Le Launch Complex 39 le SSWS

LE SOUND SUPPRESSION WATER SYSTEM SSWS

"THE FLAME TRENCH"

Construction du LC39 dans les années 1960, la structure générale du LC39 pour Apollo et le Shuttle

Le LC39 a été originellement construit au début des années 1960 pour Apollo et le lanceur Saturn. Le pad sur lequel repose la plateforme de lancement MLP est une structure réalisé en béton avec des murs porteurs allant jusqu'à un mètre d'épaisseur. Une tranchée sépare le pad dans le sens nord-sud avec des murs en béton épais de 1,5 mètre. La tranchée, "flame trench" sert à canaliser le flux des gaz éjectés par les moteurs pour éviter qu'ils ne remontent vers le véhicule. Elle mesure 147 m de long, 17,7 m de large et 12,8 m de profondeur. La protection thermiques des murs est assurée par un assemblage de briques réfractaires ancrées au mur par des crochets métallique, 22 000 briques sur chaque mur environ. Le sol est protégé par 70 cm de béton.

Deux déflecteurs de flammes sont disposés à l'intérieur et fixés au sol de façon permanente, le déflecteur des moteurs principaux de l' Orbiter et celui des SRB. La tranchée au Nord s'ouvre sur 50° environ.

Le déflecteur des SSME est de forme triangulaire. Il mesure 11,6 m de haut, 22 m de long et 17,7 m de large pour une masse de 590 tonnes. Le déflecteur des boosters SRB a une pente plus incurvée, il mesure 12,9 m de haut, 12, 8 m de long et 17,7 m de large pour une masse de 199 tonnes.
Le sommet du déflecteur des boosters appuie contre celui du déflecteur des SSME pour former une structure en V inversée sous le MLP. Contrairement au déflecteur utilisé pour Saturn 5 Apollo, il est fixé au sol dans la tranchée et non pas roulé sous la plateforme. Il abrite en effet les canalisations du système de déluge par eau. Ils sont construits en acier et recouverts avec un béton de 12,5 cm d' épaisseur résistant à haute température (Fondue Fyre).

La tranchée du pad 39B avec le déflecteur principal et le chemin de roulement de la tour RSS

Déflecteur des moteurs principaux SSME.et SRB Photos Peter Ailward et Bob Fosbury's

Les buses du déflecteurs principal et écorché du déflecteurs SSME et SRB situé dans la tranchée

La tranchée vue coté Nord, à gauche une des deux canalisations d' eau rentrant sous le pad. Photos. Peter Ailward

Deux déflecteurs mobiles sont utilisés pour canaliser le jet des moteurs SRB au décollage. Ils sont mobiles et roulés sur des rails sous le MLP. Chacun mesure 6 m de hauteur, 13,2 m de long et 5,3 m de large.

Les déflecteurs SRB en position de parking et placés sous la plateforme. Photo Kim Keller

La puissance des moteurs du Shuttle est gigantesque, il ne s' élève que si la poussée de ses moteurs est supérieure à son poids. La différence conditionnant l' accélération de l' engin.
La poussée des cinq moteurs du Shuttle représente quelques 85 millions de kW. Une fraction de cet énergie pousse le véhicule vers le haut, la verticale ascendante, une autre est dissipée par le jet gazeux, une autre se manifeste sous forme de vibrations avec propagation des sons dans les solides. Une dernière enfin fait naître des vibrations acoustiques qui se transmettent dans les fluides et dont une partie peut revenir vers le véhicule et faire vibrer certaines de ses pièces si des phénomènes de résonance se développent. Si l' on estime à 0,1 % seulement le pourcentage de la puissance que capte le véhicule sous forme acoustique directe ou indirecte, on aboutit à la valeur de 8500 kW, non négligeable. Et cela suffit pour tordre, casser, fondre des masses importantes.

L' idéal est de laisser sous le lanceur une hauteur suffisante pour qu' il n' y ait pas ce phénomène de rebond, soit un peu plus que la hauteur totale du lanceur. C' est ce que font les soviétiques, parce qu' il ont la place pour le faire. Aux Etats Unis, en Floride, le centre Kennedy est à quelques centaines de mètres de l' océan, l' espace sous les lanceurs est faible. Dans le cas du Shuttle, il n' y a qu' une quinzaine de mètres entre le sol et la base du Shuttle, d' ou une énorme interaction avec le lanceur.

Le Shuttle est moins puissant que la fusée Saturn 5 qui utilisait la même plateforme. Le rapport de puissance/ masse est plus important et en outre le matériel délicat est sur le Shuttle près de la plateforme alors qu' il était logé tout en haut dans la tête sur Saturn 5. Le bruit au décollage d' une Saturn 5 atteignait 163 dB, mais pour le premier vol se sont 170 dB qui ont été enregistrés sous le Shuttle, cette différence de 7 dB produisant un son 5 fois plus fort.

