Programme spatial Apollo

Programme Apollo

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Premiers pas sur la Lune de Buzz Aldrin le 20 juillet 1969 lors de la mission Apollo 11 avec sa combinaison spatiale A7L.

Lancement de la fusée Saturn 5 de la mission Apollo 11.

Le centre de contrôle de tir lors du lancement d'Apollo 12. À l'époque les terminaux des contrôleurs disposent d'interfaces rudimentaires (1969)

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Le programme Apollo est le programme spatial de la NASA mené durant la période 1961 – 1975 qui a permis aux États-Unis d'envoyer pour la première fois des hommes sur la Lune. Il est lancé par John F. Kennedy le 25 mai 1961, essentiellement pour reconquérir le prestige américain mis à mal par les succès de l'astronautique soviétique, à une époque où la guerre froide entre les deux superpuissances battait son plein.

Le programme avait pour objectif de poser un homme sur la Lune avant la fin de la décennie. Le 21 juillet 1969, cet objectif était atteint par deux des trois membres d'équipage de la mission Apollo 11, Neil Armstrong et Buzz Aldrin. Cinq autres missions se sont posées par la suite sur d'autres sites lunaires et y ont séjourné jusqu'à trois jours. Ces expéditions ont permis de rapporter 382 kilogrammes de roche lunaire et de mettre en place plusieurs batteries d'instruments scientifiques. Les astronautes ont effectué des observations in situ au cours d'excursions sur le sol lunaire d'une durée pouvant atteindre 8 heures, assistés à partir d'Apollo 15 par un véhicule tous-terrains, le rover lunaire.

Aucun vol orbital n'avait encore été réalisé en mai 1961. Pour remplir l'objectif fixé par le président la NASA lança plusieurs programmes destinés à préparer les futures expéditions lunaires : le programme Gemini pour mettre au point les techniques de vol spatial et des programmes de reconnaissance (Programme Surveyor, Ranger,...) pour, entre autres, cartographier les zones d'atterrissage et déterminer la consistance du sol lunaire. Pour atteindre la Lune, les responsables finirent par se rallier à la méthode audacieuse du rendez-vous orbital lunaire, qui nécessitait de disposer de deux vaisseaux spatiaux dont le module lunaire dédié à l'atterrissage sur la Lune. La fusée géante de 3 000 tonnes Saturn V, capable de placer en orbite basse 118 tonnes, fut développée pour lancer les véhicules de l'expédition lunaire. Le programme drainera un budget considérable (135 milliards de dollars US valeur 2005) et mobilisera jusqu'à 400 000 personnes. Deux accidents graves sont survenus au cours du projet : l'incendie au sol du vaisseau spatial Apollo 1 dont l'équipage périt brulé et qui entraina un report de près de deux ans du calendrier et l'explosion d'un réservoir à oxygène du vaisseau spatial Apollo 13 dont l'équipage survécut en utilisant le module lunaire comme vaisseau de secours.

Les missions lunaires ont permis d'avoir une meilleure connaissance de notre satellite naturel. Le programme Apollo a favorisé la diffusion d'innovations dans le domaine des la sciences des matériaux et a contribué à l'essor de l'informatique ainsi que des méthodes de gestion de projet et de test. Les photos de la Terre, monde multicolore isolé dans un espace hostile, ainsi que celles de la Lune, monde gris et mort, ont favorisé une prise de conscience mondiale sur le caractère exceptionnel et fragile de notre planète. Le programme est à l'origine d'une scission dans la communauté scientifique et parmi les décideurs entre partisans d'une exploration robotique jugée plus efficace et ceux pour qui l'exploration humaine a une forte valeur symbolique, qui justifie son surcoût.

Le contexte

Le vol de Youri Gagarine le 12 avril 1961 a été le déclencheur du programme Apollo

La guerre froide

Durant les années 1950 la guerre froide bat son plein entre les États-Unis et l'Union Soviétique, les deux superpuissances de l'époque. Celle-ci se traduit par des affrontements militaires indirects (Guerre de Corée), et une course aux armements qui porte notamment sur le développement de missiles intercontinentaux porteurs de têtes militaires nucléaires capables d'atteindre le territoire national de l'adversaire. Les deux pays développent ces fusées en s'appuyant largement sur les travaux et l'expertise de savants et techniciens allemands qui ont mis au point le premier engin de ce type lors de la Seconde Guerre mondiale, la fusée V2. L'Union Soviétique prend une certaine avance en réussissant en 1956 le premier tir d'un missile intercontinental, la R-7 Semiorka, ancêtre direct de la fusée Soyouz. Cette fusée de 280 tonnes est particulièrement puissante car elle doit emporter une bombe A pesant 5 tonnes alors que les missiles américains, conçus pour lancer des bombes H techniquement plus avancées donc beaucoup plus légères, sont de taille plus réduite.

La course à l'espace

En juillet 1955, les États-Unis et l'URSS annoncent chacun de leur côté qu'ils lanceront un satellite artificiel dans le cadre des travaux scientifiques prévus pour l'Année géophysique internationale (juillet 1957-décembre 1958). Début 1956, le concepteur de la Semiorka, Sergueï Korolev, réussit à convaincre les dirigeants soviétiques d'utiliser son missile comme lanceur spatial. À la surprise générale, le 4 octobre 1957, l'Union Soviétique est la première à placer en orbite le satellite Spoutnik 1. L'opinion internationale est fascinée par cet événement qui semble présager le début d'une nouvelle ère technique et scientifique. C'est un choc pour les responsables et l'opinion publique américaines, jusqu'alors persuadés de leur supériorité technique. Les dirigeants soviétiques, d'abord surpris par l'impact de ce lancement, ne tardent pas à comprendre le prestige international que le régime peut retirer des succès de sa politique spatiale ; ils décident de se lancer dans un programme ambitieux.

À la même époque le programme Vanguard, pendant américain du programme spatial russe, après un échec spectaculaire (télévisé) qui semble confirmer l'avance soviétique, parvient à placer le 17 mars 1958 Vanguard 1 un satellite de 1,5 kg (contre plus de 80 kg pour Spoutnik 1). Bien que réticent à investir massivement dans le spatial civil, le président américain Dwight D. Eisenhower décide le 29 juillet 1958 la création d'une agence spatiale civile, la NASA, qui doit permettre de fédérer les efforts américains pour mieux contrer les réussites soviétiques : la course à l'espace est lancée^{[N 1]}. La même année voit le début du programme Mercury qui doit permettre la mise en orbite des premières missions habitées américaines.

Mais les soviétiques, qui disposent d'une avance importante et d'une fusée fiable pouvant emporter une grosse charge utile, continuent de multiplier les premières : premier animal placé en orbite (Spoutnik 2), premier satellite à échapper à l'attraction terrestre (Luna 1), premier satellite à s'écraser sur la Lune (Luna 2), première photo de la face cachée de la Lune (Luna 3), premier animal à revenir vivant après un séjour dans l'espace (Spoutnik 5), premier survol de Vénus (Venera 1).

Le lancement du programme Apollo

Le président Kennedy annonce le lancement du programme devant le Congrès américain le 25 mai 1961

Lorsqu'il arrive au pouvoir en janvier 1961, le président américain John F. Kennedy est, comme son prédécesseur, peu enclin à donner des moyens importants au programme spatial civil^[1]. Mais le lancement du premier homme dans l'espace par les soviétiques (Youri Gagarine, 12 avril 1961) le convainc de la nécessité de disposer d'un programme spatial ambitieux pour récupérer le prestige international perdu. L'échec du débarquement de la baie des Cochons (avril 1961) destiné à renverser le régime de Fidel Castro installé à Cuba, qui écorne un peu plus l'image des États-Unis auprès des autres nations, contribue également sans doute à son changement de position.

John Kennedy demande à son vice-président Lyndon Johnson de lui désigner un objectif qui permettrait aux États-Unis de reprendre le leadership à l'Union Soviétique. Parmi les pistes évoquées figurent la création d'un laboratoire spatial dans l'espace et un simple survol lunaire. Le vice-président, qui est un ardent supporter du programme spatial, lui répond que la recherche et l'industrie américaine ont la capacité d'envoyer une mission habitée sur la Lune et lui recommande de retenir cet objectif.^[2] Le 25 mai 1961 le président annonce devant le Congrès des États-Unis le lancement d'un programme qui doit amener des astronautes américains sur le sol lunaire avant la fin de la décennie^{[3][N 2]}. Il confirme sa décision dans un autre discours resté célèbre, « we choose to go to the Moon », le 12 septembre 1962.

La proposition du président reçoit un soutien enthousiaste des élus de tous les horizons politiques ainsi que de l'opinion publique traumatisés par les succès de l'astronautique soviétique^[4]. Le premier budget est voté à l'unanimité par le Sénat américain. Les fonds alloués à la NASA vont passer de 500 millions de dollars en 1960 à 5,2 milliards de dollars en 1965 année de son plus haut. La NASA , grâce aux qualités manœuvrières de son administrateur James E. Webb, un vieux routier de la politique, put obtenir chaque année les fonds qu'elle souhaitait jusqu'au débarquement sur la Lune, même lorsque le soutien des élus commença à faiblir après 1963. James Webb sut en particulier s'assurer un appui solide auprès du président Lyndon B. Johnson qui avait succédé au président Kennedy assassiné en 1963^[5].

Historique du programme Apollo

Le choix de la méthode : le rendez-vous orbital lunaire

John Houbolt expliquant le scénario du LOR qu'il réussit à promouvoir non sans difficulté

Wernher von Braun, responsable du développement de la Saturn V, photographié devant le premier étage de la fusée

Dès 1959 des études sont lancées au sein de l'agence spatiale américaine dans une perspective à long terme, sur la manière de poser un engin habité sur la Lune. Trois scénarios principaux se dégagent^[6] :

• L'envoi direct d'un vaisseau sur la Lune (Direct Ascent) : une fusée de forte puissance, de type Nova, envoie le vaisseau complet ; celui-ci atterrit sur la Lune puis en décolle avant de retourner sur la Terre.
• Le rendez-vous orbital autour de la Terre (EOR Earth-Orbit Rendez-vous) : pour limiter les risques et le coût de développement de la fusée Nova, les composants du vaisseau sont envoyés en orbite terrestre par deux ou plusieurs fusées moins puissantes. Ces différents éléments sont assemblés en orbite en utilisant éventuellement une station spatiale comme base arrière. Le déroulement du vol du vaisseau, par la suite, est similaire à celui du premier scénario.
• Le rendez-vous orbital autour de la Lune (LOR pour Lunar Orbital Rendez vous) : une seule fusée est requise mais le vaisseau spatial comporte deux sous-ensembles qui se séparent une fois que l'orbite lunaire est atteinte : un module dit « lunaire » se pose sur la Lune avec deux des trois astronautes et en décolle pour ramener les astronautes jusqu'au module dit « de commande », resté en orbite autour de la lune, qui prend en charge le retour des astronautes vers la Terre. Cette solution permet d'économiser du poids par rapport aux deux autres scénarios (beaucoup moins de combustible est nécessaire pour faire atterrir puis décoller les hommes sur la Lune) et permet de concevoir un vaisseau dédié à sa mission proprement lunaire. La fusée à développer est moins puissante que celle requise par le premier scénario.

