Partie 1, les missions Apollo
Aller sur la Lune
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Dans les années 1960, dans le cadre de la guerre froide, la NASA, l'agence spatiale des Etats-Unis, a mis en place différents programmes spatiaux. Ces programmes étaient en conccurence directe avec les autres missions spatiales de l'union soviétique. Cette rivalité permit aux Etats-Unis de créer le programme Apollo qui conduisit le premier homme sur la Lune. Cet exploit engendra des progrès techniques et scientifiques considérables dans notre monde. Les missions Apollo permirent aux différents scientifiques et astronautes de passer un cap dans la conquête de notre espace infini. Pour aller sur la Lune, les scientifiques et ingénieurs durent construire d'immenses fusée des plus puissantes et concevoir de nombreux objets tous très innovant pour leur époque. Cette partie traite des trois grandes phases que l'on peut distinguer une missions Apollo, des différents élément utilisés lors de ces missions et du programme de vol.
Faire décoller une fusée:
Afin de mener à bien les objectifs du gouvernement américain, les scientifiques de la Nasa durent se heurter à un enjeu de taille, faire décoller une immense fusée de plusieurs millers de tonnes. Il existe une force valable pour chaque corps présent sur la Terre, qu'ils soient à l'échelle atomique ou à l'échelle humaine. On appelle cette force Interaction gravitationnelle. Cette interaction s'établit suivant la masse des deux corps qui sont séparés par une distance. Ces deux corps sont soumis à une force d'intensité commune qui les attirent l'un vers l'autre. C'est grâce à cette force que les corps demeurant à la surface terrestre sont retenus par cette dernière. Dans le cas des missions Apollo, l'objectif était d'annuler cette interaction gravitationnelle due à la masse de la Terre. pour pouvoir faire décoller la fusée, cette dernière devait avoir une puissance au décollage supérieure à la valeur de la gravitation qui la retenait au sol.
La fusée Saturn IV:
Le Lanceur de type Saturn V fut utilisé pour quasiment toutes les missions en vol habité du programme Apollo. Il dépassa en puissance et en taille toute les autres fusées déjà existantes. La fusée fut développée dans un but spécifique : envoyer des hommes sur la Lune. Le lanceur mesurait 110 mêtres de haut et 10,1 mêtres de diamètre pour un poids, avec les réservoirs pleins, de 2766 tonnes. Il se caractérisait par les nouveaux nouveaux moteurs F-1 mis au point en même temps que la fusée. La fusée peut se décomposer en étages qui sont au nombre de trois.
Le moteur F-1:
A l'origine, le moteur F-1 était destiné a servir pour l'armée de l'air américaine dans un projet d'aviation militaire. Il fut conçut par la firme rocketdyne, mais le projet fut délaissé par l'armée américaine. Cependant la NASA s'intéressait au concept innovant du moteur depuis sa création en 1958. L'agence spatiale Américaine renouvèle donc le contrat avec la société conceptrice du moteur et demanda à ce que l'entreprise augmente la poussée jusqu'à 6,7 millions de newtons afin de pouvoir faire décoller le lanceur Saturn V et ainsi l'arracher à l'attraction terrestre. Le moteur est encore à ce jour, le moteur à ergols et à chambre de combustion unique le plus puissant jamais conçu par l'Homme. Les concepteurs (rocketdyne) avaient comme contraintes que le moteur devait être fiable à l'extrême et ainsi supporter le décollage et toute la phase de vol jusqu'à ce que son rôle soit accompli. les ergols utilisés furent l'oxygen liquide et le RP-1
Les trois étages de la fusée:
-le premier étage S-IC développait au décollage une poussée de 3 477 tonnes et se détachait de la fusée au bout de 2 min 30 de vol . Il atteignait la taille de 42,10 m de hauteur pour un diamètre maximale de 10,10 m . Il pesait 130 tonnes lorsque ses réservoirs étaient vides. Et quand ceux-ci étaient pleins, elle était alors de 2246 tonnes. Les ergols liquides qui composaient le propergol de la fusée sont l'oxygène liquide (1471 tonnes) et du kérosène RP-1 (642 tonnes).
