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Columbus, laboratoire européen de haute technologie bientôt dans l'espace

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Le laboratoire européen Columbus est actuellement en préparation aux Etats-Unis pour un lancement prévu dans tout juste un an. Le module a été intégré en Allemagne, mais son système de gestion informatique ainsi que le laboratoire Biolab ont vu le jour dans la « Ville Rose ».

Columbus attend son heure à Cap Canaveral

Avec le retour en vol de Discovery en juillet et le vol d'Atlantis en septembre, l'assemblage de la Station Spatiale Internationale (ISS) a repris, ouvrant la voie à un lancement du laboratoire Columbus à l'automne 2007. Au début du mois de juin, le module européen a été transféré à Cap Canaveral, en Floride, où il attendra d'embarquer à bord d'une navette spatiale pour rejoindre l'ISS et entamer sa mission. Début mai, l'ensemble de l'industrie européenne s'était réuni autour du laboratoire, chez EADS Space, à Brême, en Allemagne, afin de célébrer l'achèvement d'un développement marathon, dont le principe avait été décidé voici plus de 20 ans.

Lorsque l'Agence Spatiale Européenne a lancé les premières études sur le laboratoire Columbus, en 1984, l'Europe venait à peine de faire voler son premier laboratoire spatial habité, le Spacelab, à bord de la navette américaine. À la suite du succès de cette première incursion européenne dans le domaine du vol habité, c'est à l'équipe chargée de développer le système de gestion informatique du Spacelab qu'a été confiée la tâche d'imaginer son équivalent à bord de Columbus. A cette époque, il s'agissait des établissements de Matra Espace à Vélizy, près de Paris, et à Toulouse.

En passant du Spacelab à Columbus, la problématique de la gestion informatique changeait du tout au tout. Le premier, fruit de la technologie des années 1970 et installé dans la soute de la navette, était entièrement dépendant de cette dernière pour toutes les servitudes. De plus, il n'était conçu que pour des missions de deux semaines au maximum, au cours desquelles une série d'expériences clairement prédéfinies devaient être effectuées.

Pour Columbus, l'objectif est bien plus ambitieux. Le laboratoire doit rester opérationnel pendant 10 ans et recevoir quelque 500 expérimentations par an, dont certaines utiliseront des équipements multi-utilisateurs. Il doit aussi pouvoir s'adapter à l'évolution des conditions opérationnelles.

En réseau dans l'espace

L'intérieur de Columbus en cours d'intégration

Pour répondre à ces besoins, l'équipe française fait le choix d'une architecture informatique distribuée, une solution particulièrement innovante à une époque où les premiers micro-ordinateurs font leur entrée chez les particuliers, dix ans avant l'explosion de l'Internet.

« Il s'agit d'un réseau de type Ethernet, auquel des nouveaux utilisateurs peuvent se connecter et accéder à toutes les fonctionnalités informatiques », explique Yvon Choquer, responsable des activités ATV et charges utiles de l'ISS chez EADS Astrium. « C'était innovant au sol dans les années 1980, ça le reste dans l'espace encore aujourd'hui ».

La mission de ce DMS (Data Management System) est d'assurer l'ensemble des transmissions en réseau à l'intérieur de Columbus et vers le laboratoire américain Destiny, le stockage des données sur les disques durs ou les mémoires de masse, la connexion entre les ordinateurs portables et les expérimentations, la gestion des actuateurs dans les expérimentations, la télémanipulation en direct avec les laboratoires terrestres ainsi que la préparation des transmissions vers les équipements et les utilisateurs externes, par exemple pour le retour des données vers la Terre.

Pour Yvon Choquer, « à bord de Columbus, le DMS joue un peu le rôle du système opératoire (OS) dans un ordinateur. Il doit assurer le bon fonctionnement des équipements et la permanence du service. Ensuite des applicatifs viennent se connecter sur ce système, parmi lesquelles l'ensemble des expérimentations à bord du module ».

Pour raison de sécurité, le DMS est entièrement redondé et comporte une « partie vitale » qui surveille le système informatique lui-même et reprend le contrôle en cas d'anomalie pour assumer les fonctions les plus vitales - telles que la surveillance anti-incendie, le contrôle de température et de l'air ou les communications avec le laboratoire américain Destiny - et relancer le système.

Un système éprouvé

Le DMS-R a aidé au développement du DMS de Columbus

Le DMS représente à lui seul la moitié de la contribution industrielle française au module. Il est constitué de très exactement 252,7 kg de matériel réparti en une quarantaine d'équipements installés dans le plancher et une des parois de Columbus et surtout d'un logiciel d'environ 160 000 lignes de code en Ada et en langage C, plus adapté à la gestion des activités en temps réel. « Un tel volume de code pour un logiciel embarqué est énorme », note Yvon Choquer. « Pour le matériel, nous avons dû développer huit types d'équipements spécialisés dont des unités de communication, des mémoires de masse, des calculateurs et des unités de gestion de puissance électrique ».

Des éléments du DMS-R, un système de gestion informatique plus simple, destiné au module russe Zvezda, conçu par la même équipe en 1994 et lancé en 2000, ont été réutilisés pour le développement du DMS : « Nous avons repris quelques éléments du logiciel et certains équipements comme les calculateurs tolérants aux fautes ».