Le système utilisé pour Saturn 5 consistait simplement à injecter de l' eau sous pression dans la fosse d' évacuation des flammes de la plateforme au moment du lancement. En plus pour protéger la tour ombilicale, de l' eau était aussi pulvérisé sur les 9 bras de service qui se rétractent au décollage. Cette eau était produite par une station d' eau près du pad et pompé vers le Mobil Launcher.

Avec le Shuttle, il a fallu imaginer une autre système parce que le lanceur utilise deux types de moteurs différents, à carburant liquide et solide. Les moteurs à carburant liquide sont allumés en premier à T moins 4 s, alors que les boosters à carburant solides ne sont allumés qu' à T + 3 s. Le SSWS, Sound Suppression Water System a été conçu pour protéger le STS et ses charges utiles des dommages dû à l' énorme énergie acoustique, plus de 140 dB réfléchit par le MLP au moment du lancement.

Les flammes éjectées au lancement à travers le MLP sont canalisées par la tranchée qui partage le pad en deux dans le sens N-S afin de protéger la surface du pad contre la chaleur. Les flammes des moteurs sont déviée par deux énormes déflecteurs fixés dans la tranchée.

Un réservoir d' eau a été construit sur le coté Nord-Est du pad, il mesure 88,9 m de haut et contient 1 134 000 litres d' eau. L' eau de ce château, par simple gravitation, est amenée sous le pad du coté Est par deux énormes canalisations de 2,1 m de diamètre. Elles servent à alimenter les deux systèmes de pulvérisation par eau du système SSWS.

Un premier système permet d' alimenter la plateforme MLP par en dessous grâce à trois canalisations qui sortent du pad sur le bord de la tranchée.
Deux de ces canalisations alimentent six énormes buses disposés sur le dessus de la plateforme, trois vers le milieu et trois sur le coté Nord. Ces buses, appelées "rains birds" (oiseaux de pluies) doivent leur nom à une célèbre marque aux USA, elles mesurent 3,6 m de haut, les deux du centre ont un diamètre de 1 m et les quatre autres 0,76 m. Les six " rain birds " débitent 4 086 000 litres d' eau par minute. Ce matelas d' eau protége la plateforme lorsque le jet des boosters passent dessus pendant les premières secondes de l' ascension.

Le dessus de la plateforme MLP avec le système de canalisation d' eau et les "rain bird".

Détails des "rain bird" avec en haut les buses situées au bord de la plateforme et en dessous celle situé au centre.
Photos John Duncan

Test du système de déluge d' eau en 1979 avec Enterprise. Photo NASA

La troisième canalisation amène l’ eau dans la fosse des moteurs principaux et alimente aussi le Emergency Fire Deluge System pour l’ extinction des SSME en cas de tir avorté. Ce système d' extinction des moteurs SSME est constitué de 22 asperseurs ou buses mis en place autour de la fosse d' évacuation des flammes des moteurs. Il permet de refroidir la partie arrière de l' Orbiter après notamment un arrêt des moteurs suite à un allumage avorté ou après l' opération FRF. Le système est alimenté par des canalisations de 15 cm de diamètre et permet un débit de 9 450 litres par minute.

Un second système pulvérise l' eau dans la tranchée, d’ une part à travers le déflecteur principal grâce à 18 buses montées sur le dessus et d' autre part sur les cotés à la base des déflecteurs SRB directement dans la tranchée grâce à 13 buses de chaque coté (40 buses de chaque coté étaient présentes pour le premier vol en avril 1981, mais la modification du système de pulvérisation a réduit ce nombre).

Déflecteurs des boosters SRB avec les buses de pulvérisation d' eau. Photos Peter Ailward

Le débit maximal d' eau est de 3 402 000 litres par minute pendant 9 secondes.

Le maximum de réflexion a lieu 5 secondes après le décollage et dure jusque' à T +10 secondes, lorsque le Shuttle dépasse les 90 m d' altitude. A ce moment, les deux boosters et les trois SSME inter réagissent mécaniquement avec ce déluge d' eau. Que devient cette eau ?
_ 200 000 litres sont vaporisées ;
_ 10 000 litres sont atomisées ;
_ le reste est éparpillé ;

Le niveau acoustique maximum est atteint quand le STS est à environ 90 m au-dessus du MLP. En dessous de ce niveau, ce sont les déflecteurs et la tranché qui canalisent le flux des flammes. Au dessus de 90 m, c' est la plate forme de lancement qui réfléchit toute l' énergie. Les réflexions sont maximales 5 secondes après le décollage. Tout se termine après 10 secondes quand le Shuttle est à 300 m d' altitude. Si les spécifications du STS lui permet de résister à une charge acoustique de 145 dB au maximum, le système de suppression acoustique permet de ramener ce niveau à 142 dB.
Lors de certains lancements, des niveaux acoustiques de 188 dB ont été mesurés sur la plateforme, 160 dB sur le périmètre du pad et 120 dB à coté du VAB. Plus loin, à Cocoa Beach, au sud à 40 km, le bruit au décollage atteint quand même 77 à 95 dB.

