Introduction

Le Canadarm a probablement connu son succès le plus retentissant à ce jour lors de la première mission d’entretien du télescope spatial Hubble en décembre 1993. Les astronautes ont alors utilisé le télémanipulateur comme plateforme de travail mobile au cours des cinq sorties dans l’espace, un nombre record à l’époque, que la réparation de ce satellite d’astronomie en orbite d’une valeur de 1,5 milliard de dollars a nécessité. Le Canadarm a alors joué un rôle capital puisqu’il a récupéré le télescope défectueux, l'a placé dans la soute de la navette Endeavour, où il a été réparé, puis l’a remis en orbite.

Le Canadarm est issu d’un grand défi technologique lancé au début des années 70, alors que la NASA souhaitait s’associer à des partenaires étrangers capables de contribuer à son système innovateur de transport spatial, mieux connu sous l’appellation de navette spatiale. Dès juin 1969, soit un mois avant que les astronautes d’Apollo mettent le pied sur la Lune, des études de conception des divers systèmes de la navette ont été présentées à des partenaires étrangers potentiels, dont le Canada. Un jeune ingénieur appelé Garry Lindberg, qui était entré cinq ans plus tôt à l’emploi de l’Institut de recherche aérospatiale du Conseil national de recherches du Canada (CNRC), a été chargé d’évaluer le rôle que jouerait éventuellement le Canada au sein de ce nouveau programme.

Après un hiatus de quatre ans au cours desquels l’accent a été mis sur le développement de l’engin CTS/Hermes, le Canada a soigneusement examiné les diverses possibilités offertes et a choisi de mettre au point le télémanipulateur de la navette spatiale à la suite d'études menées au Manned Space Center de la NASA (aujourd’hui appelé Johnson Space Center) sur un bras robotique capable de déployer et de récupérer du matériel spatial à partir de la soute de l’orbiteur. Au printemps de 1974, le CNRC a nommé M. Lindberg au poste de gestionnaire du projet de ce qui s’appellait alors le système télémanipulateur de la navette spatiale. M. Lindberg, qui a pris sa retraite en 1997 à titre de vice-président, Développement intégré, et de scientifique/ingénieur en chef de l’Agence spatiale canadienne, était chargé des négociations et devait s’assurer que les obligations internationales contractées envers la NASA étaient remplies. Il était également responsable des orientations des marchés conclus avec l’industrie. En outre, M. Lindberg a dirigé le soutien scientifique et technique interne accordé au nouveau projet.

Il est intéressant de constater que le projet du Canadarm est apparu parallèlement à la création d’un nouvel outil stratégique, soit la notion de grand projet de l’État. Ce nouveau programme coïncidait également avec l’adoption, au sein du gouvernement fédéral, d’un nouvelle mentalité selon laquelle ce dernier devait cesser d’être son principal entrepreneur. Ces deux changements ont préparé la voie administrative à d’important projets spatiaux ultérieurs, comme RADARSAT et le Système d’entretien mobile, qui représente la contribution du Canada à la Station spatiale internationale (ISS).

En vertu d’un nouveau mécanisme appelé « proposition spontanée », un consortium industriel dirigé par Spar Aéropatiale Ltée (maintenant MacDonald Dettwiler Space and Advanced Robotics Ltd., ou MD Robotics) et composé de RCA Canada (qui allait devenir par la suite Spar Montréal et qui est ajourd’hui EMS Technologies Canada), de CAE Electonics Ltd. ainsi que de DSMA Atcon a proposé de se charger de la conception, de la mise au point et de la fabrication du bras robotique.

Le gouvernement du Canada, par l’entremise du CNRC, a en fin de compte investi un montant de 108 millions de dollars dans la conception, la construction et l’essai du premier matériel de vol Canadarm (enregistré sous le numéro de série 201), dont il a fait don à la NASA pour l’orbiteur Columbia. En échange, la NASA s’est engagée à acheter à l’équipe industrielle dirigée par la société Spar au moins trois autres bras robotiques (unités 301 et 302 en 1983 et unité 303 en 1985). L’unité 302 a été détruite dans l’explosion de Challenger en 1986, mais elle a été remplacée dans l’inventaire Canadarm par l’unité 202 en 1993.

