mardi 19 juin 2018

JFK: nous serons les premiers à marcher sur la lune!

"We choose to go to the moon..." 1962, John Fitzgerald Kennedy (1917/1963)

Le Conseil International des Unions Scientifiques organise pour 1957/1958 la célébration de la quatrième "Année Géophysique Internationale" qui s'étendra sur 14 mois correspondant à une période de Chandler. Il s'agit initialement de coordonner l'étude des phénomènes géophysiques et météorologiques aux pôles terrestres mais les thèmes sont étendus à la géophysique en général, y compris l'exploration de l'Espace.


Américains et Russes annoncent qu'ils lanceront à cette occasion leurs premiers satellites artificiels, entre six et douze pour les USA mais un seul pour l'URSS.
Aux USA un programme civil, Vanguard, et un programme militaire chargé de la mise au point des missiles, Orbiter, sont menés de front.
Le 4 octobre 1957 Spoutnik vole la vedette aux américains et stupéfie le monde. L'exploit est ré-édité le 3 novembre. Le programme Vanguard est un fiasco et ne peut répondre aux soviétiques. Eisenhower confie alors cette mission à Wernher von Braun et ses équipes qui, le 31 janvier 1958, mettent sur orbite le premier petit satellite américain à l'aide du missile Juno.
La compétition pour la conquête de l'espace est lancée avec pour premier objectif la maîtrise des techniques spatiales et en ligne de mire la lune.

Nouveau coup de tonnerre le 12 avril 1961: Youri Gagarine (1934/1968) fait le tour de la terre à 250 km d'altitude, en 108 minutes, et revient sain et sauf. La réplique américaine est donnée par Alan Shepard (1923/1998) qui doit se contenter de faire un saut de puce de 15 minutes à 186 km d'altitude, un mois plus tard, le 5 mai (il prendra sa revanche dix ans après comme commandant de bord de la mission Apollo 14).
C'en est trop et John Kennedy, président entré en fonction quelques mois plus tôt, mobilise l'Amérique le 25 mai 1961 en fixant comme défi la conquête de la lune dans les dix ans.
Le pari est osé car on ne connait rien des dangers à moyen terme de l'espace pour la vie humaine, rien non plus des caractéristiques du sol lunaire et encore bien peu sur les trajectoires des engins spatiaux.

Le fondateur de la science astronautique est le théoricien russe Constantin Tsiolkovski (1857/1935) autodidacte puis enseignant et enfin élu à l'Académie des Sciences de l'URSS en 1918.
Appliquant le principe action / réaction de Newton il s'affranchit de la croyance selon laquelle une fusée s'appuierait sur l'air et conçoit un vaisseau spatial emportant dans le vide son carburant et son comburant, sous forme solide ou liquide, produits désignés de nos jours par le terme "ergols".
Et il établit, parallèlement à un général belge Casimir Coquilhat (1811/1890) dont les travaux resteront confidentiels jusqu'en 2008! (source ESA), la loi fondamentale des vitesses des fusées dans le vide à partir de la loi de la conservation de la quantité de mouvement. Si v est la vitesse constante d'éjection des gaz et V l’accroissement de vitesse de la fusée on peut écrire:

m.dV = v.dm ou dV = v.dm/m, ce qui donne par intégration V = v * (Log(M1) - Log(M2)) = v * Log(M1 / M2) où M1 est la masse initiale et M2 la masse finale.
Si E est la masse des ergols et M0 la masse à vide, la loi s'écrit donc V = v * Log(1 + E / M0).
Cette équation montre l'importance du rapport de masse (masse d'ergols / masse à vide) qui intervient atténué par la fonction logarithme.