-le second étage S-II avait une poussée de 5,131 MégaNewton, soit 523 tonnes. Il mesurait 24,8 m de hauteur pour 10,1 m de diamètre. Sa masse lorsqu'il était vide était de 36 tonnes et lorsqu'il contenait ses ergols, il pesait 493 tonnes. Les moteurs qui composaient cet étage et qui propulsaient la fusée étaient de type J-2 et étaient au nombres de 5.
-Le troisième étage S-IVB possédait une poussée totale de 926 367 Newtons, ce qui correspond a 94 tonnes. Sa taille atteignait 18,1 m pour 6,6 m de diamètre. Avec ses réservoirs vides, il totalisait un poids de 11,3 tonnes, quand ceux ci étaient pleins, il pesait 121 tonnes. Ses combustibles étaient l'oxygène liquide (89 tonnes) et l'hydrogène liquide (19,9 tonnes) Le moteur de cet étage était de type J-2.
L'instrument Unit:
C'est le cerveau du lanceur Saturn V, il a coordonné chacune des différentes phases de la mise en orbite du vaisseau. Il effectue les corrections de trajectoire nécessaire grâce à son système de guidage. L'IU gérait aussi la séparation des étages de la fusée ainsi que l'allumage des moteurs. L'IU est constitué de 6 différents systèmes: structurel , contrôle environnementale, de guidage et de contrôle, de mesure et de télémétrie, de communication et le système électrique. L'instrument IU comportait une plate- forme inertielle qui permit au lanceur de s'orienter dans l'espace. Une plate forme inertielle est un instrument qui reste toujours orienté de la même façon, même lorsque l'environnement qui entoure la plateforme est en mouvement, celle-ci reste toujours dans la même position. On peut comparer une plateforme inertielle et son principe à l'eau contenue dans un verre, même lorsque l'on bouge le verre, l'eau reste toujours dans la même position.
Le vaisseau Apollo:
Lorsque par malheur, au cours d'une des missions de vols du programme Apollo, L'IU ou la plate forme inertielle venait à ne pas fonctionner, le lanceur Saturn V pouvait se faire contrôler depuis le vaisseau Apollo présent au sommet de la fusée par le commandant du vaisseau de façon manuelle. Le vaisseau était recouvert de la « launch escape tower » qui protège celui-ci lors du lancement et qui lui permet de se détacher du lanceur en cas d'un possible abandon de la mission. Une fois que la fusée fut en orbite, cette tour de protection et de sauvetage était larguée. Le vaisseau se composait de deux éléments, Le module de commande (« Command Module ») et le module de service (« Service Module »). le SM a la forme d'un cylindre. À la base de celui-ci vient loger la tuyère du « Service Propulsion System », qui est le système principal de propulsion du vaisseau. Au sommet du SM se situe le Command Module, un compartiment pressurisé de forme conique abritant l'équipage. Il était protégé à sa base par un bouclier thermique. C'est le premier vaisseau américain accueillant un équipage de 3 hommes.
Le CSM:
Le CSM est constitué d'une partie dite de servitude, le module de service (SM), ressemble à un cylindre auquel est fixé une tuyère, le Service Propulsion System. Au sommet du SM, le module de commande (CM) y est solidement arrimé , il abrite et de poste de contrôle et d'habitacle à l'équipage des missions Apollo. Le module de service avait une hauteur de 7,5 m pour 3,9m de diamètre et un poids de 223 tonnes. Le SM contenait les ressources en propergols nécessaires au voyage d'al ler Terre-Lune. Il était constitué par des panneaux en aluminium alvéolé, d'une épaisseur de 2,5 cm. L'intérieur du SM est séparé en 6 sections ou module par des panneaux d'aluminium dentelés. Chacune de ces 6 section était disposées au tour d'un cylindre central qui contenait deux sphère d'hélium, elles étaient réparties selon leur fonctions associées, sections contiennent les réservoirs de propergols du système de propulsion principal du vaisseau. Une des sections contient 3 piles à combustibles du vaisseau, ainsi que les réservoirs cryogéniques d'oxygène et d'hydrogène. La dernière section restante est quasiment vide, les missions Apollo 15, 16, 17 l'utilisait pour y stocker des instruments scientifiques et des appareils photos, cette zone s 'appelait la baie SIM (« Scientific Instruments Module »).