Lorsque le président américain John Kennedy donne à la NASA en 1961, l'objectif de faire atterrir des hommes sur la Lune avant la fin de la décennie, l'évaluation de ces trois méthodes, est encore peu avancée. L'agence spatiale manque d'éléments : elle n'a pas encore réalisée un seul véritable vol spatial habité (le premier vol orbital de la capsule Mercury n'a lieu qu'en septembre 1961). L'agence spatiale ne peut évaluer l'ampleur des difficultés soulevées par les rendez-vous entre engins spatiaux et elle ne maîtrise pas l'aptitude des astronautes à supporter de longs séjours dans l'espace et à y travailler ; ses lanceurs ont essuyé une série d'échecs qui l'incite à la prudence dans ses choix techniques.

Aussi, bien que le choix de la méthode conditionne les caractéristiques des véhicules spatiaux et des lanceurs à développer et que tout retard pris dans cette décision pèse sur l'échéance, la NASA va mettre plus d'un an, passé en études et en débats, avant que le scénario du LOR soit finalement retenu.

Au début de cette phase d'étude, le LOR est la solution qui a le moins d'appui malgré les démonstrations détaillées de John C. Houbolt du Centre de Recherche de Langley, son plus ardent défenseur. Aux yeux de beaucoup de spécialistes et responsables de la NASA, le rendez-vous entre module lunaire et module de commande autour de la lune paraît instinctivement trop risqué : si les modules n'arrivent pas à se rejoindre en orbite lunaire, les astronautes occupant le module lunaire n'ont pas le recours de freiner leur engin pour se laisser redescendre : ils sont condamnés à tourner indéfiniment autour de la Lune. Les avantages de ce scénario, en particulier le gain sur la masse à satelliser, ne sont pas appréciés à leur juste mesure. Toutefois, au fur et à mesure que les autres scénarios sont approfondis, le LOR gagne en crédibilité : les partisans du vol direct - Max Faget et ses hommes du Centre des Vols Habités - se rendent compte de la difficulté de faire atterrir un vaisseau complet sur le sol lunaire irrégulier et aux caractéristiques incertaines^[7]. Wernher von Braun, qui dirige une équipe au Centre de vol spatial Marshall, et partisan d'un rendez-vous orbital terrestre, finit lui-même par être convaincu que le LOR est le seul scénario qui permettra de respecter l'échéance fixée par le président Kennedy^[8].

Au début de l'été 1962, alors que les principaux responsables de la NASA se sont tous convertis au LOR, ce scénario se heurte au véto de Jerome B. Wiesner, conseiller scientifique du président Kennedy. Le choix du LOR est finalement entériné le 7 novembre 1962. Dès juillet 11 sociétés aérospatiales américaines sont sollicitées pour la construction du module lunaire sur la base d'un cahier des charges sommaire^[9].

Un changement d'échelle

Le programme Apollo entraine un changement d'échelle : comparaison des lanceurs et véhicules spatiaux des programmes Mercury, Gemini et Apollo

Le bâtiment d'assemblage (VAB) de la fusée Saturn V ; la fusée de 110 mètres de haut en cours de déplacement donne l'échelle.

Le premier étage de la fusée Saturn V en cours de construction au centre de Michoud

Le 5 mai 1961, quelques jours après le lancement du programme Apollo, l'astronaute Alan Shepard effectue le premier vol spatial américain (mission Mercury 3). En fait il s'agit d'un simple vol suborbital car la fusée Mercury-Redstone utilisée (il n'y a pas d'autre lanceur disponible) n'a pas une puissance suffisante pour placer en orbite la petite capsule spatiale Mercury d'une masse un peu supérieure à 1 tonne^[10]. Le programme lunaire nécessite de pouvoir placer en orbite basse une charge utile de 120 tonnes. Le changement d'échelle qui en résulte est particulièrement important : la Nasa va passer de la fusée de 30 tonnes qui a lancé Alan Shepard aux 3 000 tonnes de Saturn V qui nécessitera de développer des moteurs d'une puissance aujourd'hui inégalée ainsi que des technologies nouvelles comme l'utilisation de l'hydrogène liquide.

Les effectifs affectés au programme spatial civil vont croitre en proportion. Entre 1960 et 1963 le nombre d'employés de la NASA passe de 10 000 à 36 000 tandis que le personnel de l'industrie spatiale travaillant pour la NASA passe sur la même période de 36 500 à 376 500 personnes. Pour accueillir ses nouveaux effectifs et disposer des installations adaptées au programme lunaire la NASA crée plusieurs centres de grandes taille :

• En 1961 le Centre spatial John C. Stennis est construit dans l'état du Mississipi : c'est que sont construits les bancs d'essais utilisés pour tester les moteurs-fusée développés pour le programme^[11].
• En 1962 le Manned Spacecraft Center (MSC) ^{[N 3]} est édifié près de Houston au Texas : il est dédié à la conception des vaisseaux spatiaux et à l'entrainement des astronautes.
• Pour lancer les fusées géantes du programme Apollo, la NASA a besoin d'installations à leur échelle. A cet effet elle met en construction en 1963 une nouvelle base de lancement, le Centre spatial Kennedy, situé sur l'île Meritt en Floride. Le nouveau centre spatial jouxte celui de Cap Canaveral de l'Armée de l'Air américaine d'où sont parties, jusqu'alors, toutes les missions habitées et les sondes spatiales de l'agence spatiale mais qui ne dispose pas de l'espace nécessaire pour le nouveau programme^[12]. Au cœur du nouveau centre spatial le complexe de lancement 39 comporte 2 aires de lancement et un immense bâtiment d'assemblage, le VAB (hauteur 140 mètres), dans lequel plusieurs fusées Saturn V peuvent être préparées en parallèle. Plusieurs plateformes de lancement mobile permettent de transporter la fusée Saturn assemblée jusqu'à l'aire de lancement. Le premier lancement depuis le nouveau terrain est celui d'Apollo 4 en 1967. Aujourd'hui le complexe est utilisé pour lancer la navette spatiale américaine.

Un défi technique et organisationnel sans précédent

Le projet Apollo a constitué un défi sans précédent sur le plan de la technique et de l'organisation : il fallait mettre au point un lanceur spatial dont le gigantisme générait des problèmes jamais rencontrés jusque là, deux nouveaux moteurs innovants par leur puissance (F-1) ou leur technologie (J-2), des vaisseaux spatiaux d'une grande complexité avec une exigence de fiabilité élevée (probabilité de perte de l'équipage inférieure à 0,2%) et un calendrier très tendu (8 ans entre le démarrage du programme Apollo et la date butoir fixée par le président Kennedy pour le premier alunissage d'une mission habitée). Le programme a connu de nombreux déboires durant la phase de développement qui ont tous été résolus grâce à la mise à disposition de ressources financières exceptionnelles avec un point culminant en 1966 (5,5% du budget fédéral alloué à la NASA), mais également une mobilisation des acteurs à tous les niveaux et la mise au point de méthodes organisationnelles (planification, gestion de crises, gestion de projet) qui ont fait école par la suite dans le monde de l'entreprise.

La mise au point du moteur F-1, d'architecture conventionnelle mais d'une puissance exceptionnelle (2,5 tonnes d'ergols brulés par seconde) fut très longue à cause de problèmes d'instabilité au niveau de la chambre de combustion qui ne furent résolus qu'en combinant études empiriques (comme l'utilisation de petites charges explosives dans la chambre de combustion) et travaux de recherche fondamentale^[15]. Le deuxième étage de la fusée Saturn V, qui constituait déjà un tour de force technique du fait de la taille de son réservoir d'hydrogène, eut beaucoup de mal à faire face à la cure d'amaigrissement imposée par l'augmentation de la charge utile au fur et à mesure de son développement^[16]. Mais les difficultés les plus importantes touchèrent les deux modules habités du programme : le CSM et le module lunaire Apollo. Le lancement du développement du module lunaire avait pris un an de retard à cause des atermoiements sur le scénario du débarquement lunaire. Il s'agissait d'un engin entièrement nouveau pour lequel aucune expérience antérieure ne pouvait être utilisée, par ailleurs très complexe du fait de son rôle. Les problèmes multiples - masse nettement supérieure aux prévisions initiales, difficulté de mise au point des logiciels indispensables à la mission, qualité déficiente, motorisation - entrainèrent des retards tellement importants qu'il mirent à un moment en danger la tenue de l'échéance du programme tout entier^{[17][18][19][20]}.

Les tests prennent une importance considérable dans le cadre du programme puisqu'ils représentent près de 50% de la charge de travail totale. L'avancée de l'informatique permet pour la première fois dans un programme astronautique de dérouler automatiquement la séquence des tests et l'enregistrement des mesures de centaines de paramètres (jusqu'à 1000 pour un étage de la fusée Saturn V) ce qui permet aux ingénieurs de se concentrer sur l'interprétation des résultats et réduit la durée des phases de qualification. Chaque étage de la fusée Saturn V subit ainsi quatres séquences de test : un test sur le site du constructeur, deux sur le site du MSFC, avec et sans mise à feu avec des séquences de test par sous-système puis répétition du compte à rebours et un test d'intégration enfin au centre spatial Kennedy une fois la fusée assemblée^[21].