Pour une fusée dans le vide de masse 108 t dont 2 t de charge utile, 100 t d'ergols éjectés à la vitesse de 2000 m/s, et 6 t de masse à vide (6% de la masse des ergols) l'accroissement de vitesse est: 2000 * Log( 1 + 100 / 8) ) soit 2000 * 2.6 = 5200 m/s.
Si la fusée est soumise à un champ de gravité il faut diminuer la valeur calculée de l'influence de celle-ci égale au produit de l'accélération par la durée de combustion.
La vitesse d'éjection des gaz pour une fusée à poudre ne dépasse pas 2000 m/s, la performance est donc à rechercher dans l'utilisation d'ergols bien plus énergétiques tels que le pétrole (2600 m/s) ou l'hydrogène (4000 m/s).
Pour améliorer le rapport de masse il faudra évidemment privilégier les enveloppes utilisant les matériaux les plus résistants. Mais il y a un autre procédé pour l'améliorer qui consiste à alléger la fusée non seulement des ergols brûlés mais aussi de leur contenant. C'est le principe de la fusée à étages qui consiste à larguer par morceaux successifs les masses devenues inutiles. La poussée concernant alors une masse amoindrie est d'autant plus efficace.

On peut par exemple découper la fusée précédente en un premier étage de 80 t d'ergols et 4.8 t de masse à vide et d'un deuxième de 20 t d'ergols et 1.2 t de masse à vide. Après combustion du premier étage la fusée atteindra la vitesse de 2000 * Log( 1 + 80 / 28 ) soit 2000 * 1.35 = 2700 m/s, puis, la masse de la fusée étant réduite à 23.2 t (2 t de charge utile, 20 t d'ergols et 1.2 t de masse à vide), l'accroissement de vitesse à la fin de la combustion du deuxième étage sera de 2000 * Log( 1 + 20 / 3.2 ) soit 2000 * 1.98 = 3960 m/s.
La vitesse atteinte est alors de 6660 m/s soit 28% de plus que la fusée à étage unique.


Le premier étage de la fusée lunaire Saturne V brûle du kérosène avec une vitesse d'éjection de 2600 m/s et les deux autres étages de l'hydrogène avec une vitesse d'éjection de 4100 m/s. La vitesse théorique résultante est donc de 2600*1.25 + 4100*0.96 + 4100*1.1 = 11690 m/s ce qui est un peu supérieure à la vitesse de libération (deuxième vitesse cosmique) à 200 km d'altitude, 11007 m/s, le supplément servant à vaincre la résistance de l'air et la gravité terrestre.

La première guerre mondiale a vu l'essor de l'aviation et le vol de plus lourd que l'air n'est plus un rêve. L'espace devient alors le domaine de la science fiction et, à partir des années 1920, il se produit un engouement généralisé pour les problèmes posés par le voyage spatial. Nombre de vocations scientifiques s'affirment dans de nombreux pays, Pedro Paulet (1874/1945) en France, Robert Goddard (1882/1945) aux Etats Unis, Hermann Oberth (1894/1989) en Autriche, Yuri Kondratyuk (1897/1942) en Ukraine, Sergueï Korolev (1907/1966) en URSS et bien d'autres, notamment en Allemagne. En 1927 est créée à Breslau, ville allemande à l'époque, le "Verein für Raumschiffart" qui regroupe les amateurs passionnés de fusée en Allemagne, dont Walter Hohmann (1880/1945) et Wernher von Braun (1912/1977) qui en est membre dès ses 18 ans.  De multiples essais sont menés et aboutissent en 1932 à une fusée "repulsor" à alcool qui atteint 1500 m d'altitude.


Le traité de Versailles de juin 1919 interdit à l'Allemagne la détention d'armes lourdes telles que les canons à longue portée, mais reste muet quant aux fusées qui ne sont pas encore perçues comme des armes de guerre. Certains militaires allemands sont donc portés à explorer les possibilités des missiles et le capitaine de la Reischwehr Walter Dornberger (1895/1980) est désigné en 1930 pour cette mission: il dirige le Bureau des engins balistiques spéciaux.
W. von Braun accepte en 1932 de travailler avec Dornberger. En 1937 est installé un centre d'études et d'essais complet à Peenemünde au bord de la Baltique où les progrès, alternant avec les échecs, conduisent au mois d'octobre 1942 à la mise au point de la fusée A4 correspondant au cahier des charges imposé par les militaires. Le 3 octobre le modèle testé franchit le mur du son et atteint l'altitude de 80 km. Dornberger fixe à ce moment le premier jour de l'âge astronautique.
Ce succès doit presque tout aux talents multiples de Wernher von Braun.
Mais les Nazis, voulant répondre aux bombardements massifs subis par le pays, s'emparent de cet exploit technologique et le baptisent "Vergeltungswaffe 2", soit Arme de Représailles 2, la n° 1 étant le missile V1 équipé d'un pulsoréacteur à essence très simple, qui entre en service en juin 1944, trois mois avant le V2.

