficulté de la relation entre le tore et l’axe fixe, et qu’on limite fortement l’effet de la force de Coriolis (qui induit la perte de la verticalité). Le résultat d’une telle distance est que le gradient de gravité entre tête et pieds pour une personne de 180 cm, est réduit à moins de 2% (exactement 1,6%), ce qui est très supportable. Le seul problème est la longueur des axes de liaison et celle du tore. 112m de rayon impliquent 703m de circonférence. Il faut du temps pour les parcourir à pied et la masse qui ‘va avec’ est importante. C’est certes un maximum mais il est nécessaire si l’on veut ne pas avoir un nombre de tpm supérieur, un gradient tête/pieds plus élevé et une gravité dans le tore, plus faible. Détail non insignifiant, 0,5g au lieu de 1g atténue la gravité des impacts de chutes (d’objets ou de personne). La mise en rotation peut être créée par quatre petits moteurs à propulsion (énergie électrique et expulsions de xénon), accrochés à l’extérieur du tore, chacun à la hauteur d’un tube de liaison (pour un maximum de sécurité). Leur direction pourra être inversée en cas de besoin de freinage.   

A l’intérieur, la pression atmosphérique sera de 0,5 bar pour limiter le différentiel de pression intérieur/extérieur. De ce fait, le taux d’oxygène sera monté à 42% pour conserver la quantité de 21% d’une atmosphère terrestre ‘normale’ (à 1 bar).

Le tore est une succession de tubes soudés entre eux de 4 mètres de diamètre (Station ISS 3,5m à 4m) et de 10m de longueur. Il a un plancher et un plafond, les vecteurs d’électricité et les fibres de communications courant dans les plafonds, la plomberie porteuse des fluides y compris caloporteurs de chaleur, courant dans le plancher (avec un système de pompage). Le diamètre de 4m est nécessaire pour avoir un vrai confort ; les passagers en auront besoin si loin de la Terre. Il est aussi nécessaire pour prendre en compte le ‘mur d’eau’ (20 cm d’épaisseur) dont on a besoin pour limiter les radiations (j’en parlerai plus tard). Des ‘cupolas’ sphériques (6 mètres) pourront être insérées, tous les 40 mètres, pour limiter la sensation d’enfermement, former un volume convivial, et pouvoir surveiller visuellement le centre. Des doubles portes coupe-feu et de protection contre la dépressurisation sont placées (ouvertes) à la hauteur de chaque tube de liaison. Elles se ferment instantanément en cas de fuite d’air ou de hausse anormale de la température (et bien sûr, il y aura des extincteurs ‘partout’).

Le tore est avant tout un couloir. Il va desservir des modules de type Bigelow qui seront en alternance des lieux de vie privés (avec sanitaires) et des locaux fonctionnels nécessitant une gravité (épuration de l’eau, production d’oxygène par culture de spirulines, recyclage des matières organiques, production vivrière, etc). On peut prévoir un module Bigelow (volume 4m x 8m x 4m) pour chaque segment de tube de 10 mètres, avec une double porte d’accès dans le couloir et dans le module. Les modules privés et fonctionnels attachés au tore, devront être situés non dans le plan du tore mais en-dessous de ce plan. En effet, compte tenu de la rotation, l’accès latéral à partir du couloir se fera non par le fond extérieur du tore mais par le côté. Et il sera préférable de fixer les modules privés et fonctionnels du côté opposé au Soleil (voir ‘orientation’ la semaine prochaine). Un module Bigelow ‘sanitaires’ avec deux cabinets de toilette (hommes et femmes), sera placé à côté de chaque module cupola. A côté de chacun des 4 modules ‘chevilles’ (tenant le tube et le tore), il y aura à la place du module Bigelow, un petit véhicule de secours (avec réserve d’ergols), à utiliser pour rejoindre ou attendre un secours en cas de catastrophe général touchant la station. Ce véhicule pourra aussi servir de sas (dépressurisation et ouverture). Ces équipements sont nécessaires en raison de la dimension de la station (le sas principal, situé à l’extrémité de l’axe central, est trop éloigné et il ne peut y en avoir qu’un seul). Il y aura aussi à proximité de chaque module-cheville un dépôt /chargeur/atelier pour quelques robots humanoïdes (dépôt principal dans l’axe). La réserve d’eau sera tout autour du tore (20 à 30 cm). Outre les besoins normaux pour tout groupe humain (3 à 5 tonnes par personne), elle servira aussi de protection contre les radiations. On la renouvellera très peu (sauf pour remplacer l’eau noir éjectée) car elle sera recyclable dans plusieurs modules Bigelow du tore.

L’axe central :

La longueur totale de l’axe de la station sera de 88 mètres. Il sera composé de modules au-dessus et au-dessous du plan défini par le tore. Ces modules seront, selon la fonction, soit cylindriques, soit sphériques. On aura à la jonction des tubes et de l’axe, une sphère carrefour de 6m de diamètre.