Lors du premier lancement en avril 1981, l' énorme surpression du moment de l' allumage des boosters a sérieusement endommagé la structure du véhicule, en tordant les élevons notamment et en détachant des tuiles thermiques de l' Orbiter. Pour le second vol en novembre, des travaux ont été réalisés sur le pad et la plate forme afin de limiter les dégâts.
Un système original a été conçue et installé avec deux composants principaux.
Le premier est un circuit de canalisation mis en place dans chacune des fosses primaires d' évacuation des SRB qui pulvérise 3 780 000 litres d' eau par minute sous le jet des boosters, grâce à 6 sorties de 30 cm de diamètre, quatre dans la fosse primaire et deux dans la secondaire. L' alimentation générale se fait par une canalisation principale de 91 cm de diamètre fixée sur les déflecteurs des boosters et reliée à la canalisation alimentant les buses dans la tranchée, ce qui a permis d'enlever sur chaque déflecteur plus de la moitié des 40 buses présentes).

Schéma montrant les modifications dans la fosse des moteurs SRB après STS 1 (A&C 1981)

Détails des canalisations d' eau dans la fosse des SRB Photos John Duncan

La fosse des SRB vue de dessous avec les buses de pulvérisation d' eau.
Noter les plateformes de travail installé à la place des boosters.
Dessous la fosse secondaire des boosters avec à droite dans le coin la canalisation d' arrivée d' eau qui viendra se brancher sur le déflecteur mobiles SRB. Photos John Duncan

Vue de dessous de la fosse des moteurs principaux SSME avec au fond les deux fosses SRB. Photos John Duncan

Le second système est constitué de sacs remplis d' eau disposés dans la fosse SRB primaire (10 sacs) directement sous les boosters et dans la fosse SRB secondaire (20 sacs). D' une capacité de 1512 litres, ils sont crevés au moment de l' allumage des fusées, créant un véritable coussin d' eau atténuant fortement la surpression au décollage.

Mise en place des sacs dans la fosse des moteurs SRB en septembre 1981 pour la mission STS 2. Ce sont en fait des toiles de parachutes attachés par des cordes au bord de la fosse et remplie d'eau manuellement. Photo NASA

VIDEO DU SSWS EN FONCTIONNEMENT LORS D'UN TEST EN 2004

La séquence du système de déluge d'eau dure secondes. Dans un premier temps à T-15 s, l'eau sort par les buses du déflecteur dans la tranchée. Trois secondes après (T-12 s), la fosse des SSME est inondée suivit deux secondes plus tard des deux fosses SRB. Les moteurs SSME sont allumées à T- 6 secondes suivit des SRB à T+ 0 s. Le Shuttle décolle, alors que les rain bird déversent leur eau sous pression à T+ 3 s. Les 6 rain bird fonctionnent durant 20 secondes environ. Le Shuttle dépasse la tour et grimpe en altitude. L'interaction avec la plateforme maximale en dessous de 90 m cesse à T+ 10 secondes. 20 secondes après, l'eau dans les fosses SSME et SRB s'arrête. L'eau dans la tranchée continue de couler encore 30 secondes.

CE QUE REJETTE LE SHUTTLE AU LANCEMENT
Les boosters rejètent :
_ 3873 kg/ s de dioxyde de Carbone ;
_ 2829 kg/ s d' oxyde d' Aluminium ;
_ 2688 kg/ s de vapeur d' eau;
_ 1993 kg/ s de chroride d' hydrogène;
_ 122 kg/ s d' oxyde nitrique;
_ 91 kg/ s de chroride de Fer;
Les 3 moteurs SSME produisent principalement de la vapeur d' eau, 1805 kg/ s, un peu moins que les boosters.