missile V1
 
réplique de missile V2, Peenemünde

La fusée A4, haute de 14 m et d'une masse de 12.5 t (4.5 t à vide), équipée d'un moteur-fusée fonctionnant à l'éthanol (75% d'alcool et 25% d'eau) et l'hydrogène liquide et développant une poussée de 270 kN t (25 t) avec une vitesse d'éjection des gaz de 2000 m/s, est un engin très innovant qui n'a pas, de très loin, son équivalent dans les autres pays. Elle atteint l'altitude de 90 km, vole à mach 3 en emportant une charge de près d'une tonne à plus de 300 km. L'équation de Tsiolkovski donne une vitesse maximale théorique dans le vide de 2000 * Log(1 + 8 / 4.5) soit 2040 m/s ou 7344 km/h mais, à l'échelle spatiale, cette fusée reste très près du sol terrestre ce qui explique l'écart de vitesse.

L'A4 n'est pas encore une fusée spatiale mais c'est la mère de toutes les fusées de l'espace.


fusée A4

Le V2 entre en production en juin 1943 à Peenemünde puis, après le bombardement allié, dans les tunnels d'anciennes mines à Nordhausen, en utilisant, dans des conditions de travail totalement inhumaines, la main d’œuvre puisée dans les camps de concentration de Dora.
Entre août 1944 et mars 1945, 4600 V2 sont construits, environ 3000 sont effectivement lancés. Ils n'ont eu qu'un très faible impact militaire en raison de l'imprécision des tirs et de la relative faiblesse du poids d'explosifs emportés. Ils ont surtout servis de propagande à destination des populations allemandes.

De leur coté, les Américains ont porté leur effort de guerre non conventionnel sur le projet Manhattan, démarré au Laboratoire de Los Alamos en mars 1943 sous la direction technique de Robert Oppenheimer (1904/1967) et débouchant en août 1945 sur les deux bombes atomiques A et H larguées au Japon, sur Hiroshima et Nagasaki. Autre approche, autre résultat...

Georges Rémi (1907/1983) s'est vraisemblablement inspiré de l'allure de l'A4 pour dessiner la fusée construite par le professeur Tryphon Tournesol, avec la lune comme objectif, et révélée début 1950...

W. von Braun qui s'est rendu aux américains le 2 mai 1945 est exfiltré aux USA en septembre 1945 avec ses équipes. Le général Dornberger purge deux ans de prison à Londres mais, expliquant qu'il n'avait pas prévu que le V2 soit utilisé sur des cibles civiles, il échappe à la qualification de criminel de guerre et rejoint W. von Braun en 1947...

Les Russes ont capturé en 1945 un certain nombre d'ingénieurs et techniciens allemands (dont Helmut Gröttrup (1916/1981) assistant de W. von Braun, spécialiste du guidage) qui travailleront pour l'URSS, d'abord en Allemagne de l'Est en 1946 puis en Russie, sous les ordres de Sergueï Korolev. Celui-ci, après trois années de goulag à la Kolyma entre 1938 et 1940, dirige l'OKB 1 (Bureau d’Études Expérimental n °1 au sein de l'Institut de Recherches Scientifiques n ° 88) créé par Joseph Staline (1878/1953) en mai 1946.