Au-dessus de la sphère carrefour s’aligneront : un cylindre de 4m sur 8m, ‘storm shelter’, pour passer les tempêtes solaires, avec une protection intérieur de 50 à 100 cm (couche de polyéthylène et water wall); un cylindre de 4m de diamètre sur 2,5m de long pour des sanitaires (hommes et femmes); une sphère module sphérique ‘cupola’ (6m) avec hublots latéraux (pour agrément et surveillance)  ; un cylindre de 4m de diamètre et 6m de long pour expériences ou travaux en apesanteur, un cylindre de 4m de diamètre et 6m de long pour informatique/data center ; un cylindre de 4m et 6m de long pour les télécommunications, avec antennes périphériques pour les télécommunications (voir ci-dessous). La tête de ce dernier cylindre sera munie d’un ‘chapeau’ de protection thermique (voir la semaine prochaine).

Sous la sphère carrefour s’aligneront : un cylindre de 4m sur 6m de long, ‘logis’ principal des 20 humanoïdes Optimus de la station (stock, atelier, prises électriques) ; une sphère propulsion de 6m de diamètre avec dans l’hémisphère inférieur, 3 moteurs rétractables inclinés à 45° (de même poussée); cette sphère sera fermable en haut et en bas par des sas d’isolation ; un cylindre de 4m de diamètre sur 6m de long pour les réservoirs de xénon (propergol) ; deux cylindres de 4msur 6m pour le stockage (fret, provisions) ; une sphère de 8 à 10m pour le ‘docking’, avec 3 ports dont un pour un véhicule secours permanent ; un cylindre de 4m de diamètre sur 2,5m de long pour des sanitaires (hommes et femmes) ; en bout de l’axe, un cylindre de 4m de diamètre sur 6m de long avec sas (‘airlock’) pour EVA, comprenant scaphandres, MMU (Manned Maneuvering Units) et outils.

En dehors, le sas donnera accès immédiat à des rails de sécurité courant de module à module sur toute la station. Tous les modules de cet axe seront stationnaires (c’est-à-dire qu’ils ne seront pas en rotation comme le reste de la station). Cela est essentiel pour les antennes de communication, pour le docking et pour les EVA.

Relation entre le tore et l’axe central :

Les besoins contradictoires de rotation du tore et de stabilité de l’axe ont pour conséquence une jonction délicate entre les deux éléments, horizontaux et verticaux. La solution est de faire traverser la sphère carrefour par un tube de service vertical, fixe, diamètre 1,5m, reliant les deux parties, fixes, de l’axe. La sphère carrefour sera, elle, rotative et tournera autour de cet axe grâce à des roulements. Les 4 tubes du tore se connecteront à cette sphère (ils tourneront avec elle). Au niveau des jonctions axe/sphère, il faudra donc (1) des roulements à billes de grande taille (technologie spatiale déjà éprouvée) ; (2) des collecteurs tournants (slip rings) pour fluides, électricité et data ; (3) des joints rotatifs pour fluides (eau, air de ventilation) ; (4) des portes rotatives pour le passage des personnes (une des raisons pour ne pas tourner plus vite que 2tpm). Tout cela implique la lubrification et la surveillance de l’usure des joints (comme dans l’ISS).

Les tubes de liaison ont, comme le tore, un diamètre de 4 mètres. Il faut les voir comme des puits plutôt que des couloirs, du fait que la gravité plus grande dans le tore, entrainera une accélération de toute masse du centre vers le bas (c’est pour cela aussi qu’il vaut mieux limiter la gravité ‘au fond du puits’ à 0,5g). Ils bénéficieront de la même protection thermique et anti-radiations que le tore. Cette protection (sans panneaux solaires car il y en a suffisamment au-dessus des tores) sera à l’extérieur des tubes (sauf l’eau du water wall). A l’intérieur et sur toute la hauteur du puits, la circonférence sera occupée par un compartiment en anneau de 20 cm de large contenant l’eau et un volume en anneau de 30 cm de profondeur dans lequel courront tous les tubes de fluides d’usage et les fibres transportant l’électricité et les données. Il y aura aussi les pompes permettant aux fluides de descendre et de remonter du tore ainsi que la machinerie de l’ascenseur. Dans l’espace restant (un peu moins de 3 mètres de diamètre), il y aura dans trois tubes sur quatre, une plateforme d’ascenseur. Cet ascenseur ira du sol du tore jusqu’à une distance de 5 mètres de la sphère carrefour. En effet, avec 2 tpm on n’atteindra la gravité de la lune (0,16g) qu’à 35 mètres du centre ; le fond du ‘palier’ ne sera donc qu’en gravité très légère (0,04g). Ce ne sera pas une gêne pour accéder à la sphère en sortant de l’ascenseur mais évitera les encombrements dans la sphère (on peut prévoir un filet pour éviter la chute lorsque l’ascenseur n’est pas là). Le quatrième tube sera équipé d’un escalier tournant (sortie de secours). Il pourra être complété par une plateforme de la largeur des marches se déplaçant perpendiculairement aux parois du tube.

Comme le tore est massif, les tubes de liaison également longs et qu’il y aura des ajustements de trajectoire, il est prudent de prévoir un renforcement de la stabilité du tore. Malheureusement, il n’est pas possible de créer davantage de tubes de liaison (masse des tubes, diamètre de la sphère centrale). Une solution est proposée par le physicien Emmanuel de Survire dans son livre, ‘Ni monde ni étoiles’ : des haubans reliant les modules chevilles entre eux et avec l’axe central.

Je vous parlerai la semaine prochaine de l’orientation de la station, de son environnement radiatif et de ce qui en découle : la collecte d’énergie et la protection contre la chaleur et les radiations.

Illustration de titre: schéma réalisé avec claude.ai

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