L’investissement initial du gouvernement canadien a depuis généré des ventes à l’exportation de près de 700 millions de dollars. En outre, l’entretien permanent et le soutien technique de maintien rapportent quelque 20 millions de dollars chaque année. L’agence spatiale japonaise (NASDA) a conclu un marché avec MD Robotics portant sur un effecteur terminal pour le télémanipulateur destiné au module Kibo, soit la contribution du Japon à la Station spatiale internationale.

En juillet 1975, la société Spar qui, depuis le début des années 70, avait mené des études de conception sur un manipulateur de type x, y, z, a été nommée sous-traitant principal du CNRC pour effectuer les travaux de conception, de développement, d’essai et d’évaluation du bras télémanipulateur que le gouvernement canadien allait fournir à la NASA. La conception du robot qui allait s’appeler Canadarm représentait une tâche monumentale, car on ne disposait alors d’aucun plan ni d’aucun composant standard pour des appareils devant fonctionner en permanence dans l’environnement hostile de l’espace. De plus, la NASA avait des exigences très strictes en matière de précision du mouvement, de manoeuvrabilité, de poids, de sécurité et de fiabilité. On attendait du Canada qu’il innove en fabriquant à partir de zéro un instrument capable de fonctionner parfaitement dans l’espace avec l’agilité du bras humain.

La conception et la construction de l’élément robotique se sont révélées difficiles, mais l’essai du produit final a représenté une véritable gageure. Bien qu’il ne pèse que 410 kg, le Canadarm, qui est destiné à une utilisation en impesanteur, ne peut supporter son propre poids dans les conditions de pesanteur sur Terre. Il a donc fallu construire une salle d'essai spéciale à plancher parfaitement de niveau et un berceau à très faible coefficient de frottement pour permettre aux articulations du bras de fléchir lors d’essais en conditions d’exploitation. Une installation de simulation informatisée, fonctionnant un peu comme un jeu vidéo, a aussi été mise au point pour évaluer la manoeuvrabilité du bras et permettre aux astronautes de s’entraîner en vue de son utilisation en orbite.

Comme produit final, on a obtenu un bras robot de 15,2 mètres de longueur, semblable au bras humain mais muni de câbles de cuivre au lieu des nerfs, de tubes de fibres de graphite renforcés faisant office d'ossature et de moteurs électriques pour remplacer les muscles. L'ensemble du bras est commandé par un ordinateur sophistiqué qui agit comme le cerveau du système et qui fournit les données d'orientation essentielles à l'astronaute chargé de le manoeuvrer.

En guise de main, le Canadarm est doté à son extrémité d'un effecteur cylindrique, une sorte de dispositif de verrouillage à noeud coulant qui vient s'ajuster sur une tige spéciale, appelée préhenseur-connecteur et fixée à la charge utile qu'il doit manipuler. Par exemple, pour extraire un élément de la Station spatiale internationale (comme un segment de poutrelle intégrée de 17 tonnes qui comporte une paire de panneaux solaires géants) de la soute de la navette et le déployer dans l'espace, l'astronaute aux commandes du Canadarm place celui-ci de manière à ce que le noeud coulant à l'intérieur de l'effecteur se resserre autour du préhenseur fixé sur le segment de poutrelle et le tire vers lui jusqu'à ce qu'il vienne se coller parfaitement sur son rebord. Un revêtement isolant blanc vient s'ajuster autour du Canadarm. À l'aide de dispositifs de chauffage à commande thermostatique, ce revêtement maintient le bras soumis au vide spatial à des températures acceptables, en le protégeant soit contre la chaleur intense des rayons du Soleil, soit contre le froid extrême lorsqu'il est plongé dans l'ombre.

Le Canadarm se compose d'un bras (partie supérieure) et d'un avant-bras (partie inférieure), d'un effecteur et d'un centre de commande situé dans la section arrière de la cabine de l'équipage. L'articulation du poignet, insérée entre l'avant-bras et l'effecteur, donne à l'appareil trois degrés de liberté (tangage, lacet et roulis). Une autre articulation, celle du coude, est située entre le bras et l'avant-bras et permet le mouvement dans un seul axe (tangage). L'articulation de l'épaule, qui unit le bras et le longeron situé sur le côté gauche de la soute de l'orbiteur, a deux degrés de liberté (tangage et lacet).