Après plusieurs années d'études sur des bancs d'essai, alors que le programme Freedom était profondément remanié plusieurs fois avant d'aboutir à l'ISS, la phase de développement du DMS proprement dite a débuté en 1996 à Toulouse. L'ensemble du matériel et du logiciel a été livré pour intégration sur le module en 2000. La qualification intervient en avril 2001. Depuis le DMS a été expérimenté avec les équipements de Columbus et a démontré sa fiabilité.

Si en 5 ans, les capacités de l'informatique domestique ont largement progressé, Yvon Choquer n'est pas inquiet du risque d'obsolescence du DMS, qui ne répond pas aux mêmes problématiques : « Certaines de nos capacités peuvent paraître ridicules par rapport à ce qui se fait aujourd'hui pour des équipements au sol, mais elles sont en parfaite adéquation avec les besoins du laboratoire. De plus, nous devons répondre à des contraintes très strictes en matière de fiabilité, de robustesse, d'alimentation limitée, de masse, de dégagements thermiques et de rayonnements électromagnétiques ».

Par ailleurs, la conception du DMS est modulaire et de nouveaux équipements pourront être ajoutés au réseau en fonction des besoins.

Le laboratoire de la vie

Le laboratoire Biolab

Autre équipement développé à Toulouse et intégré à bord de Columbus, le laboratoire Biolab, est destiné aux sciences de la vie. Sa maîtrise d'œuvre a été attribuée directement à EADS Astrium par l'ESA dans le cadre du programme de recherches en microgravité à bord de Columbus.

« Biolab représentait un sacré défi car c'est un équipement complexe où toutes les technologies se retrouvent : informatique, électronique, mécanique des fluides, robotique, structures et thermiques avec les réfrigérateurs » estime Yvon Choquer.

L'installation se présente comme une baie (un « rack » en anglais) de 580 kg intégrée dans une paroi de Columbus. Principalement conçue pour de recevoir des expérimentations entièrement automatisées ou télécommandées depuis la Terre, elle comporte un système robotique intégré qui se charge de toutes les manipulations, comme les transferts de liquides vers des refroidisseurs ou congélateurs, ou le transfert de spécimens pour analyse par microscope ou spectrophotomètre.

Le Biolab comporte également un incubateur capable d'assurer une température ambiante jusqu'à 40°C, une centrifugeuse capable de fournir des accélérations de 0,001 à 2 g, ou encore une « boîte à gants » (BioGlovebox) pour la manipulation directe des spécimens par l'astronaute expérimentateur.

Les expérimentations qui seront réalisées à bord du Biolab porteront essentiellement sur des cultures cellulaires, des tissus vivants, des végétaux ou des petits organismes, comme, par exemple, des embryons d'oursins. Les sujets expérimentaux seront placés dans des conteneurs standardisés dont le volume interne n'excède pas 10 x 6 x 6 cm, pourvus d'une interface vidéo.

Trois modèles de Biolab ont été livrés à l'ESA. Alors que le modèle de vol a été intégré au module Columbus à Brême, un modèle d'entraînement et un modèle pour la validation des expériences scientifiques sont déjà en opération au Centre des Astronautes Européens (EAC) à Cologne.

L'industrie française à bord de Columbus

Le laboratoire Columbus

La contribution française au laboratoire européen ne se limite pas au DMS et au Biolab, ou à EADS Astrium. D'autres industriels, dont des PME, ont également apporté leur pierre à l'édifice.

« Dans le programme ISS, la France contribue à hauteur de 27,6%, mais la principale priorité française se situe d'avantage au niveau du cargo automatique ATV que du module Columbus », relève Alan Thirkettle, directeur de département développement au sein de la Direction des Vols Habités de l'ESA. « Néanmoins, pour la réalisation du module lui-même, la part industrielle française représente environ 20% du total ».

Outre le DMS, les principaux éléments réalisés en France comprennent le système de répartition de puissance électrique et le système de transmission haut-débit, tous deux fournis par Alcatel Alenia Space, ainsi que le bouclier de protection contre les micro-météorites et les débris spatiaux, qui a été réalisé à Saint-Médard-en Jalles, près de Bordeaux, par EADS Space Transportation.

Plusieurs petites entreprises ont également participé à la réalisation de l'équipement de vie du module, comme Soterem, près de Toulouse, pour le système de condensation et de séparation de la vapeur d'eau, ou Secan, à Gennevilliers, en région parisienne, pour les échangeurs de chaleur.

« Pour ce qui est du développement des charges utiles embarquées, la contribution française atteint 23%, principalement pour le Biolab » note Alan Thirkettle.

Une autre petite société toulousaine, Erems, qui a déjà fourni de nombreux équipements pour les vols habités, a travaillé comme sous-traitant d'EADS Astrium sur le boîtier de contrôle du Biolab, mais a aussi fourni les deux premiers modules scientifiques du Module Européen de Physiologie - une autre baie montée à bord de Columbus. Il s'agit du Module d'Encéphalographie Multi-Electrode (MEEMM) et de l'équipement Cardiolab, dont un exemplaire a déjà volé à bord de Mir.

Grâce à ces deux modules, les astronautes pourront effectuer des expériences pour l'étude du système cardiovasculaire (régulation de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque, contrôle du volume sanguin et de sa distribution, répartition des liquides de l'organisme), les neurosciences (contrôle neurovestibulaire de la posture, coordination de l'équilibre et de la marche, étude sur le sommeil). Autant de recherches nécessaires pour améliorer les conditions dans lesquelles les astronautes pourront plus tard effectuer des vols spatiaux de très longue durée.

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