Le programme soviétique lunaire : histoire d'un secret d'état

Pour compenser la puissance plus faible du lanceur N-1, les soviétiques avaient conçu un module lunaire beaucoup plus léger (ici à gauche du module américain) transportant un seul cosmonaute

Depuis Spoutnik 1 les dirigeants de l'URSS et les responsables du programme spatial soviétique avaient toujours fait en sorte de maintenir leur avance sur le programme américain. Il ne faisait aucun doute dans l'esprit des dirigeants américains comme dans celui de l'opinion publique que l'URSS allait lancer son propre programme de vol habité vers la Lune et tenter de réussir avant les Etats-Unis pour conserver le prestige associé à leur domination durant la première phase de la course à l'espace. Néanmoins après une déclaration publique en 1961 d'un dirigeant soviétique semblant relever le défi, aucune information officielle ne filtrera plus sur l'existence d'un programme lunaire habité soviétique au point de susciter le doute sur son existence chez certains représentants du congrès américain qui commencèrent, pour cette raison, à contester le budget alloué au programme Apollo à compter de 1963^[22]. Néanmoins pour les dirigeants de la NASA la menace d'une réussite soviétique exerça une pression constante sur le calendrier du programme Apollo : la décision de lancer la mission circumlunaire Apollo 8, qui à ce stade d'avancement de la qualification du vaisseau spatial constituait une certaine prise de risque, avait été largement motivée par la crainte de se faire devancer par les soviétiques. Certains indices contribuèrent par la suite à relacher la pression sur les décideurs de la NASA dans la dernière ligne droite qui précéda le lancement d'Apollo 11. Au cours des années 1970 aucune information n'avait filtré sur la réalité du programme soviétique et dans l'atmosphère de désenchantement qui suivit la fin du programme Apollo le célèbre journaliste américain Walter Cronkite, annonça gravement a son public que l'argent utilisé par le programme Apollo avait été gaspillé, car « les Russes n'avaient jamais été dans la course » ^[23] Ce n'est qu'avec la glasnost à la fin des années 1980 que commenceront à paraître quelques informations sur le sujet et il fallut attendre la chute de l'URSS pour que la réalité du programme lunaire soviétique soit reconnue par les dirigeants russes.

A compter du début des années 1960 le programme spatial habité soviétique, si performant jusque là, tourne à la confusion. Sergueï Korolev, à l'origine des succès les plus éclatants de l'astronautique soviétique, a commencé à concevoir à cette époque la fusée géante N-1 pour laquelle il réclame le développement de moteurs cryogéniques performants c'est à dire utilisant de l'hydrogène comme ceux en cours de développement chez les américains, mais se heurte au refus de Valentin Glouchko, qui a un monopole sur la fabrication des moteurs-fusée. Aucun programme lunaire n'est lancée en 1961 car Les responsables soviétiques sont persuadés que la NASA courre à l'échec^[24]. Le premier secrétaire du PCUS Nikita Khrouchtchev demande en juin 1961 à son protégé Vladimir Chelomei ^[25], rival de Korolev, de développer un lanceur, le Proton et un vaisseau LK-1 en vue d'un vol habité circumlunaire. Korolev riposte en proposant une mission de débarquement lunaire basée sur un vaisseau concurrent, le Soyouz (Союз), apte à des rendez-vous en orbite et un module d'atterrissage L3. Constatant les progrès américains, Kroutchev décide finalement le 3 août 1964, avec 3 ans de retard, de lancer l'astronautique soviétiques dans la course à la Lune : les programmes Proton (Прото́н) / Zond (Зонд, « sonde ») de survol de la Lune par une sonde inhabitée et N1-L3 de débarquement d’un cosmonaute sur la Lune de Korolev sont lancés officiellement^[26].

Gravement handicapé par la mort de Korolev en 1966 et par l'insuffisance des moyens financiers, le développement de la fusée N-1 rencontre des problèmes majeurs (4 vols, 4 échecs en 1969-1971) qui conduisent à son abandon le 2 mai 1974. C'est la fin des ambitions lunaires de l'URSS^[27]. Le lanceur Proton comme le vaisseau Soyouz après des débuts laborieux jouent aujourd'hui un rôle central dans le programme spatial russe.

Les composants du programme Apollo

Lancement de la fusée Saturn V transportant l'équipage d'Apollo 11 qui sera le premier à se poser sur la Lune.

Le moteur cryogénique J2 développé à compter de 1961 pour la propulsion des étages supérieurs de la fusée Saturn.

Les fusées Saturn

Trois types de lanceurs sont développés dans le cadre du programme Apollo : Saturn I qui va permettre de confirmer la maitrise du mélange LOX/LH2, Saturn IB utilisé pour les premiers vols de test en orbite terrestre et enfin le lanceur lourd Saturn V dont les performances exceptionnelles et depuis jamais dépassées permettront les missions lunaires.

Un lanceur lourd pour les satellites militaires

Les débuts de la famille de lanceurs Saturn sont antérieurs au programme Apollo et à la création de la NASA. Début 1957 le Département de la Défense (DOD) américain identifie un besoin pour un lanceur lourd permettant de placer en orbite des satellites de reconnaissance et de télécommunications allant jusqu'à 18 tonnes. Les lanceurs américains les plus puissants en cours de développement peuvent tout au plus lancer 1,5 tonnes en orbite basse car ils dérivent de missiles balistiques beaucoup plus légers que leur homologues soviétiques. À l'époque Wernher Von Braun et son équipe d'ingénieurs, venus comme lui d'Allemagne, travaillent à la mise au point des missiles intercontinentaux Redstone et Jupiter au sein de l'Army Ballistic Missile Agency (ABMA) service de l'Armée de Terre situé à Huntsville (Alabama). Cette dernière lui demande de concevoir un lanceur permettant de répondre à la demande du DOD. Von Braun propose un engin, qu'il baptise Super-Jupiter, dont le premier étage, constitué de 8 étages Redstone regroupés en fagot autour d'un étage Jupiter, fournit les 680 tonnes de poussée nécessaires pour lancer les satellites lourds. La course à l'espace, qui débute fin 1957, décide le DOD, après examen de projets concurrents, à financer en août 1958 le développement de ce nouveau premier étage rebaptisé Juno V puis finalement Saturn (la planète située au-dela de Jupiter). Le lanceur utilise, à la demande du DOD, 8 moteurs-fusées H-1 simple évolution du propulseur utilisé sur la fusée Jupiter, ce qui doit permettre une mise en service rapide.^[28].

La récupération du projet Saturn par la NASA

Durant l'été 1958, la NASA qui vient d'être créée, identifie le lanceur comme un composant clé de son programme spatial. Mais début 1959 le Département de la Défense décide d'arrêter ce programme couteux dont les objectifs sont désormais couverts par d'autres lanceurs en développement. La NASA obtient le transfert du projet et des équipes de Von Braun fin 1959; celui-ci est effectif au printemps 1960 et la nouvelle entité de la NASA prend le nom de Centre de vol spatial Marshall ( George C. Marshall Space Flight Center MSFC).

La question des étages supérieurs du lanceur était jusque là restée en suspens : l'utilisation de composants existants trop peu puissants et d'un diamètre trop faible n'était pas satisfaisante. Fin 1959 un comité de la NASA travaille sur l'architecture des futurs lanceurs de la NASA : son animateur, Abe Silverstein, responsable du centre de recherche Lewis et partisan de la propulsion par le couple hydrogène/oxygène en cours d'expérimentation sur la fusée Atlas-Centaur, réussit à convaincre un Von Braun réticent d'en doter les étages supérieurs de la fusée Saturn. Le comité identifie dans son rapport final six configurations de lanceur de puissance croissante (codés A1 à C3) permettant de répondre aux objectifs de la NASA tout en procédant à une mise au point progressive du modèle le plus puissant. Le centre Marshall étudie en parrallèle à l'époque un lanceur hors normes capable d'envoyer une mission vers la Lune : cette fusée baptisée Nova, est dotée d'un premier étage fournissant 5 300 tonnes de poussée et est capable de lancer 81,6 tonnes sur une trajectoire interplanétaire. ^[29].

Les Saturn IB et V dans leurs configurations définitives

Lorsque le président Kennedy accède au pouvoir début 1961 les configurations du lanceur Saturn sont toujours en cours de discussion reflétant l'incertitude sur les missions futures du lanceur. Toutefois dès juillet 1960 Rocketdyne, sélectionné par la NASA, avait démarré les études sur le moteur J-2 consommant hydrogène et oxygène et d'une poussée de 89 tonnes de poussée retenu pour propulser les étages supérieurs. Le même motoriste travaillait depuis 1956, intialement à la demande de l'armée de l'Air, sur l'énorme moteur F-1 (677 tonnes de poussée) retenu pour le premier étage. Fin 1961 la configuration du lanceur lourd (C-5 futur Saturn V) est figée : le premier étage est propulsé par 5 F-1, le deuxième étage par 5 J-2 et le troisième par 1 J-2. L'énorme lanceur peut placer 113 tonnes en orbite basse et envoyer 41 tonnes vers la Lune. Deux modèles moins puissants doivent être utilisées durant la première phase du projet :

• la C-1 (ou Saturn I), utilisée pour tester des maquettes des vaisseaux Apollo, constitué d'un premier étage propulsé par 8 moteurs H-1 couronné d'un second étage propulsé par 6 RL-10.
• la C-1B (ou Saturn IB), utilisé pour des vols habités chargés de qualifier les vaisseaux Apollo sur l'orbite, qui utilise le 1er étage de la S-1 couronné du troisième étage de la C-5.

Fin 1962 le choix du scénario du rendez-vous en orbite lunaire (LOR) confirmait le rôle du lanceur Saturn V et entrainait l'arrêt des études sur le lanceur Nova.^[30].

Le vaisseau Apollo

Schéma du vaisseau Apollo et de la tour de sauvetage

Le vaisseau Apollo en orbite lunaire.

Le vaisseau Apollo (ou module de commande et de service abrégé en CMS) transporte les astronautes à l'aller et au retour. Pesant plus de 30 tonnes, il est pratiquement dix fois plus lourd que le vaisseau Gemini. La masse supplémentaire est en grande partie (21,5 tonnes) représentée par le moteur et les ergols qui fournissent un delta-v de 2 800 m/s permettant au vaisseau de s'insérer en orbite lunaire puis de quitter cette orbite. Le vaisseau Apollo reprend une disposition inaugurée avec le vaisseau Gemini : un module de commande (abrégé en CM) abrite l'équipage et un module de service (CS) contient le moteur de propulsion principal, l'essentiel des sources d'énergie ainsi que l’équipement nécessaire à la survie des astronautes. Le module de service est largué juste avant l'atterrissage^[31].