Korolev remporte la première manche de la compétition pour la conquête de l'espace avec le missile intercontinental Semiorka, opérationnel dès août 1957. Le Semiorka est dérivé directement de la fusée A4 puisque Korolev a assemblé quatre A4 autour d'une A4 centrale. Après combustion les réservoirs et moteurs latéraux sont largués et on a donc bien une fusée à étages. Les cinq moteurs-fusée brûlent un mélange de kérosène et d'oxygène liquide, chacun comprenant quatre chambres principales de combustion avec une tuyère par chambre.
Deux petits moteurs-fusée périphériques équipent chaque moteur extérieur, le moteur intérieur en recevant quatre. Leur rôle est d'affiner et corriger les poussées principales, d'où leur nom de moteurs vernier qui rappelle l'ingénieux système de mesure mis au point par le mathématicien Pierre Vernier (1580/1638) natif d'Ornans (comme Gustave Courbet (1818/1877)!).

Ces caractéristiques font du Semiorka le lanceur massivement utilisé le plus fiable.
la propulsion du Semiorka par 20 chambres principales de combustion


le Semiorka de Spoutnik à Soyouz

Semiorka a lancé les Spoutnik, puis les fusées lunaires Luna, puis Gagarine. Ce missile transformé en lanceur est un vrai succès. Sa carrière continue de nos jours puisque c'est encore lui, 60 années après sa mise au point, qui est à la base des fusées qui permettent de desservir la Station Spatiale Internationale à 400 km d'altitude.
 
30 diamètres terrestres les séparent

Conquérir la lune, mais comment?
D'abord, quelle trajectoire? Pas question de faire comme Jules Verne en 1905 avec un canon surpuissant ou comme Tintin en 1950 avec une fusée atomique qui se retourne pour alunir en douceur et revient comme elle est partie. La théorie dit qu'il faudrait lancer la fusée horizontalement avec une vitesse qui frise la vitesse de libération de l'attraction terrestre, soit, au niveau du sol, 11.18 km/s. Mais l’atmosphère terrestre constitue un obstacle et il faut adopter un décollage vertical dans les couches les plus denses puis une trajectoire progressivement horizontale, vers l'est pour profiter de la vitesse d'entraînement produite par la rotation terrestre.
Faire décrire à la fusée une orbite englobant terre et lune est le trajet le plus rapide mais il y a le risque qu'en cas d'imprécision la gravité lunaire ne l'envoie autour du soleil.
La solution la plus sûre, et aussi la plus économique en énergie, consiste à décrire, dans le sens direct, l'orbite elliptique à forte excentricité, de foyer le centre de la terre qui passera près du point L1 de Lagrange entre terre et lune puis à emprunter à partir de ce point, dans le sens rétrograde, l'orbite équivalente qui a le centre de la lune comme foyer. Le retour sera analogue mais, la lune parcourant son orbite autour de la terre à la vitesse d'1 km/s, l'effet d'entraînement le raccourcira légèrement. Le point de Lagrange se situe à une distance moyenne d'environ 326.000 km de la terre et 58.000 km de la lune. C'est le point de l'espace où les attractions des deux astres se contrebalancent et où la vitesse de la fusée s’annulerait: il marque le changement de courbure de la trajectoire. Dans la pratique les fusées passeront au voisinage du point de Lagrange avec une vitesse de l'ordre de 1 km/s.
Dans les figures ci-dessous l'arc de cercle en vert est celui décrit par le point de Lagrange (la distance terre-lune n'est pas à l'échelle).


de la terre à la lune en 3 jours
de la lune à la terre en 3 jours

La descente sur la lune, qui n'a pas d'atmosphère, se fera sur une trajectoire quasiment parabolique. La masse de la lune étant égale à 0.0123 fois celle de la terre et son rayon égal à 0.2725 celui de la terre, la vitesse de libération sur la lune, au sol, est égale à 11.18 * rac(0.0123 / 0.2725) = 2.38 km/s.
Ainsi, à l'aller il faut vaincre la résistance de l’atmosphère terrestre, atteindre la vitesse de libération de la terre puis à partir du point neutre annuler la vitesse de libération lunaire.
Le retour est identique sauf que l'annulation de la vitesse de libération terrestre peut être obtenu grâce à l’atmosphère.
On voit alors que la masse minimale à faire décoller de la terre s'obtient en appliquant le plus possible le principe des étages et, surtout, en ne faisant alunir et décoller de la lune que le minimum de masse.
D'où l'idée de découper en deux parties le vaisseau lunaire en laissant en orbite les consommables er équipements nécessaires à son retour sur terre et en ne faisant alunir que la masse minimale indispensable à la réussite de la mission sur la lune et à la remontée pour la réunion des deux parties sur l'orbite d'attente.
John Houbolt (1919/2014) ingénieur au Centre de Recherche de Langley a du batailler un an pour convaincre les responsables de la NASA du bien fondé de cette solution dont il avait eu l'intuition (et le physicien ukrainien Yuri Kondratyuk avant lui, voir le timbre reproduit ci-dessus!). En effet elle ajoutait une difficulté et un risque supplémentaires qui étaient de mener à bien le rendez-vous entre les deux parties du vaisseau lunaire en orbite autour de la lune, à près de 400.000 km de la terre. Cependant l'économie en énergie s'est trouvée déterminante et a conduit à une décision positive prise fin 1962.