L'eau non vaporisée s'écoule dans des rigoles et va remplir deux bassins de rétention de chaque coté du pad à l'Est et à l'Ouest. Quelques jours après le lancement, des équipes au sol commencent le nettoyage de la plateforme. l'eau récupéré dans les bassins présente un fort taux d'acide mélangée à divers produits plus ou moins toxique. Des produits chimiques sont ensuite rajoutés à cette eau dans le but de ramener son Ph au niveau de celui de l'eau en sous sol. Après une semaine, l'eau est pompé dans l'étang de percolation, une sorte de digue géante qui court le long de la route autour du pad et l'entoure entre les deux bassins.
Lorsque les bassins sont vidangés, il ne reste que le cambouis résiduel des boosters SRB qui est ensuite soit séché au soleil (pad A) ou pompé dans des lits de séchage (pad B). Ce cambouis une fois sec est ramassé à la pelle et mis dans des containeurs en plastique et mis au rebut.
Les rigoles menant aux bassins doivent être soigneusement entretenues avant le lancement à cause de la pression de l'eau qui fait se soulever et fléchir les plaques au niveau des joints faisant déborder les eaux résiduelles en dehors du système.

L' aluminium sort en particules d' oxyde d' aluminium, c 'est pourquoi il y a tant du fumée sortant des boosters.
Le perchlorate d' amonium se décompose en grande quantité d' oxygène, hydrogène (qui avec l' oxygène donne de l' eau), quelques chlorines réagissant avec l' hydrogène pour donner de l' acide chloridrique) et de l' azote.
Le caoutchouc synthétique est aussi un carburant, il donne beaucoup d' hydrogène (qui devient de l'eau), un peu de carbone (qui devient du dioxyde de carbone) et quelques trace d' azote.

Les SSME donne de la vapeur d' eau mais aussi beaucoup d' hydrogène, mais ce dernier ne reste pas longtemps dans une atmosphère d' oxygène. De la même façon, de l' hydrogène non brûle sort des moteurs comme le carbone qui deviendra du monoxyde de carbone, mais ils se transforment rapidement en eau et dioxyde de carbone.

Quelques oxydes d' azote se forment aussi mais ils ne restent pas longtemps dans l' air.

A moins d' être près des tuyères, le principal danger est l' acide hydrochlorique des boosters. c' est un problème de contamination local qui n' a rien à voir avec les rejets des volcans et autres industries.

Le départ du Shuttle de sa plateforme de lancement occasionne de nombreux dommages au installations du pad de tir et aux structures. Beaucoup de ses dégâts sont prévus mais il arrive quelque fois des choses inattendues. L' équipe de sécurité est la première à venir sur le pad pour constater les dégâts. Comme on peut l' imaginer la chaleur énorme du décollage et la poussée des moteurs est incroyable. Cette équipe comprend des responsables électricité, sécurité, ergols, qualité de l' environnement et eau réunis en 4 groupes. Quand le " go " est donné pour accéder sur le pad, chaque membre représentant endosse un habit protecteur, un casque et commence à enregistrer les données qui seront compilées dans un rapport, le Launch Damage Assessment Report. Ce rapport est utilisé pour les réparations à effectuer pour que le pad soit prêts pour le prochain rollout. La première mission de l' équipe sécurité est le contrôle de l' environnement et l' estimation des dégâts. Les endroits dangereux encore toxiques sont marqués et le LCC est informé que l' inspection est terminé. Les inspections révèlent des faits étranges et insolites. Une sous station électrique s' est vue soufflée par le jet des tuyères des moteurs SSME. La station était protégée par des plaques d' acier avec deux portes qui apparemment ont été ouverte par le souffle des moteurs.
L' eau du pad s'y est alors engouffré créant des courts circuit partout dans la station (chargé de produire de l' air comprimé pour ouvrir des valves). Un autre incident à faillit inonder le pad à cause d' un vanne d' eau qui s' est cassée, l' équipe a du utiliser la fermeture manuelle afin d' éviter le drame.
La plupart des dégâts sont constatés au niveau 95 à 115 sur la tour FSS. Ces niveaux juste au dessus de la plateforme sont littéralement soufflés à cause de la réflexion des gaz au moment du décollage.

La tranchée déviant le jet des moteurs SSME est relevé vers le haut. Par contre celle des moteurs SRB est droite et il arrive souvent que le souffle arrache le grillage du périmètre du pad. Des perches en bois ont du être installés devant le périmètre bétonné.
Pendant la séquence du décollage, de nombreux débris sont éparpillés tout autour et doivent être répertoriés pour après. Les endroits où se trouvent les débris sont enregistrés avant d' être enlevés par l' équipe de nettoyage. Tous les débris récupérés sont analysés afin de déterminer leur origine. De décollage en décollage des solutions sont trouvées afin de mieux protéger les installations. Cela va des barrières pour dévier le souffle au peintures anti-chaleur en passant par une meilleures protection des objets installés sur le pad. Dans le cas de la sous station, elle a depuis été protégée par du béton.