Le module de commande

Le module de commande Apollo est la partie dans laquelle les trois astronautes séjournent durant la mission, sauf lorsque deux d'entre eux descendent sur la Lune au moyen du module lunaire. Pesant 6,5 tonnes et de forme conique, sa structure externe comporte une double paroi : une enceinte constituée de tôles et nid d'abeille à base d'aluminium qui renferme la zone pressurisée et un bouclier thermique qui recouvre la première paroi et dont l'épaisseur varie en fonction de l'exposition durant la rentrée atmosphérique. Le bouclier thermique est réalisé avec un matériau composite constitué de fibres de silice et microbilles de résine, dans une matrice de résine epoxy. Ce matériau est inséré dans un nid d'abeille en acier. L'espace pressurisé représente un volume de 6,5 m³. Les astronautes sont installés sur 3 couchettes côte à côte parallèles au fond du cône et suspendues à des poutrelles partant du plancher et du plafond (la pointe du cône). En position allongée les astronautes ont en face d'eux, suspendu au plafond, un panneau de commandes large de 2 mètres et haut de 1 mètre présentant les principaux interrupteurs et voyants de contrôles. Les cadrans sont répartis en fonction du rôle de chaque membre d'équipage. Sur les parois latérales se trouvent des baies dédiées à la navigation, d'autres panneaux de commande ainsi que des zones de stockage de nourriture et de déchets. Pour la navigation et le pilotage, les astronautes utilisent un télescope et un ordinateur qui exploite les données fournies par une centrale inertielle. Le vaisseau dispose de deux écoutilles : l'une située à la pointe du cône comporte un tunnel et est utilisée pour passer dans le module lunaire lorsque celui-ci est amarré au vaisseau Apollo. L'autre placée sur la paroi latérale est utilisée à Terre pour pénétrer dans le vaisseau et dans l'espace pour les sorties extra véhiculaires (le vide est alors effectué dans la cabine car il n'y a pas de sas). Les astronautes disposent par ailleurs de 5 hublots pour effectuer des observations et réaliser les manœuvres de rendez-vous avec le module lunaire. Le module de commande dépend pour les principales manœuvres comme pour l'énergie et le support-vie du module de service^[32]. Il dispose de 4 grappes de petits moteurs d'orientation permettant les manoeuvres lors de la rentrée. Celles-ci s'effectuent en orientant le module en roulis, la capsule ayant une incidence voisine de 25 à 30 degrés par rapport à son axe de symétrie. Cette incidence est obtenue par balourd statique de construction^[33].

Le module de service

Le module de service (SM ou Service Module en anglais) est un cylindre d'aluminium non pressurisé de 5 mètres de long et 3,9 mètres de diamètre pesant 24 tonnes. Il est accouplé à la base du module de commande et la longue tuyère du moteur-fusée principal de 9 tonnes de poussée en dépasse de 2,5 mètres. Le module est organisé autour d'un cylindre central qui contient les réservoirs d'hélium servant à pressuriser les réservoirs d'ergols principaux ainsi que la partie haute du moteur principal. Autour de cette partie centrale l'espace est découpé en six secteurs en forme de parts de gateau. Quatre de ces secteurs abritent les réservoirs d'ergols (18,5 tonnes). Un secteur contient 3 piles à combustibles qui fournissent la puissance électrique et en sous-produit l'eau ainsi que les réservoirs d'hydrogène et d'oxygène qui les alimentent. L'oxygène est également utilisé pour renouveller l'atmosphère de la cabine. Un secteur reçoit des équipements qui ont varié en fonction des missions : appareils scientifiques, petit satellite, caméras, réservoir d'oxygène supplémentaire. Le module de service contient également les radiateurs qui dissipent l'excédent de chaleur du système électrique et qui régulent la température de la cabine. Quatre grappes de petits moteurs de contrôles d'attitude sont disposés sur le pourtour du cylindre. Une antenne comportant 5 petites paraboles ,assurant les communications à grande distance, est déployée une fois le vaisseau lancé^[34].

La tour de sauvetage

La tour de sauvetage est un dispositif destiné à éloigner le vaisseau spatial du lanceur Saturn V, si celui-ci subit une défaillance durant les premières phases du vol. Le recours à des sièges éjectables, utilisé par le vaisseau Gemini, était exclus compte tenu du diamètre de la boule de feu créée par une explosion de la fusée géante. La tour de sauvetage est constitué d'un propulseur à poudre situé au bout d'un treillis métallique lui même perché au sommet du vaisseau Apollo. En cas d'incident, le moteur de la tour arrache le vaisseau de la fusée tandis qu'un petit propulseur l'écarte de la trajectoire de la fusée. La tour est alors larguée et le vaisseau entame sa descente en suivant une séquence similaire à celle d'un retour sur Terre. Elle est éjectée lorsque le deuxième étage de la fusée Saturn est mis à feu^[35][36].

Le module lunaire

Schéma du module lunaire

Test du module lunaire d'Apollo 9 en orbite autour de la Terre

Le module lunaire comporte deux étages : un étage de descente permet d'atterrir sur la Lune. Cet étage sert de plate-forme de lancement à l'étage de remontée qui ramène les astronautes au vaisseau Apollo en orbite à la fin de leur séjour sur la Lune. La structure du module lunaire est, pour l'essentiel, réalisée avec un alliage d'aluminium choisi pour sa légèreté. Les pièces sont généralement soudées entre elles mais parfois également rivetées.

L'étage de descente

Le corps de l'étage de descente, qui pèse plus de 10 tonnes, a la forme d'une boîte octogonale d'un diamètre de 4,12 mètres et d'une hauteur de 1,65 mètres. Sa structure, constituée de deux paires de panneaux parallèles assemblés en croix, délimite cinq compartiments carrés (dont un central) et quatre compartiments triangulaires. La fonction principale de l'étage de descente est d'amener le LEM sur la Lune. À cet effet, l'étage dispose d'un moteur fusée à la fois orientable et à poussée variable ^{[N 4]}. La modulation de la poussée permet d'optimiser la trajectoire de descente mais surtout de poser en douceur le LEM qui s'est fortement allégé en consommant ses ergols. Le comburant - du peroxyde d'azote (5 tonnes) - et le carburant - de l'aérozine 50 (3 tonnes) - sont stockés dans quatre réservoirs placés dans les compartiments carrés situés aux quatre coins de la structure. Le moteur se trouve dans le compartiment carré central. Le deuxième rôle de l'étage de descente est de transporter tous les équipements et consommables qui peuvent être abandonnés sur la Lune à la fin du séjour, ce qui permet de limiter le poids de l'étage de remontée.

L'étage de remontée

L'étage de remontée pèse environ 4,5 tonnes. Sa forme complexe, qui résulte d'une optimisation de l'espace occupé, lui donne l'allure d'une tête d'insecte. Il est essentiellement composé de la cabine pressurisée qui héberge deux astronautes dans un volume de 4,5 m³ et du moteur de remontée avec ses réservoirs d'ergols. La partie avant de la cabine pressurisée occupe la plus grande partie d'un cylindre de 2,34 mètres de diamètre et de 1,07 mètres de profondeur. C'est là que se tient l'équipage lorsqu'il n'est pas en excursion sur la Lune. Le pilote (à gauche face à l'avant) et le commandant de bord sont debout, tenus par des harnais qui les maintiennent en place en impesanteur et durant les phases d'accélération. Sur la cloison avant, chaque astronaute a devant lui un petit hublot triangulaire (0,18 m²)^{[N 5]} incliné vers le bas, qui lui permet d'observer le sol lunaire avec un bon angle de vision, ainsi que les principales commandes de vol et cadrans de contrôle regroupés par panneaux généralement dédiés à un sous-système. Les commandes et contrôles communs sont placés entre les deux astronautes (par exemple la console d'accès à l'ordinateur de navigation), certaines commandes sont doublées (commandes pilotant l'orientation et la poussée des moteurs), les autres commandes sont réparties en fonction des tâches assignées à chaque astronaute. Les panneaux de commandes et coupe-circuits se prolongent sur les parois latérales situées de part et d'autre des astronautes.

Le pilote a au-dessus de sa tête un petit hublot (0,07 m²) qui lui permet de contrôler la manœuvre de rendez-vous avec le module de commande. L'arrière de la cabine pressurisée est beaucoup plus exigu (1,37 x 1,42 m pour 1,52 m de haut) : son plancher est plus haut de 48 cm et, de plus, encombré par un capot recouvrant le sommet du moteur de remontée. Les parois latérales sont occupées par les rangements et à gauche par une partie du système de contrôle environnemental. Au plafond, se trouve l'écoutille utilisée pour passer dans le Module de Commande : derrière cette porte, on trouve un tunnel court (80 cm de diamètre pour 46 cm de long) comportant un système de verrouillage utilisé pour solidariser les deux vaisseaux. Les forces en jeu au moment de l'accostage qui pourraient déformer le tunnel sont amorties par des poutres qui les répercutent sur toute la structure^[37]..

Le LEM ne dispose pas de sas, qui aurait ajouté trop de poids. Pour descendre sur le sol lunaire, les astronautes font le vide dans la cabine et, à leur retour, ils pressurisent la cabine avec les réserves d'oxygène. Pour descendre, ils se glissent dans l'écoutille : celle-ci donne sur une petite plate-forme horizontale qui débouche sur l'échelle dont les barreaux sont situés de part et d'autre d'une des jambes de l'étage de descente.

Instruments scientifiques, véhicules et équipements

Une partie des instruments scientifiques de l'ALSEP de la mission Apollo 16

Pour remplir la mission lunaire, la NASA dut concevoir plusieurs instruments scientifiques, équipements et véhicules destinés à être mis en œuvre sur le sol lunaire. Les principaux développements sont :

• Le rover lunaire, utilisé à partir de la mission Apollo 15, est un véhicule rustique tous-terrains à propulsion électrique, alimenté par des batteries. Pouvant atteindre la modeste vitesse de 14 km/h il permet de porter le rayon d'action des astronautes de quelques centaines de mètres à une dizaine de km et dispose d'une capacité d'emport de 490 kg^[38].
• L'ALSEP est un ensemble d'instruments scientifiques installé par les astronautes près de chaque site d'atterrissage à partir d'Apollo 12. Alimentés en énergie électrique par un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) il comporte de quatre à six instruments scientifiques dont la composition a varié selon les missions : sismomètre actif ou passif, spectromètre de masse, réflecteur laser, gravimètre, détecteur de poussière, etc. Ces instruments ont fourni en continu, jusqu'à leur arrêt en 1977, des informations sur l'atmosphère, le sol et le sous-sol lunaire : sismicité, vent solaire, température, composition de l'atmosphère, champ magnétique, etc. ^[39]
• Les combinaisons spatiale (modèle Apollo A7L) portées par les astronautes, d'une masse de 111 kg avec le système de survie, furent spécialement conçues pour les longues excursions sur le sol lunaire (plus de 7 heures pour certaines sorties des équipages d'Apollo 15, 16 et 17) au cours desquelles les astronautes devaient se déplacer dans un environnement particulièrement hostile - températures extrêmes, micro-météorites, poussière lunaire - tout en effectuant de nombreux travaux nécessitant une certaine flexibilité.^[40]

Le rôle de l'équipage

Les véhicules spatiaux Apollo sont initialement conçus pour donner une autonomie complète à l'équipage en cas de coupure des communications avec le centre de contrôle à Terre. Cette autonomie procurée par les programmes du système de navigation et de pilotage sera dans les faits fortement réduite lorsque les procédures suivies par les missions Apollo seront figées : c'est le contrôle au sol à Houston qui fournira les principaux paramètres tels que la position du vaisseau spatial ainsi que le vecteur de la poussée avant chaque allumage des moteurs. Houston dispose au moment des premiers vols vers la Lune de moyens de calcul plus puissants et, grâce à la télémétrie, connaît parfaitement la position des vaisseaux et leur trajectoire. Une fois une phase de vol engagée, c'est toutefois à l'ordinateur de bord d'appliquer les corrections nécessaires en se basant sur ses capteurs et ses capacités de calcul. Par ailleurs, l'ordinateur joue un rôle essentiel pour le contrôle des moteurs (fonction autopilote) et gère de nombreux sous-systèmes ce qui lui vaut le surnom de quatrième homme de l'équipage^[41]. Sans l'ordinateur, les astronautes n'auraient pu poser le module lunaire sur la Lune car lui seul pouvait optimiser suffisamment la consommation de carburant pour se contenter des faibles marges disponibles^[42].