À l'intérieur du poste de pilotage de la navette, les astronautes installés au poste SRMS (Shuttle Remote Manipulator System) se servent de deux commandes manuelles pour faire fonctionner le Canadarm une articulation à la fois, ou les six ensemble pour exécuter une manoeuvre coordonnée. La commande de translation contrôle les mouvements vers la gauche et la droite, vers le haut et le bas et d'avancée et de recul du bras. La commande de rotation contrôle les mouvements de tangage, de roulis et de lacet. Un système de télévision en circuit fermé, composé de caméras et de lampes installées sur le bras et dans la soute, transmet à des écrans de télévision à l'intérieur de l'orbiteur des images à l'intention des astronautes.

« Quand on sait comment le manoeuvrer, le Canadarm fonctionne réellement comme un prolongement du corps », de déclarer l’astronaute Marc Garneau, président de l’ASC. « J’ai eu le plaisir de capturer et d’amarrer une très petite charge utile (une plate-forme Spartan, en mai 1996) et d’en déplacer une très grosse (la poutrelle intégrée P6 de l’ISS, en décembre 2000) et c’est alors que j’ai pris conscience de toute la polyvalence du bras dans l’exécution de ces deux très différentes tâches. »

Même s’il partage des éléments communs avec le modèle original, le Canadarm est très différent par rapport à ce qu’il était il y a 20 ans. Ses concepteurs n’ont pas cessé de l’adapter. Ces modifications reposaient sur l’expérience acquise en regard de la performance du matériel dans l’espace et sur de nouvelles exigences opérationnelles motivées dans une grande mesure par les tâches d’assemblage de l’ISS qui exigent que le télémanipulateur effectue des manoeuvres qui n’avaient pas été envisagées au moment de sa conception. Ces tâches consistent, par exemple, à raccorder de gros éléments de la Station à divers systèmes de fixation agissant comme des interfaces. Par ailleurs, ces systèmes sont conçus par un éventail de sous-traitants de plusieurs partenaires internationaux et ils diffèrent considérablement des systèmes utilisés dans la soute de la navette, qui ont été conçus pour les opérations régulières de déploiement et de récupération de charge utile.

Selon MD Robotics, les quatre bras ont subi de multiples changements matériels depuis 1981; des améliorations ont été apportées aux procédés de fabrication et le logiciel de commande a subi une quarantaine de changements. Les nouvelles exigences opérationnelles ont fait ressortir la polyvalence du Canadarm, comme sa capacité à déplacer de grosses charges utiles présentant un décalage important par rapport à leur centre de gravité. Pour répondre aux nouvelles exigences, on a concentré les travaux d’ingénierie sur la nécessité d’étendre et d’améliorer les capacités actuelles du télémanipulateur. L’accent a été mis sur le maintien d’une trajectoire précise à de faibles cadences, les capacités en matière de positionnement et de force, la possibilité de mettre le bras en marche arrière ou l’amélioration de la maniabilité et des fonctions d’affichage.

Prenons par exemple les commandes d’articulations. Un des plus imposants défis au chapitre de la conception des servomécanismes du Canadarm original consistait à assurer la manoeuvrabilité d’un large éventail de charges utiles de poids différents. Le bras avait été conçu à l’origine pour se déplacer à des vitesses de pointe à vide de 2 pi/s et 2 degrés/s tout en étant capable de contrôler le déplacement précis de charges utiles de plus de 29 500 kg. Afin de satisfaire aux nouvelles exigences visant le déplacement des charges utiles destinées à la Station spatiale, un programme de redéveloppement des amplificateurs de puissance servo analogiques (SPA pour Servo Power Amplifier) a été mis sur pied en 1996 à la division de Spar de Montréal (maintenant EMS Technologies Canada) dans le cadre d’un marché de 10 millions de dollars accordé par la NASA. Chacune des six articulations des quatre Canadarm ont été mises à niveau au moyen de nouveaux SPA numériques, ce qui a permis d’accroître la capacité de manipulation du bras robotique de 29 500 kg à 120 000 kg, soit le poids de la navette! Ces SPA numériques équivalent aux blocs électroniques d’articulation (JEU pour Joint Electronics Units) qui commandent les sept articulations du bras de la Station.