Command module:
Le rôle principal du Command Module est d'accueillir l'équipage du vaisseau. Le module est composé de plusieurs compartiments. Le compartiment situé à l'avant contient les deux appareils du Reaction Control System ( RCS, système de contrôle par réaction) ainsi que les différents composants du système d'atterrissage (ELS « Earth landing System »). le compartiment de l'équipage, aussi appelé compartiment interne pressurisé , accueille l'équipage lors des missions, mais aussi les contrôles et les consoles du vaisseaux ainsi que de nombreux systèmes. L'habitacle réservé à l'équipage fait 5,9m3 . Le compartiment arrière contient des appareils RCS qui sont au nombre de 10, les réservoirs de propergols, d'hélium et d'eau ainsi que le câble ombilical du Command Module-Service Module.
Marcher sur la Lune
Le Module lunaire:
Le module lunaire est le véhicule spatial pour débarquer des hommes sur la Lune. Son rôle fut d'atterrir sur la Lune avec deux des trois membres d'équipage du vaisseau ainsi que de nombreux appareils scientifiques. Le module devait aussi permettre à son équipage plusieurs jours en totale autonomie. Lorsque la mission lunaire était accomplie, le module décollait de la surface lunaire pour rejoindre le module de commande et de service où séjournait le troisième membre d'équipage. Le LEM se composait de deux étages. Le premier avait pour but principal de faire atterrir verticalement le module grâce à un moteur de poussée variable . Le second étage est celui qui servit lors de la remontée de l'équipage qui disposait de son propre moteur. Les astronautes séjournaient alors dans la cabine pressurisée de l'étage. Sa masse était de 15 tonnes au total ce qui représente une charge très contraignante.
Le Module lunaire d'appolo 11
Le Rover Lunaire:
Le Rover lunaire est le véhicule qui permis aux astronautes des mission Apollo d'explorer la surface de la lune. IL fut utilisé pour la première fois lors le la mission Apollo 15. C'est un engin tout-terrain, bi-place. Il mesurait 3m de long pour 210 kg, sans aucune charge. Sa capacité de charge était de 490 kg ( occupants compris ). Il atteignait au maximum la vitesse de 14 km. L'engin fut propulsé par un couple de moteur élétrique de 0,25 ch dont l'alimentation se faisait grâce à des batteries non rechargeables . La conception de ses roues et son système de navigation était en avance à son époque . Le véhicule était adapté au sol lunaire. Celui-ci est particulièrement hostile et l'environnement de la surface lunaire est très difficile à reproduire sur Terre. Le Rover lunaire permit aux astronautes d'agrandir leur champs d'action. La surface lunaire explorée est plus conséquente que si les explorateurs lunaire ne possédaient pas ce fabuleux véhicule. Ils purent alors prospecter de plus nombreux sites géologiques qui permis une meilleure compréhension de notre satellite.
La combinaison spatiale:
Les combinaisons spatiales A7L utilisées lors des missions du programme Apollo furent les plus complexes jamais utilisée. Elles furent fabriquées sur mesure par rapport à la morphologie de chaque astronautes pour que chaque sortie effectuée avec la combinaison qui pesait 72kg soit la plus confortable possible. Cependant, lorsque les astronautes se trouvaient sur la Lune, la faible gravité du satellite faisait qu'ils avaient l'impression d'avoir un équipement de 14kg environ. Afin de conserver une température stable et convenable dans la combinaison, celle-ci disposait d'un système de refroidissement dans la partie intérieure. Au total, l'A7L comportait 17 couches de différents matériaux isolants. Cela étant dû au fait que à l'ombre, les températures sont extrêmement basses tandis que au soleil, elles sont très chaudes. La combinaison permettait une autonomie de 6h30, durée à laquelle une marge de sécurité de 2h était soustraite pour réduire le risque d'accidents.