Lunar Orbiter Rendezvous

Une fois la trajectoire choisie il faut reconnaître les dangers de l'espace. Des animaux, puis des hommes sont envoyés dans l'espace, d'abord à l'abri d'une capsule puis simplement reliés à celle-ci lors de sorties extra-véhiculaires. Rayons cosmiques, météorites, champs magnétiques apparaissent ainsi compatibles avec la vie humaine moyennant précautions.

Quant au sol de la lune, il fait d'abord l'objet de photographies de plus en plus rapprochées puis d'impacts violents et enfin d'explorations en douceur par des sondes automatiques: il supporte sans mal un objet lourd.

Les premières Luna russes et les premiers Pioneer américains connaissent des déboires à répétition et ne progressent que lentement. Les Soviétiques perdent peu à peu leur avance sur les USA et on peut considérer que les deux nations en compétition sont au coude à coude à partir de 1966, chacune épiant l'autre.
Le 13 juillet 1969, trois jours avant le décollage d'Apollo 11, les Russes enverront la sonde inhabitée Luna XV vers la lune et la mettront en orbite lunaire, affirmant qu'elle ne gênerait pas le vaisseau américain. Elle s'écrasera sur la lune le 21 juillet, sans que sa mission soit révélée, cet épisode consacrant l'avance américaine.

A la fin de 1959, Wernher von Braun et ses équipes d'ingénieurs et techniciens allemands sont appelés à quitter le Département de la Défense où ils mettaient au point les missiles balistiques Jupiter et Juno et à rejoindre la NASA. Deux ans plus tard, le projet de lanceur codé C 5 est retenu. Ce sera "Saturn V" (Jupiter et Juno, frère et sœur, et...époux, ont Saturne pour père...) et la mission s'appellera Apollo, fils de Jupiter et dieu de la lumière, de l'harmonie, des arts et des sciences...

L'architecture complexe de la fusée Saturn V se décompose en:

Un premier ensemble atteignant le voisinage de la lune (le train lunaire) d'une masse de 45 t comprenant: la capsule inerte qui reviendra avec les astronautes (masse: 6.5 t), son module de service motorisé chargé de la "restructuration", de l'orientation, du freinage lors de l'approche et de l'accélération pour le retour (masse: 24 t dont 18.5 t d'hypergols), le module lunaire composé de l'étage de descente (masse: 10 t dont 8 t d'hypergols) et de celui de remontée tous deux motorisés (masse: 4.5 t dont 2.3 t d'hypergols).

Un second ensemble chargé de la propulsion, composé du premier étage équipé de cinq moteurs F1 (masse: 2300 t dont 2150 t de kérosène et d'oxygène brûlés en 2.5 minutes), du deuxième étage équipé de cinq moteurs J2 (masse: 480 t dont 445 t d'hydrogène et d'oxygène brûlés en 6.5 minutes) et du troisième étage équipé d'un moteur J2 (masse: 107 t dont 96 t d' hydrogène et d'oxygène). Le troisième étage joue deux rôles: d'abord, en 2 minutes, il complète l'effet des deux premiers en circularisant l'orbite d'attente du train lunaire à 185 km d'altitude, puis c'est lui qui, en 5 minutes, l'injecte sur la trajectoire lunaire en ajoutant 3.14 km/s à la vitesse sur orbite pour atteindre une valeur proche de la vitesse de libération, 10.8 km/s. En 16 minutes de fonctionnement les trois étages envoient le train lunaire sur sa trajectoire.