En fait, le Canadarm est la genèse du Canadarm2, le tout dernier système technologique robotique au monde en orbite et le premier élément du Système d’entretien mobile, la contribution du Canada à la Station spatiale internationale. À bien des égards, nombre des problèmes technologiques de taille qui ont dû être résolus pour la fabrication du télémanipulateur de la Station spatiale, y compris l’isolation du système, la protection des matériaux contre l’effet corrosif de l’oxygène moléculaire, la vitesse d’exécution ou l’évitement des collisions, ont d’abord été abordés dans le cadre du programme exploratoire du télémanipulateur de la navette.

Le Système canadien de vision spatiale (CSVS) est sans conteste l’un des développements technologiques les plus stratégiques à avoir été mis au point pour les deux télémanipulateurs. Ce système permet au Canadarm et au Canadarm2 de manipuler des charges utiles que les astronautes actionnant les deux bras robotiques ne peuvent pas voir. Dans les années 70, le CNRC a décidé de mettre au point un système de vision artificielle à partir d’un prototype de système de photogrammétrie en temps réel de la NAE conçu en 1978 par Lloyd Pinkney et l’informaticien Charles Perratt.

La photogrammétrie en temps réel est une analyse d’un événement au moment où celui-ci se produit grâce à l’interprétation informatique d’une image. Dans le cas du CSVS, l’image est fournie par une caméra qui balaie l’objet observé à une fréquence de 30 fois par seconde. Par exemple, avant le lancement du laboratoire Destiny vers la Station spatiale en février 2001, on y a fixé une cible composée d’un ensemble de points noirs. La position relative des points ainsi que la position de la cible sur la Station ont été programmées dans le système informatique. Le CSVS a aidé l’astronaute Marsha Ivins à raccorder le module Destiny à la Station en calculant les nouvelles relations géométriques des points tandis que la cible se déplaçait, ce qui lui a permis de mesurer la position et l’orientation relatives de l’objet avec une grande précision Le CSVS pouvait savoir si le module manipulé par le Canadarm se déplaçait vers le haut, le bas, l’avant ou de côté et il indiquait la vitesse et l’emplacement exact du module. Les résultats de ces calculs étaient affichés pour le collègue de Marsha Ivins chargé de surveiller le CSVS, ce qui a simplifié et accéléré les opérations d’amarrage de Destiny.

En 1984, quelques tests de photogrammétrie en temps réel ont été effectués dans le cadre des expériences canadiennes de la série CANEX-1 par Marc Garneau, qui a été le premier Canadien à aller dans l’espace au cours de la mission STS-41. Dans le cadre de l’expérience VISET (tests préparatoires en vue de l'expérience sur le Système de vision spatiale), Marc Garneau a essentiellement filmé sur vidéocassette la mise en orbite du satellite ERBS (Earth Radiation Budget Satellite) auquel des points cibles avaient été fixés en vue de l’analyse à l’aide du SVS.

Pendant 10 jours en octobre 1992, le SVS a été mis à l’essai dans le cadre de la mission STS-52 et de la série d’expériences CANEX-2 réalisées par l’astronaute Steve MacLean de l’ASC. Cette fois-ci, le SVS a servi à placer le Canadarm au-dessus d’une borne électromécanique montée sur un satellite d’essai, le module cible canadien (CTA). Le test a été effectué plusieurs fois à l’aide de la caméra du poignet du bras, en variant la résolution et la sensibilité de l’affichage du SVS. Une deuxième étape de tests a consisté notamment à déplacer le CTA à l’aide du bras de façon à reproduire les tâches d’assemblage de la Station spatiale et d’entretien des satellites.

En octobre 1995, au cours de la mission STS-74, l’astronaute canadien Chris Hadfield a guidé le Canadarm à l’aide d’une version plus robuste et plus polyvalente du système de vision artificielle, le Système perfectionné de vision spatiale (APVS). Mis au point par la société Neptec Design Ltd. d’Ottawa, l’APVS a alors permis de construire le gros module russe d’amarrage sur le système d’amarrage de la navette Atlantis. Cette version améliorée peut suivre jusqu’à 32 cibles dans cinq orientations différentes, ce qui augmente la précision, la polyvalence et l’utilité du système. L’ASVS a également été utilisé pour le rendez-vous de la navette avec la station spatiale russe Mir.