L'enveloppe extérieure de la combinaison cache 3 combinaisons intérieures superposées entre-elles. Pour un confort optimal, l'astronaute portait un sous-vêtement en nylon comprenant la cagoule de communication ainsi qu'un raccord électrique, un relais de communication mais aussi un collecteur d'urine et une poche retenant les matières fécales. Ce sous-vêtement était enveloppé d'une combinaison gonflable qui maintient une pression constante sur l'ensemble du corps. Une troisième enceinte de nylon empêche tout gonflement avec casque, chaussons et gants pressurisés. L'enveloppe extérieure, constituée d'une seule pièce est équipée du bloc d'autonomie permettant une survie grâce à un réservoir d'oxygen principal et d'un réservoir secondaire situé dans la partie supérieure ainsi que le matériel de radio-communication et son casque munit d'un pare-soleil très utile afin de protéger les yeux de l'astronaute des rayons UV du soleil. Les matériaux utilisés pour fabriquer la combinaison furent des précurseurs dans ce domaine (kevlar, teflon, dacron mylar...). Chaque chaussure lunaire se composait de 25 épaisseurs d'isolants ultra-légers.
La liberté de mouvement était limité du fait de l'épaisseur de l'ensemble. Les astronautes eurent recours à de longues pinces pour pouvoir manipuler d'autres objets. Lorsqu'il est équipé de sa combinaison , un astronaute est incapable de se relever sans aide lorsqu'il tombe au sol.
Retour de la Lune
Le Commande Module:
Utilisé lors des phases de vols qui amenèrent les équipages des vaisseaux Apollo en orbite autour de la Lune, le CM servit de capsule de séjour lors du retour de chaque missions. L'équipage était alors dans le même espace exigu que lors du décollage du lanceur Saturn V. Le vaisseau contrôlé par le commandant et assisté par l'ordinateur de bord devait faire en sorte de revenir sur Terre avec le vaisseau et l'équipage sains et saufs. Le Command Module est la seule partie du convoi à revenir sur Terre, Sa vitesse de rentrée est proche de 11m/s soit 39 600km/heure. A une telle vitesse, les contraintes aérodynamiques et surtout thermiques sont très importantes, de plus la friction de l'air sur la surface du CM provoque une formation de plasma. La température est alors de plusieurs milliers de degrés lors de la phase de descente du module. Le module est donc recouvert d'un bouclier thermique en fibre de verre alvéolée, dans chacune d'elle, on introduisait une résine phénolique epoxy , qui sert de matériau ablatif. À la base du CM, la structure interne du bouclier thermique était constituée d'acier inoxydable. L'épaisseur du bouclier variait de 1,7cm jusqu'à 6,8 cm à la base du CM .
L'entrée dans l'atmosphère:
Lorsqu'un objet entre dans l'atmosphère terrestre à grande vitesse, celui-ci est soumis à une force de friction entre l'objet et les différentes couches atmosphériques. Du fait de cette force, il se créé un effet appelé effet de joule qui se traduit par la présence de chaleur très importante dans ce cas. Les molécules d'air se trouvant dans l'atmosphère, celle-ci sous l'effet de la chaleur vont se dissocier pour former du plasma, un gaz ionisé dont la couleur varie du orange au rose. L'objet est alors entouré de plasma ce qui va considérablement échauffer sa paroi. Sans une protection thermique suffisante, celui-ci serait désintégré sauf dans le cas où l'objet en question est de très grande taille et résiste quelques peu au plasma, sa désintégration ne sera que partielle. C'est pour cela que les scientifiques de la Nasa durent concevoir un bouclier thermique suffisant afin de ne pas détruire le vaisseau lors de sa rentrée dans l'atmosphère. De plus, pour effectuer une entrée avec des risques diminués, les capsule devait entrer dans l'atmosphère avec un angle précis de 6,6° afin d'éviter d'aller trop lentement ce qui entrainerait un rebondissement sur les différentes couches de l'atmosphère ainsi que d'aller trop vite car cela entrainerai une destruction du CM car le bouclier thermique ne pourrai alors plus résister à la chaleur trop importante
La trajectoire de retour
Le schéma suivant illustre la trajectoire du CM lors du vol de retour. Nous pouvons observer que la capsule effectuait un amerrissage. En effet, arriver dans un immense océan est bien plus facile que sur un piste ou une aire d’atterrissage réduite par rapport à la taille d'un océan.
La capsule après son entrée dans l'atmosohére, fut freinée grâce au parachute dont elle était munie. Les parachutes permirent au CM de ne pas arriver trop vite dans l'océan. Le schéma suivant nous montre quels sont les étapes de l'amerrissage.
Date de dernière mise à jour : 2021-07-02 16:50:42