L'astronaute Clay Anderson examine un carrousel contenant des échantillons de matériaux en vue d'une expérience de détection de fumée à bord de la Station spatiale internationale. Crédit :NASA
Ce qui avait été une mission paisible et productive pour les six hommes à bord de la station spatiale russe Mir, dont l'astronaute américain Jerry Linenger, est presque devenu un cauchemar tragique dans la soirée du 24 février, 1997. Une cartouche de lithium-perchlorate, conçu pour générer de l'oxygène via une réaction chimique, s'enflamme soudainement lorsqu'il est activé. Bien que l'incendie ait été rapidement maîtrisé, un dense, une fumée menaçante pour la vie - différente en forme et en mouvement de son homologue lié à la gravité sur Terre - a rapidement rempli la station. Le fait d'être confiné dans une zone limitée à 360 kilomètres (224 miles) au-dessus des pompiers les plus proches a rendu la situation encore plus précaire. "Vous ne pouvez pas simplement ouvrir une fenêtre pour aérer la pièce, " a commenté le cosmonaute Aleksandr Lazutkin dans un rapport de la NASA sur l'incident.
Heureusement, La pensée logique et l'action rapide de l'équipage du Mir ont limité l'impact de l'incendie et ont empêché toute blessure ou complication liée à la fumée. Mais les leçons apprises ce jour-là n'ont pas été oubliées par la NASA. En collaboration avec le National Institute of Standards and Technology (NIST) depuis 2002, l'agence spatiale a étudié intensément le comportement de la fumée en microgravité comme fondement d'un développement rapide, méthodes sensibles et fiables pour le détecter pendant les vols spatiaux. Dans un nouveau papier en Journal de sécurité incendie ( FSJ ), une équipe de chercheurs de la NASA et du NIST décrit comment ils ont examiné les particules de fumée produites par cinq matériaux couramment utilisés à bord d'engins spatiaux avec équipage, défini leurs caractéristiques et évalué dans quelle mesure ils pouvaient être détectés par deux systèmes traditionnels.
Comme toutes les particules n'ont pas été détectées de manière cohérente, les chercheurs recommandent que « la prochaine génération de détecteurs d'incendie d'engins spatiaux doit être améliorée et testée contre la fumée des matériaux spatiaux pertinents ».
Détecter un incendie dans l'espace nécessite un processus très différent de celui sur Terre. Ici, la flottabilité, qui dépend de la gravité, fait monter les gaz chauds et fait s'étendre une flamme en une forme longue et pointue. Les particules de fumée montent également, c'est pourquoi nous plaçons des détecteurs au plafond. En microgravité, il n'y a pas de flottabilité, les flammes sont donc de forme sphérique, la fumée s'agrégeant souvent en grosses particules ou en longues chaînes qui se propagent dans toutes les directions. Par conséquent, les détecteurs de fumée de la Station spatiale internationale (ISS) et d'autres engins spatiaux modernes sont placés à l'intérieur du système de ventilation plutôt que sur une paroi de compartiment (il n'y a pas de "haut et bas" dans un engin spatial pour définir un plafond de toute façon.).
En outre, les matériaux à bord d'un vaisseau spatial qui pourraient devenir du combustible pour un incendie ne sont pas les mêmes que les combustibles potentiels dans les environnements terrestres. Cela signifie que la fumée générée par un incendie en microgravité peut également avoir des propriétés différentes selon la source, et ces caractéristiques doivent être prises en compte lors de la conception de détecteurs de fumée efficaces pour les véhicules avec équipage.
Quatre des cinq matériaux utilisés pour produire des particules de fumée lors d'expériences à bord de la Station spatiale internationale. De gauche à droite :cellulose (fibre de coton), Kapton (polymère pour l'isolation thermique), caoutchouc de silicone (pour les joints et garnitures) et Téflon (pour les fils isolants). Non illustré :Pyrell (mousse de polyuréthane pour l'emballage). Les fils conduisent l'électricité qui chauffe les échantillons et génère de la fumée. Crédit :Michael E. Newman/NIST
Définir scientifiquement les caractéristiques et le comportement des particules de fumée dans l'espace, La NASA et le NIST ont mené l'expérience de mesure de la fumée et des aérosols (SAME) à bord de l'ISS. Les résultats de cette étude à long terme sont discutés dans le nouveau FSJ papier.