La recherche de fiabilité

La NASA est, dès le départ, très sensible aux problèmes de fiabilité. L'envoi d'astronautes sur la Lune est une entreprise beaucoup plus risquée que les vols spatiaux autour de la Terre. Pour les missions en orbite terrestre, en cas d'incident grave, le retour est assuré relativement facilement par une brève poussée des rétrofusées. Par contre une fois que le vaisseau a quitté l'orbite terrestre, le retour des astronautes sur Terre nécessite que les principaux sous-systèmes ne connaissent aucune défaillance.

Sur le module lunaire comme sur le module de commande et de service, les ergols liquides retenus pour les moteurs sont hypergoliques, c'est-à-dire qu'ils s'enflamment spontanément quand ils sont mis en contact et ne sont pas à la merci d'un système d'allumage défaillant. Leur mise sous pression est effectuée classiquement grâce à de l'hélium supprimant le recours à une fragile turbopompe. Pour parvenir au taux de fiabilité visé, la NASA envisage d'abord de donner aux astronautes la possibilité de réparer les composants défaillants. Mais ce choix suppose de former les astronautes à des systèmes nombreux et complexes, d'emporter des outils et des pièces de rechange et de rendre accessibles les composants à réparer ce qui les rend vulnérables à l'humidité et à la contamination. La NASA renonce à cette solution en 1964^[43] et décide d'intégrer dans la conception du vaisseau des solutions de contournement fournissant une alternative pour chaque anomalie susceptible de se produire.

En cas de panne de sous-systèmes complets jugés vitaux, des systèmes de secours doivent pouvoir prendre le relais dans un mode plus ou moins dégradé. Ainsi le système de navigation du module lunaire (ordinateur + système inertiel) dispose d'un système de secours développé par un autre constructeur pour éviter qu'une même faille logiciel mette en panne les deux systèmes. Les quatre groupes de moteurs de contrôle d'attitude sont regroupés par paires indépendantes, chacune d'entre elles pouvant couvrir le besoin en mode dégradé. Le système de régulation thermique est doublé. Les circuits d'alimentation électrique sont également doublés. L'antenne de télécommunications en bande S peut être remplacée par deux antennes plus petites en cas de défaillance. Il n'y a néanmoins pas de parade à une panne de moteur : seuls des tests poussés avec un maximum de réalisme peuvent permettre d'atteindre le taux de fiabilité attendu. Des solutions techniques conservatrices mais éprouvées sont dans certains cas retenues : c'est le cas de l'énergie électrique sur le module lunaire (choix des batteries), des systèmes pyrotechniques (choix de systèmes existants standardisés et éprouvés) ainsi que l'électronique de bord (les circuits intégrés, bien qu'acceptés dans les ordinateurs, ne sont pas retenus pour le reste de l'électronique).

Selon Neil Armstrong, les responsables du projet avaient calculé qu'il y aurait environ 1 000 anomalies à chaque mission Apollo (fusée, CSM et LEM), chiffre extrapolé du nombre de composants et du taux de fiabilité exigé des constructeurs. Il y en aura, en fait en moyenne 150^{[N 6]} ce que Armstrong attribue à l'implication exceptionnellement forte des personnes ayant travaillé sur le projet^[44].

Le déroulement d'une mission lunaire type

Déroulement de la mission Apollo 15

Le module lunaire dans son carénage avant son extraction par le vaisseau Apollo

Déroulement de l'atterrissage sur la Lune

Buzz Aldrin dans le module lunaire

Les fenêtres de lancement et site d'atterrissage

Les six missions lunaires Apollo ont été programmées pour que le module lunaire atterrisse au tout début du jour lunaire (qui dure 28 jours terrestres) : les astronautes bénéficient ainsi d'une lumière rasante pour le repérage du terrain à l'atterrissage (entre 10 et 15° d'élévation au-dessus de l'horizon selon les missions) et de températures relativement modérées : la température au sol passe progressivement de 0 à 130 °C entre le lever du Soleil et le moment où le Soleil culmine au bout de 177 heures terrestres. Compte tenu de ces conditions, pour chaque lieu d'atterrissage, la fenêtre de lancement de la fusée Saturn était réduite à 1 jour par mois pour un site donné^[45].

Le site retenu est toujours situé sur la face visible de la Terre pour que les communications entre le vaisseau et la Terre ne soient pas interrompues ; il n'est pas trop éloigné de la bande équatoriale de la Lune pour limiter la consommation de carburant que nécessiterait un déport du vaisseau vers des lattitudes plus élevées.

La mise en orbite terrestre

La fusée décolle systématiquement depuis le Pad 39 du Kennedy Space Center. Le lancement des 3 000 tonnes de la fusée est particulièrement spectaculaire : les 5 moteurs du premier étage sont allumés simultanément consommant 15 tonnes de carburant chaque seconde puis la fusée, qui est retenue par des pinces, est lachée dès que les ordinateurs ont vérifié que la poussée des moteurs a atteint sa puissance nominale. La fusée s'élève d'abord très lentement, mettant près de 10 secondes à se dégager de la tour de lancement. La séparation du premier étage S1-C intervient 2 minutes et demi après le lancement à une altitude de 56 km alors que la fusée a atteint une vitesse de Mach 8 (10 000 km/h). Peu après les moteur-fusées du deuxième étage S-II s'allument : la jupe inter-étages se détache et la tour de sauvetage est éjectée car le vaisseau spatial est suffisamment haut pour pouvoir retomber sans son aide en cas d'interruption de la mission. Le deuxième étage est à son tour largué alors que la fusée atteint une vitesse de 24 000 km/h et une altitude de 185 km. Le troisième étage S-IVB est alors mis à contribution durant 140 secondes pour placer l'ensemble de la fusée restante sur une orbite circulaire de 180 km onze minutes et demi après le décollage.

De l’orbite terrestre à l’orbite lunaire

Une fois placé en orbite basse, les vaisseaux Apollo (LEM et modules de Commande et de Service) ainsi que le troisième étage de la fusée effectuent un tour et demi autour de la Terre puis le moteur du troisième étage est rallumé pour injecter l'ensemble sur une orbite de transfert vers la Lune. L'injection se traduit par une augmentation de la vitesse de 3 040 m/s 10 000 km/h). Peu après la fin de la poussée, le Module de Commande et de Service (CSM) se détache du reste du train spatial puis pivote de 180° pour venir repêcher le LEM dans son carénage. Après avoir vérifié l'arrimage des deux vaisseaux et pressurisé le LEM, les astronautes déclenchent par pyrotechnie la détente de ressorts situés dans le carénage du LEM : ceux-ci écartent le LEM et le CSM du troisième étage de la fusée Saturn à une vitesse d'environ 30 cm/seconde. Le troisième étage va alors entamer une trajectoire divergente^{[N 7]} qui, selon les missions le place en orbite autour du Soleil ou l'envoie s'écraser sur la Lune.

Durant le trajet de 70 heures vers la Lune, des corrections peuvent être apportées à la trajectoire du CSM et du LEM pour optimiser la consommation finale de propergols. Initialement, le déroulement d’une missions Apollo prévoyait une quantité relativement importante de carburant pour ces manœuvres^{[N 8]}. À l'usage, à peine 5 % de cette quantité sera consommée grâce à la précision de la navigation. Le train spatial est mis en rotation lente pour limiter l'échauffement des vaisseaux en réduisant la durée de l'exposition continue au Soleil.

Une fois arrivé à proximité de la Lune, le moteur du module de commande est allumé pour placer les vaisseaux en orbite en les freinant^{[N 9]}. Si ce freinage n'est pas réalisé, la trajectoire permet aux vaisseaux de revenir se placer en orbite terrestre après avoir fait le tour de la Lune sans utiliser leurs moteurs (Cette disposition sauvera la mission Apollo 13). Un peu plus tard, le moteur du CMS est utilisé une deuxième fois pour placer les deux vaisseaux sur une orbite circulaire de 110 km de rayon^[46].

La descente et atterrissage sur la Lune

La descente sur la Lune repose en grande partie sur le système de guidage, navigation et contrôle (PGNCS : Primary Guidance and Control System) piloté par l'ordinateur embarqué (LGC). Celui-ci, d’une part va déterminer périodiquement la position et la trajectoire réelle du vaisseau en utilisant d'abord la centrale inertielle puis le radar d'atterrissage (fonction de navigation), d’autre part il va calculer la trajectoire à suivre en utilisant ses programmes et piloter, en fonction de tous ces éléments, la poussée et l’orientation des moteurs (fonction de guidage). Le pilote du LEM peut toutefois corriger l’altitude en cours à tout moment et, dans la dernière phase, reprendre complètement la main sur les commandes des moteurs. Mais seul le système de navigation et de pilotage permet, en optimisant trajectoire et consommation des ressources, de poser le LEM avant d'avoir épuisé tout le carburant^[47].

L'abaissement de l'orbite

L'objectif de cette phase est d'abaisser l'altitude du LEM de 110 km à 15 km au-dessus du sol lunaire. À cet effet, son orbite circulaire est transformée en une orbite elliptique de 15 km sur 110 km. Cette phase permet de réduire la distance à parcourir jusqu’au sol lunaire à un faible coût en propergols (elle ne nécessite qu'une brève impulsion du moteur). La limite des 15 km a été retenue pour éviter que la trajectoire finale ne s'approche trop du relief.