la restructuration: à gauche le 3ème étage, à droite le train lunaire
Pourquoi une "restructuration"?
Au décollage la capsule des astronautes doit être au sommet de la fusée de façon qu'en cas d'explosion elle puisse être projetée loin au dessus du pas de tir et retomber hors zone. A cet effet la capsule est surmontée d'une tour de sauvetage (4.2 t) équipée de ses propres fusées de secours et larguée en même temps que le premier étage (cette tour n'a du être utilisée qu'une fois, en 1983, sur une fusée Soyouz).
Par ailleurs le nez de la fusée doit être conique pour un bon aérodynamisme dans l'atmosphère, notamment pour franchir le mur du son une minute après l'envol, et pour minimiser l'échauffement aux vitesses de mach 8 dans les basses couches à 50 km d'altitude.

Lors du retour sur terre c'est le fond de la capsule qui sera présenté à l'atmosphère pour le freinage et qui subira une abrasion du fait de la température atteinte. Son intégrité est donc primordiale. Le transfert des astronautes de la capsule vers le module lunaire ne peut donc pas se faire au travers du fond mais par le sommet, ce qui oblige à un retournement tête-bêche. Cette opération intervient au début de la trajectoire lunaire et le train lunaire se compose alors, dans l'ordre, du module de service prêt au freinage, de la capsule, du module de remontée et du module de descente.

écorché de Saturn V et entreprises concernées (crédit CAPCOMESPACE)


moteurs F1 du premier étage
moteurs J2 du deuxième étage (par Piotrus)
moteur J2 du troisième étage

les altitudes des orbites sont largement amplifiées
Herbert Pilcher in "La conquête de la Lune", peut écrire: "Au départ, Saturne V emportait une masse de 3.000 t. Tout ce qui revient de la lune est une capsule de 5.4 t...La fusée Saturne connaît donc un étrange destin: après avoir mis des années à naître, des mois à être construite, des semaines à être testée, elle voit finalement, en cours de vol, la majorité de ses éléments se disperser dans l'espace après une très brève période de fonctionnement".


"La terre trembla dans un rayon de 4 km...Avec une lenteur impressionnante, le monstre de 111 m de haut enleva ses 3.000 t de l'aire de lancement. Puis il gagna rapidement de la vitesse et, traînant derrière lui une langue de feu de 150 m, s'élança dans le ciel avec un bruit de tonnerre", cité par Pilcher.

Le succès complet des missions Apollo est le fruit de dix années d'une collaboration de plusieurs centaines de milliers de personnes emmenées par
Wernher von Braun et James Webb.
C'est un exploit scientifique incommensurable encore aujourd'hui.


Cependant, 50 ans après cette conquête, "la bille chauve qui nous nargue dans l'espace depuis l'aube des siècles,....un astre dont les paysages désolés, sans un arbre, sans une goutte d'eau à boire, sans la moindre bouffée d'air à respirer, évoquent plutôt les lendemains d'un effroyable cataclysme que les promesses d'un riant avenir" (André Fontaine, numéro du 22/07/1969 du journal "Le Monde"), n'intéresse plus!

Et Sirius, avatar d'Hubert Beuve-Méry (1902/1989), directeur du journal, se fait philosophe dans son éditorial du même jour:
"L'individu n'est, jusqu'à nouvel ordre, qu'un condamné à mort, seule l'espèce survit en reculant un peu plus chaque jour les bornes de sa puissance. De génération en génération, Sisyphe, joyeux, inquiet ou torturé, accomplit inlassablement son destin. Au lendemain de chaque triomphe, son propre mystère demeure pour lui, de tous, le plus immédiat et le plus impénétrable.
Pourra-t-il jamais cesser d'interroger son intelligence ou sa foi et de leur demander: "Oui, mais pourquoi?""



le jeu de l'oie Apollo pour sept joueurs n° 11 à 17...(NASA)

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