SAME a étudié les particules de fumée produites par cinq matériaux couramment trouvés à bord des engins spatiaux :la cellulose, sous la forme d'une mèche de lampe en coton; Kapton, un polymère utilisé pour l'isolation thermique; Caoutchouc en silicone, utilisé dans les joints et les garnitures; Téflon, utilisé dans les fils isolants; et Pyrell, une mousse de polyuréthane utilisée pour emballer des articles pour survivre aux forces de lancement et de rentrée.
Les échantillons, enveloppé dans des filaments de fil, ont été chargés par un astronaute de l'ISS dans un carrousel rotatif enfermé dans l'une des boîtes à gants de la station. Un logiciel appliquerait ensuite un courant électrique aux fils pour chauffer les matériaux et produire de la fumée. La fumée a ensuite été "vieillie" dans une chambre pour simuler le temps qu'il faudrait pour s'accumuler dans un scénario d'incendie réel. Dans chacune des MÊMES courses, la fumée vieillie a été dirigée vers six appareils :un collecteur d'échantillons (pour l'analyse au microscope électronique sur Terre qui a défini la morphologie des particules de fumée), un compteur de particules, un détecteur de fumée commercial et un moniteur de masse utilisé pour mesurer la taille des particules, et deux détecteurs de fumée d'engins spatiaux différents, le modèle d'ionisation utilisé pendant le programme de la navette spatiale et le système photoélectrique maintenant à bord de l'ISS.
"En contrôlant et en modifiant trois facteurs :le taux de chauffage de l'échantillon, le flux d'air passant autour du matériau chauffé et l'âge des fumées générées, nous avons obtenu des données précieuses sur la fumée provenant d'une variété de conditions d'incendie possibles, " a déclaré Tom Cleary, un auteur sur le FSJ papier et l'ingénieur du NIST qui a calibré l'équipement utilisé dans SAME.
L'évaluation des performances du détecteur de fumée actuel de l'ISS a donné un résultat quelque peu troublant.
Une flamme de bougie dans la gravité terrestre (à gauche) et la microgravité (à droite) montrant la différence dans leur combustion. En gravité, la flamme est longue et pointue; en microgravité, c'est sphérique. Crédit :NASA Johnson Space Center
"Les grosses particules de fumée produites par la surchauffe de la cellulose, les échantillons de silicone et de Pyrell ont été facilement détectés par le détecteur photoélectrique à diffusion de lumière ISS, " a déclaré Marit Meyer, un ingénieur de recherche en aérospatiale au NASA Glenn Research Center à Cleveland, Ohio, et auteur principal sur le FSJ papier. "Toutefois, il a souvent échoué à détecter les plus petites particules de fumée de Teflon et Kapton, une grande préoccupation car les deux matériaux sont largement utilisés dans l'électronique, qui est la source la plus probable d'incendie et de fumée dans l'espace."
Meyer a ajouté que l'ancien détecteur à ionisation de l'ère de la navette spatiale ne s'en sortait que légèrement mieux pour la fumée de téflon.
« Considérant le large éventail de matériaux et de conditions de chauffage possibles dans un incendie d'engin spatial, ainsi que les complications dues aux aérosols de fond dans l'environnement de la cabine tels que la poussière, nous avons conclu qu'aucune méthode de détection de fumée actuellement disponible n'est suffisamment sensible pour détecter toutes les tailles de particules de fumée possibles, ", a-t-elle déclaré. " Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre comment les incendies se comportent en microgravité, et à son tour, la meilleure façon de les détecter le plus tôt possible, quel que soit le type de fumée qu'ils créent."
Aider à fournir ces connaissances est l'objectif de l'étude de niveau supérieur sur les incendies de la NASA, l'expérience d'incendie de vaisseau spatial, également connu sous le nom de Saffire. Lors de trois tests menés en 2016 et 2017, les cargos sans pilote de l'ISS à la fin de leurs missions ont été transformés en laboratoires d'incendie en orbite, complet avec sondes, capteurs, caméras et autres appareils sophistiqués. Les équipes au sol ont enflammé à distance les échantillons de carburant Saffire, suivi de l'avancement du test, et collecté les données d'incendie produites. Chaque expérience s'est terminée à juste titre avec le véhicule en train de brûler dans l'atmosphère terrestre.
Trois autres brûlages de Saffire sont prévus pour 2019 et 2020, qui comprendra également des mesures de particules de fumée. Comme avec SAME, Cleary du NIST étalonne tous les instruments à particules de fumée utilisés dans le programme.