Deux des trois astronautes de l'équipage prennent place dans le Module Lunaire pour descendre sur la Lune. Ils initialisent le système de navigation avant d’entamer la descente vers la Lune. Le LEM et le CSM se séparent avant que le moteur ne soit mis en marche (jusqu’à Apollo 12).

Le changement d’orbite est initié lorsque le vaisseau spatial se situe aux antipodes (à une demi-orbite) du point où démarrera la phase suivante. Une fois que la distance entre le LEM et le module de commande est suffisante (une centaine de mètres), une petite accélération est d’abord imprimée par les moteurs contrôlant l'attitude pour plaquer le carburant du moteur de descente contre les vannes de distribution puis le moteur de descente est allumé brièvement pour freiner le LEM d'environ 25 mètres/seconde (90 km/h) le LEM^[48].

À partir d’Apollo 14, pour économiser les propergols de l’étage de descente, c’est le moteur du Module de Commande et de Service qui est sollicité pour abaisser l’orbite. Le CSM accompagne donc le LEM dans son orbite elliptique et s’en sépare avant que la descente propulsée ne démarre.

La descente propulsée

Cette phase est caractérisée par une action continue du moteur de descente. Elle démarre lorsque le LEM a atteint le point le plus bas de son orbite elliptique. Elle se décompose elle-même en 3 phases : la phase de freinage, la phase d'approche et la phase d'atterrissage.

La phase de freinage

La phase de freinage vise à réduire la vitesse du vaisseau de la manière la plus efficace possible : celle-ci va passer de 1 695 m/s (6 000 km/h) à 150 m/s (550 km/h). Le moteur est allumé à 10 % de sa puissance durant 26 secondes, le temps que le moteur s'aligne grâce à son cardan sur le centre de gravité du vaisseau, puis il est poussé au maximum de sa puissance. Le module lunaire qui au début de la trajectoire est pratiquement parallèle au sol va progressivement s’incliner tandis que sa vitesse de descente nulle au départ augmente jusqu’à 45 m/s en fin de phase^[49]. Lorsque le LEM se trouve à une altitude inférieure à 12-13 km, le radar d'atterrissage accroche le sol et se met à fournir des informations (altitude, vitesse de déplacement) qui vont permettre de vérifier que la trajectoire est correcte : jusqu'alors celle-ci était extrapolée uniquement à partir de l'accélération mesurée par la centrale à inertie. Une différence trop importante entre les données fournies par le radar et la trajectoire visée ou le non fonctionnement du radar sont des motifs d'interruption de la mission ^[50].

La phase d'approche

Buzz Aldrin photographié par Armstrong alors qu'il s'apprête à franchir l'écoutille du Lem pour une sortie extravéhiculaire sur la Lune

Schéma de la manœuvre de rendez-vous après le séjour sur la Lune

Répétition de la manœuvre de rendez-vous au-dessus de la Lune : le LEM « Snoopy » photographié par le pilote du CM (Apollo 10)

Le retour sur Terre d'Apollo 15. Un des parachutes s'est mis en torche mais leur dimension avait été prévue pour que deux suffisent

La phase d'approche démarre à 7 km du site visé alors que LEM est à une altitude de 700 mètres. Elle doit permettre au pilote de repérer la zone d'atterrissage et de choisir le lieu précis (dégagé) où il souhaite atterrir. Son point de départ est désigné sous le terme de « porte haute » (« high gate »), expression empruntée à l'aéronautique.

Le module lunaire est progressivement redressé en position verticale fournissant au pilote une meilleure vision du terrain. Celui-ci peut ainsi localiser le point d'atterrissage auquel conduit la trajectoire grâce à une échelle gravée sur son hublot graduée en degrés (Landing Point Designator LPD)^{[N 10]} : l'ordinateur fournit à la demande l'angle sous lequel l'astronaute peut voir le lieu d'atterrissage sur cette échelle. Si celui-ci juge que le terrain n'est pas propice à un atterrissage ou qu’il ne correspond pas au lieu prévu, il peut alors corriger l'angle d'approche en agissant sur les commandes de vol par incrément de 0,5° dans le sens vertical ou 2° en latéral^[51].

La phase d'alunissage

Lorsque le module lunaire est descendu à une altitude de 150 mètres ce qui le place théoriquement à une distance de 700 mètres du lieu visé (point désigné sous le terme de low gate), démarre la phase d'atterrissage. Si la trajectoire a été convenablement suivie, les vitesses horizontale et verticale sont respectivement alors de 66 km/h et 18 km/h. La procédure prévoit que le pilote prenne la main pour amener le module lunaire au sol mais il peut, s'il le souhaite, laisser faire l'ordinateur de bord qui dispose d'un programme de pilotage pour cette dernière partie du vol^{[N 11]}. En prenant en compte les différents aléas (phase de repérage allongée de deux minutes, modification de la cible de dernière minute de 500 mètres pour éviter un relief, mauvaise combustion finale, jauge de propergol pessimiste), le pilote dispose d'une marge de 32 secondes pour poser le LEM avant l'épuisement des ergols. La dernière partie de la phase est un vol stationnaire à la manière d’un hélicoptère qui permet à la fois d’annuler toutes les composantes de vitesse mais également de mieux repérer les lieux. Des sondes situées sous les semelles du train d’atterrissage prennent contact avec le sol lunaire lorsque l'altitude est inférieure à 1,3 mètre et transmettent l’information au pilote. Celui-ci doit alors couper le moteur de descente pour éviter que le LEM ne rebondisse ou ne se renverse (la tuyère touche presque le sol)^[52].

Le séjour sur la Lune

Le séjour sur la Lune est rythmé par les sorties extra-véhiculaires (une sortie pour Apollo 11 mais jusqu’à quatre sorties pour les dernières missions). Avant chaque sortie, les astronautes doivent faire le plein en eau et oxygène de leur système de survie portable puis enfiler leur tenue. Ils font ensuite le vide avant d’ouvrir l’écoutille qui donne accès à l’échelle.

Les outils et les instruments scientifiques sont sortis des baies de stockage de l’étage de descente puis sont déployés non loin du LEM ou à plus grande distance. À partir d’Apollo 14, les astronautes disposent d’une brouette puis dans le cadre des vols suivants du rover lunaire qui leur permet de s’éloigner d’une dizaine de kilomètres du LEM en transportant de lourdes charges. Le Rover occupe une baie entière du module lunaire ; il est stocké en position repliée sur une palette que les astronautes abaissent pour libérer le véhicule. Le rover est déployé par un système de ressorts et de cordes agissant via des poulies et actionnés par les astronautes.

Avant de quitter la Lune, les échantillons géologiques placés dans des conteneurs sont hissés jusqu’à l’étage de remontée grâce à un palan. Le matériel qui n’est plus nécessaire (survie portable, appareils photos, …) est abandonné pour alléger au maximum l’étage de remontée^{[N 12]}.

La remontée et le rendez-vous avec le module de commande

La phase de remontée doit permettre au LEM de rejoindre le module de commande resté en orbite. Cet objectif est atteint en 2 temps : l’étage du LEM décolle du sol lunaire pour se mettre en orbite basse puis ensuite à l'aide de poussées ponctuelles du moteur-fusée il rejoint le module de commande.

Avant le décollage la position précise du LEM au sol est entrée dans l'ordinateur afin de déterminer la meilleure trajectoire. L'instant du départ est calculé de manière à optimiser la trajectoire de rendez vous avec le module de Commande. L'étage de descente reste au sol et sert de plate-forme de lancement. La séparation des deux étages est déclenchée avant le décollage par de petites charges pyrotechniques qui sectionnent les quatre points solidarisant les deux étages ainsi que les câbles et tuyauteries.

Le Module Lunaire suit d'abord une trajectoire verticale jusqu'à une altitude d'environ 75 mètres pour se dégager du relief lunaire puis s'incline progressivement pour rejoindre finalement à l'horizontale le périlune (point bas) d'une orbite elliptique de 15 km sur 67 km.

Un rendez-vous est alors effectué entre le CSM (piloté par le troisième membre d'équipage, le seul de la mission à ne pas aller sur la Lune) et le LEM en orbite lunaire. Après que les pierres lunaires ont été transférées, le LEM est libéré et lancé sur une trajectoire qui l’amènera à s’écraser sur la Lune. Le vaisseau spatial peut alors entamer son retour vers la Terre. Apollo 16 et Apollo 17 resteront en orbite une journée de plus pour réaliser des expériences scientifiques et larguer un petit satellite scientifique de 36 kg.

Le retour vers la Terre

Pour quitter l'orbite lunaire et placer le vaisseau spatial sur la trajectoire de retour vers la Terre, le moteur du module de commande et de service doit être allumé durant deux minutes et demi en fournissant une delta-v d'environ 1 000 m/s après avoir soigneusement orienté le vaisseau. C'est l'un des moments critiques de la mission car une défaillance du moteur ou une mauvaise précision dans l'orientation condamnerait les astronautes. Le moteur est allumé alors que le vaisseau se situe sur la face située à l'opposé de la Terre de manière à ce que la nouvelle trajectoire, une orbite de transfert fortement elliptique, frôle la surface de la Terre à 40 km d'altitude dans la position qu'elle occupera à l'arrivée du vaisseau. Le trajet de retour dure environ trois jours mais peut être un peu raccourci en optant pour une trajectoire plus tendue. Peu après l'injection sur le trajet de retour (trans-Earth Injection TEI), une sortie extravéhiculaire est effectuée pour récupérer les films photographiques des caméras placés dans le module de service qui doit être largué avant l'entrée dans l'atmosphère terrestre^[53].

De petites corrections sont effectués au cours du trajet pour optimiser l'angle d'entrée dans l'atmosphère et le point de chute. Au fur et à mesure que le vaisseau se rapproche de la Terre sa vitesse du vaisseau qui était tombée à 850 m/s à la limite de l'influence des champs de gravité de la Terre et de la Lune, s'accroit jusqu'à atteindre 11 km/s lorsque le vaisseau pénètre dans les couches denses de l'atmosphère fixée pour les calculs à environ 121 km d'altitude. Peu avant de pénétrer dans celle-ci le module de service du vaisseau est largué au moyen de système pyrotechniques, emportant avec lui le moteur principal et les principales réserves d'oxygène et d'électricité. La rentrée dans l'atmosphère se fait avec un angle très précis de 6,5° avec une tolérance de 1°. Si l'angle de pénétration est trop important le bouclier thermique qui est porté normalement à une température de 3 000 °C durant la rentrée dans l'atmosphère, subit une température supérieure à celle pour laquelle il est conçu et la décélération est plus importante ; ces deux phénomènes pouvant entrainer la mort de l'équipage. Avec un angle inférieur, le vaisseau spatial peut rebondir sur la couche atmosphérique et repartir sur une longue trajectoire elliptique condamnant son équipage incapable de manœuvrer et ne disposant de très peu de réserves d'air^[54].