En avril 1997, un marché de la NASA d’une valeur de 40 millions de dollars a été attribué à Neptec pour le développement des dispositifs d’affichage du SVS qui devaient être installés à bord de la navette spatiale et sur les postes de travail robotiques qui, de l’intérieur du module Destiny, permettent d’actionner le bras de la Station, ou Canadarm2. Depuis, cet auxiliaire du Canadarm s’est révélé précieux lors de chaque mission d’assemblage de l’ISS. Dès décembre 1998, au cours de la mission STS-88, le SVS a joué un rôle crucial dans les délicates et difficiles opérations d’accouplement des deux premiers éléments de la Station spatiale internationale, le module russe Zarya et le noeud américain Unity.

Le mois d’août 2001 a marqué une autre étape importante de l’évolution du Système de vision spatiale. En effet, dans le cadre de la mission STS-105/ISS-7A.1, un nouveau système de vision spatiale avec caméra se trouvait à bord de la navette Discovery lors de son lancement vers la Station spatiale le 10 août. Ce système laser extrêmement novateur, qui a été mis au point par Neptec en collaboration avec le CNRC et l’Agence spatiale canadienne, permettra aux astronautes de travailler plus efficacement avec le Canadarm et le Canadarm2. Au nombre des multiples améliorations que présente le nouveau système de vision, citons sa capacité de capter avec une grande précision des images tridimensionnelles des objets qui se trouvent dans l’espace, même dans les conditions de luminosité extrême qui y règnent.

Le Canadarm2 a été lancé en avril 2001 dans le cadre de la mission STS-100/ISS-6a. En participant à l’installation du nouveau bras robotique à bord de Station spatiale internationale, l’astronaute Chris Hadfield de l’ASC a chevauché l’extrémité du Canadarm et est devenu ainsi le premier Canadien à effectuer une sortie dans l’espace.

Dans l’après-midi du 28 avril 2001, à 16 h 44, un moment touchant a marqué tous les Canadiens lorsque Chris Hadfield, aux commandes du célèbre bras robotique depuis l’intérieur de la navette Endeavour, a donné l’ordre au Canadarm de la navette de saisir la palette du Spacelab retenu par le Canadarm2, le bras robotique de la Station, et de la déposer dans la soute de la navette. Cette poignée de main entre les deux générations de bras robotiques canadiens s’est déroulée au-dessus du Canada. « Il s’agit d’un hommage très spécial destiné à toutes les personnes au sol qui ont rendu l’événement possible », avait déclaré Hadfield depuis l’espace pendant que ce transfert historique se déroulait avec succès.

Conformément à la foulée de la philosophie canadienne en matière d’exploration spatiale qui précise que chaque projet spatial doit avoir des applications sur la Terre, la technologie du Canadarm a généré des retombées ailleurs que dans l’espace. Cette technologie robotique a trouvé des applications dans d’autres télémanipulateurs conçus pour étendre la dextérité humaine dans les milieux hostiles, notamment l’entretien des centrales nucléaires, la soudure et la réparation des pipelines sur le plancher océanique, l’entretien à distance des lignes de transmission d’énergie électrique ou le nettoyage des déchets radioactifs ou dangereux. Par exemple, MD Robotics a conçu dans le cadre d'un marché passé avec la Westinghouse Hanford Company, pour le compte du Department of Energy des États-Unis, un bras utilitaire léger (LDUA, pour Light Duty Utility Arm) utilisé pour inspecter et caractériser les déchets radioactifs entreposés dans des réservoirs souterrains. Le système consiste en un manipulateur modulaire à sept articulations fixé à un mât vertical télescopique. Un système mobile déploie le manipulateur à l'intérieur du réservoir.

Personne n’aurait pu prévoir la visibilité et la fierté que le Canadarm susciterait au chapitre de la technologie spatiale canadienne. À chaque fois que quelqu’un observe le bras par le hublot arrière du poste d’équipage de la navette, la première chose visible est le logo Canada avec le drapeau à feuille d’érable rouge fièrement affichés sur le segment supérieur du Canadarm. C’est un témoignage de la réputation du Canada qui s’est acquis le titre de première nation à avoir construit avec succès un bras robotique conçu pour fonctionner dans l’environnement hostile de l’espace et qui tient ses promesses. Le Canadarm est notre réalisation scientifique la plus reconnue. C’est l’expression tangible du savoir-faire scientifique canadien.