Après une phase de décélération qui atteint 4 g, le vaisseau a perdu sa vitesse horizontale et descend pratiquement à la verticale. À 7 000 mètres d'altitude la protection située à l'extrémité conique du vaisseau est éjectée et deux petits parachutes se déploient pour stabiliser la cabine et faire chuter sa vitesse de 480 à 280 km/h. À 3 000 mètres, trois petits parachutes pilotes sont déployés latéralement par des mortiers pour extraire les trois parachutes principaux en évitant qu'ils s'emmêlent. Le vaisseau percute la surface de l'océan à une vitesse de 35 km/h. Les parachutes sont immédiatement largués et trois ballonnets se gonflent de manière à éviter que le vaisseau reste la pointe sous l'eau. L'équipage est récupéré par des plongeurs montés sur des embarcations légères tandis que le vaisseau est hissé sur le pont du porte-avions affecté à sa récupération^[55].

La chronologie des vols

La maitrise du vol spatial : les programmes Mercury et Gemini

Rendez vous spatial entre Gemini 6A et Gemini 7 (1965) : le programme Gemini a permis de mettre au point la technique de rendez vous spatial qui sera utilisée par le module lunaire et le CSM

Aucun vol orbital n'avait encore eu lieu au lancement du programme Apollo. Le seul vol du programme Mercury - ce programme avait débuté en 1959 - avait eu lieu lieu 3 semaines avant le discours du président et fut un simple vol balistique faute de disposer d'une fusée suffisamment puissante. Il fallut attendre la mission Mercury-Atlas 6 du 20 février 1962 pour que John Glenn devienne le premier astronaute américain à boucler une orbite autour de la Terre. Trois autres vols habités eurent lieu en 1962 et en 1963^[56].

À l'issue du programme Mercury, des aspects importants du vol spatial, qui devaient être mis en application pour les vols lunaires, n'étaient toujours pas maitrisés alors qu'il n'était pas possible de les tester au sol. Les dirigeants de la NASA lancèrent un programmme destiné à acquérir ces techniques sans attendre la mise au point du vaisseau très sophistiqué de la mission lunaire : le programme Gemini devait remplir 3 objectifs :

• maitriser les techniques de localisation, manœuvre et rendez-vous spatial.
• mettre au point les techniques permettant de travailler dans l'espace au cours de sorties extra-véhiculaires.
• étudier les conséquences de l'apesanteur sur la physiologie humaine au cours de vols de longue durée.

Le vaisseau spatial Gemini, qui devait initialement être une simple version améliorée de la capsule Mercury, se transforma au fur et à mesure de sa conception en un vaisseau complètement différent de 3,5 tonnes (contre 1 tonne environ pour le vaisseau Mercury), capable de voler avec deux astronautes durant deux semaines. Le vaisseau était lancé par une fusée Titan II missile de l'armée l'air américaine reconverti en lanceur. Le programme rencontra des problèmes de mise au point. Le lanceur souffrait d'effet pogo, les piles à combustible utilisées pour la première fois fuyaient et la tentative de mise au point d'une aile volante pour faire atterrir la capsule sur le sol ferme échoua. Tous ces déboires gonflèrent le coût du programme de 350 millions de dollars à 1 milliard de dollars. Toutefois, fin 1963, tout était rentré dans l'ordre et deux vols sans équipage purent avoir lieu en 1964 et début 1965. Le premier vol habité Gemini 3 emporta les astronautes Virgil Grissom et John Young le 23 mars 1965. Au cours de la mission suivante l'astronaute Edward White réalisa la première sortie dans l'espace américaine. Huit autres missions, émaillées d'incidents sans conséquence, s'échelonnèrent jusqu'en novembre 1966 : elles permirent de mettre au point les techniques de rendez-vous spatial et d'amarrage, de réaliser des vols de longue durée (Gemini 7 resta près de 14 jours en orbite) et d'effectuer de nombreuses autres expériences^[57].

Les opérations de reconnaissance : les programmes Ranger, Pegasus, Lunar Orbiter et Surveyor

Les sondes Surveyor ont fourni des informations sur le sol lunaire qui ont permis de dimensionner le train d'atterrissage du module lunaire. Charles Conrad (Apollo 12) examine Surveyor 3

Parallèlement au programme Apollo, la NASA lance plusieurs programmes qui doivent valider les choix effectués et permettre de préparer les futures missions lunaires. En 1965, trois satellites Pegasus sont placés en orbite par une fusée Saturn I pour évaluer le danger représenté par les micrométéorites ; les résultats seront utilisés pour dimensionner la protection des vaisseaux Apollo. Les sondes Ranger (1961-1965) après une longue série d'échecs ramènent à compter de fin 1964 une série de photos de bonne qualité de la surface lunaire qui permettent de définir les zones d'atterrissage.

Le programme Lunar Orbiter, composé de cinq sondes qui sont placées en orbite autour de la Lune en 1966-1967, complète ce travail : une couverture photographique de 99 % du sol lunaire est réalisée, la fréquence des micrométéorites dans la banlieue lunaire est déterminée ainsi que l'intensité du rayonnement cosmique. Le programme permet également de valider le fonctionnement du réseau de télémétrie : les mesures effectuées indiquent que le champ de gravitation lunaire est beaucoup moins homogène que celui de la Terre rendant dangereuses les orbites à basse altitude. Le phénomène sous-estimé réduira à 10 km le périgée du Lem d'Apollo 15 dont l'équipage était endormi, alors que la limite de sécurité avait été fixée à 15 km^[58]. Le 2 juin 1966 de la même année, la sonde Surveyor 1 effectue le premier atterrissage en douceur sur la Lune fournissant des informations précieuses et rassurantes sur la consistance du sol lunaire (le sol est relativement ferme) ce qui permet de dimensionner le train d'atterrissage du module lunaire.

Le module lunaire est placé dans son carénage pour la mission Apollo 5

Sortie extravéhiculaire durant la mission Apollo 9

Récupération de la capsule Apollo 11 après son amerrissage.

K Slayton et l'équipage de secours d'Apollo 13 peu après l'explosion de la pile à combustible de la mission Apollo 13 tentent de comprendre la situation et d'y remédier

James Irwin salue le drapeau américain qu'il vient de planter (Apollo 15)

Le rover lunaire utilisé par la mission Apollo 17.

Paysage lunaire (l'astronaute Harrison Schmitt au cours de la mission Apollo 17).

Les vols de la fusée Saturn I

La fusée Saturn I (ou Saturn C-1) avait été conçue alors que le cahier des charges du programme lunaire n'était pas encore figé. Sa capacité d'emport s'avéra finalement trop faible même pour remplir les objectifs des premières phases du programme. Néanmoins, dix des douze fusées commandées furent construites et lancées entre le 27 octobre 1961 et le 30 juillet 1965, dont six avec l'ensemble des étages. Aucun des composants de cette fusée ne fut réutilisé dans la suite du programme. Après cinq vols consacrés à la mise au point de la fusée (missions SA-1, SA-2, SA-3, SA-4, SA-5), Saturn I fut utilisée pour lancer deux maquettes du vaisseau Apollo (missions A-101, A-102) et placer trois satellites Pegasus en orbite (missions A-103, A-104, A-105)^[59].

Les vols de la fusée Saturn IB

Les vols de la fusée Saturn IB permirent la mise au point du troisième étage de la fusée Saturn V (l'étage IVB dont le moteur consommait de l' hydrogène) et d'effectuer les premiers tests du vaisseau spatial Apollo ^[60] :

• AS-201 (rétrospectivement et officieusement Apollo 1a) (26 février 1966), mission non habitée, premier essai du lanceur Saturn IB. C'est un vol purement balistique culminant à 450 km (sans mise en orbite) qui emporte un véritable vaisseau Apollo et non une maquette. Il permet de tester avec succès l'étage IVB qui sera réutilisé sur la fusée Saturn V, le moteur principal du vaisseau Apollo qui est mis à feu pour porter la vitesse à 8 km/s, ainsi que le bouclier thermique de la capsule Apollo durant la phase de rentrée atmosphérique.
• AS-203 (rétrospectivement et officieusement Apollo 3) (5 juillet 1966), est une mission non habitée dont l'objectif est d'étudier le comportement de l'hydrogène et de l'oxygène liquide dans les réservoirs une fois la fusée placée en orbite^{[N 13]}. La mission est un succès.
• AS-202 (rétrospectivement et officieusement Apollo 2) (25 août 1966) est une mission non habitée. La fusée Saturn 1-B, comme dans le premier vol AS-201, lance sa charge utile sur une longue trajectoire balistique qui lui fait parcourir les trois-quarts du tour de la Terre. La mission doit permettre de tester le comportement du vaisseau Apollo et de la tour de sauvetage fournis dans des versions complètement opérationnelles. Le vaisseau Apollo dispose pour la première fois de ses programmes de pilotage et de navigation et de ses piles à combustible. Le moteur du vaisseau Apollo est allumé à quatre reprises ce qui permet de tester le comportement du bouclier thermique soumis à un échauffement prolongé.

L'incendie du module et de commande de service d'Apollo 1

Le 27 janvier 1967 alors que l'équipage du premier vol habité Apollo 1 (initialement AS-204) qui doit décoller un mois plus tard, effectue une répétition au sol en conditions réelles, un incendie se déclare dans le vaisseau Apollo (CMS) dans lequel les 3 astronautes se trouvent sanglés à leur siège. Les flammes font rage dans l'atmosphère confinée composée uniquement d'oxygène ; Virgil Grissom, Edward White et Roger Chaffee décèdent asphyxiés sans être parvenus à ouvrir l'écoutille dont le mécanisme complexe ne permettait pas une ouverture rapide. Le vaisseau avait rencontré de nombreux problèmes de mise au point avant l'accident. Le déclenchement de l'incendie sera attribué, sans être clairement identifié, à un court-circuit du à un fil électrique dénudé. L'enquête révèle l'utilisation de nombreux matériaux inflammables dans la cabine et beaucoup de négligences dans le câblage électrique et la plomberie. La raison principale de cet incendie est que lors de cete mission, l'oxygène utilisé était pur, et donc extrêmement inflammable^[61].

De nombreuses modifications furent apportées pour que la cabine du vaisseau offre une meilleure résistance au feu. L'écoutille fut modifiée pour pouvoir être ouverte en moins de 10 secondes. L'ensemble du programme Apollo subit une revue qui entraina la modification de nombreux composants. Les exigences de qualité et les procédures de test furent renforcées. Tout le programme subit un décalage de 21 mois accroissant la pression sur les équipes : la fin de la décennie approchait. Par ailleurs tout le monde s'inquiétait de l'avancement du programme soviétique, même si aucune information officielle ne filtrait de la-bas.

Les missions sans équipage de la fusée Saturn V

Les déboires du vaisseau spatial Apollo permirent au programme de développement de la fusée géante Saturn V de rattraper son retard. Celui-ci avait en effet rencontré de nombreux problèmes touchant en particulier le deuxième étage - le S-II qui est encore aujourd'hui le plus gros étage à hydrogène jamais conçu - : excès de poids, phénomènes de vibration (effet pogo) ,...^[62] :

• Apollo 4 (9 novembre 1967), mission non habitée, premier essai du lanceur Saturn V.

La mission Apollo 4 est le premier vol du lanceur géant Saturn V. À cette occasion, un vaisseau Apollo effectue pour la première fois une rentrée atmosphérique qui restera la rentrée terrestre la plus rapide jusqu'à Stardust. Afin de recueillir un maximum d'informations sur le comportement de la fusée, 4098 capteurs sont installés. Le premier lancement de Saturn V est un succès complet.

• Apollo 5 (22 janvier 1968 - 12 février 1968), mission non habitée, essai du lanceur Saturn IB et du module lunaire.

La mission Apollo 5 doit permettre de tester le module lunaire dans des conditions de vol réelles, c'est à dire dans le vide spatial. Il s'agit en particulier de vérifier le fonctionnement de ses moteurs d'ascension et de descente, ainsi que sa capacité à effectuer les manœuvres de séparation prévues. La mission est également destinée à tester une manœuvre d'urgence consistant à mettre à feu les moteurs d'ascension sans avoir largué l'étage de descente (manoeuvre d'interruption de la phase d'atterrissage). Malgré quelques caprices de l'électronique du module lunaire, le fonctionnement de celui-ci peut être validé par ce vol.

• Apollo 6 (4 avril 1968), mission non habitée, premier essai en vol du lanceur Saturn V.

La mission Apollo 6 est une répétition plus complète d'Apollo 4. Le test est peu satisfaisant : deux des moteurs J-2 du 2^e étage cessent prématurément de fonctionner ce qui est peut être compensé par une durée de fonctionnement prolongée de l'étage. Alors que la fusée a été placé en orbite l'unique moteur J-2 du 3^e étage refuse de se rallumer. En sollicitant le moteur du vaisseau Apollo, les équipes de la NASA parviennent malgré tout à effectuer les tests attendus. Malgré ces péripéties, la NASA estima que désormais la fusée Saturn V et les véhicules Apollo pouvaient embarquer des équipages en toute sécurité.

Les vols habités préparatoires

Le premier vol habité n'a lieu qu'en octobre 1968 mais les missions destinées à valider le fonctionnement des différents composants du programme et à effectuer une répétition presque complète d'une mission lunaire, se succèdent rapidement. Quatre missions préparatoires se déroulent sans anomalie majeure sur une période de 7 mois^[63] :

• Apollo 7 (11 octobre 1968 - 22 octobre 1968).

Apollo 7 est la première mission habitée du programme Apollo. Son but est de valider les modifications effectuées sur le vaisseau spatial à la suite de l'incendie d’Apollo 1. Une fusée Saturn 1 B est utilisée car le module lunaire ne fait pas partie de l'expédition. Au cours de son séjour en orbite, l’équipage répète les manœuvres qui seront effectuées lors des missions lunaires. Après avoir quitté l’orbite terrestre et effectué leur rentrée dans l’atmosphère, la capsule et son équipage sont récupérés sans incident dans l’Atlantique. C’était la première mission américaine à envoyer une équipe de trois hommes dans l'espace et à diffuser des images pour la télévision. La fusée Saturn IB ne sera plus utilisée par la suite dans le cadre du programme d'exploration lunaire.

• Apollo 8 (21 décembre 1968 - 27 décembre 1968)

La mission Apollo 8 est le premier vol qui quitte l’orbite terrestre pour se rendre sur celle de la Lune. A ce stade d'avancement du programme, il s'agit d'une mission risquée car une défaillance du moteur du vaisseau Apollo au moment de sa mise en orbite lunaire ou de son injection sur la trajectoire de retour aurait pu être fatale à l'équipage d'autant que le module lunaire a été remplacé par une maquette. Mais les dirigeants de la NASA redoutent un coup d'éclat des soviétiques pour la fin de l'année et décident de courir le risque. Les astronautes font au total 10 révolutions autour du satellite terrestre. Durant ce vol ils réalisent de nombreux clichés de la Lune dont le premier lever de Terre. Apollo 8 permet pour la première fois à un homme d'observer directement la « face cachée » de la Lune. L’une des tâches assignée à l'équipage consistait à effectuer une reconnaissance photographique de la surface lunaire, notamment de la mer de la Tranquillité où devait se poser Apollo 11.

• Apollo 9 (3 mars 1969 - 13 mars 1969)

Apollo 9 constitue le premier essai en vol de l’ensemble des équipements prévus pour une mission lunaire : fusée Saturn V, module lunaire et vaisseau Apollo. Pour la première fois, on baptise le vaisseau Apollo (Gumdrop) et le Lem (Spider), une décision destinée à faciliter les communications avec le sol lorsque les deux vaisseaux ont un équipage. Les astronautes effectuent toutes les manœuvres de la mission lunaire tout en restant en orbite terrestre. Le module lunaire simule un atterrissage puis réalise le premier rendez-vous réel avec le vaisseau Apollo. Les astronautes effectuent également une sortie extravéhiculaire de 56 minutes pour simuler le transfert d’équipage du module lunaire au vaisseau Apollo en passant par l’extérieur (manoeuvre de secours mise en oeuvre en cas d'amarrage infructueux entre les deux vaisseaux). En outre ils testent l'utilisation du module lunaire comme « canot de sauvetage » dans la perspective d'une défaillance du vaisseau Apollo ; c’est cette procédure qui sera utilisée avec succès par l’équipage d’Apollo 13.

• Apollo 10 (18 mai 1969 - 26 mai 1969)

Les dirigeants de la NASA envisagèrent que cette mission soit celle du premier atterrissage sur le sol lunaire, car l'ensemble des véhicules et des manoeuvres avaient été testés sans qu'aucun problème majeur ne soit été détecté. Mais dans la mesure ou les soviétiques ne semblaient pas préparer de mission d'éclat, ils préférèrent opter pour une dernière répétition au réalisme encore plus poussé. Peu après avoir quitté son orbite terrestre basse, le vaisseau Apollo executa la manoeuvre d'ammarrage au LEM. Après s'être séparé du troisième étage de Saturn V, il effectua une rotation à 180° puis arrima son nez au sommet du module lunaire avant de l'extraire de son carénage. Une fois le train spatial placé en orbite autour de la Lune, le module lunaire, surnommé « Snoopy », entama la descente vers le sol lunaire qui fut interrompue à 15,6 km de la surface. Après avoir largué l'étage de descente non sans quelques difficultés dues à une erreur de procédure, le LEM réalisa un rendez-vous avec le vaisseau Apollo. La mission reproduisit les principales étapes du vol final, à la fois dans l'espace et au sol. Young était aux commandes du vaisseau Apollo alors que Stafford et Cernan occupaient le module lunaire.

Les missions habitées destinées à se poser sur la Lune

• Apollo 11 (16 juillet 1969 - 24 juillet 1969), mission habitée, premiers pas de l’Homme sur la Lune.

La mission des deux astronautes Neil Armstrong, Buzz Aldrin, accompagnés de Michael Collins va rentrer dans l’histoire. Le 21 juillet 1969 un homme marche pour la première fois sur la Lune. Armstrong s’élance et déclare après son premier pas sur la Lune : « C’est un petit pas pour l’homme, mais c’est un bond de géant pour l’Humanité ». Armstrong et Aldrin installèrent ensuite un réflecteur laser permettant de mesurer avec précision la distance Terre-Lune, un sismographe ultra-sensible (cet appareil enverra un signal électrique dès le moindre tremblement) et déroulèrent une feuille d’aluminium destinée à capter les particules solaires.

• Apollo 12 (14 novembre 1969 - 24 novembre 1969), mission habitée, première à se poser de manière précise.

Lors de leur mission, Charles Conrad et Alan Bean installèrent une station scientifique automatisée, menèrent à bien des observations géologiques, prirent de nouvelles photographies de la Lune et de sa surface. Ils recueillirent également 34,1 kg d’échantillons du sol lunaire et récupérèrent certains éléments de la sonde Surveyor 3 qui s’était posée trois ans plus tôt sur la Lune à 180 m du lieu d’alunissage du module lunaire. Lors de leurs 31 heures 31 minutes d’exploration, les deux astronautes réalisèrent deux excursions d’un total de 7 heures 45 minutes parcourant ainsi 2 km à pied et s’éloignèrent jusqu’à 470 m de leur base. De nombreuses améliorations ont été réalisées en particulier dans la précision de l’atterrissage par rapport à la mission Apollo 11. Les résultats furent si positifs qu’on projeta d’envoyer Apollo 13 dans une zone plus accidentée.

• Apollo 13 (11 avril 1970 - 17 avril 1970), mission habitée ; elle ne se pose pas suite à l’explosion d’un réservoir d’oxygène.

La mission échoua suite à une violente explosion du réservoir d’oxygène liquide situé dans le module de commande Odyssey après 55 heures 54 minutes et 53 secondes de vol. Les membres d’équipage se réfugièrent dans le Lem Aquarius et y effectuèrent de longues manœuvres de correction de trajectoire pour retrouver le chemin de la Terre. Ils regagnèrent ensuite la capsule Odyssey toujours arrimée au module lunaire juste avant de rentrer dans l’atmosphère terrestre. En fait, lors d’une vidange du réservoir d’oxygène, 15 jours avant le décollage, la gaine des fils qui le traversaient a fondu. Donc dans le réservoir, les fils étaient entièrement dénudés. Et quand Jack Swigert actionna le brassage du réservoir, des étincelles jaillirent et causèrent son explosion.

• Apollo 14 (31 janvier 1971 - 9 février 1971), mission habitée, première partie de golf lunaire, Alan Shepard est le premier (et le seul) des astronautes du programme Mercury à marcher sur la Lune.

Apollo 14 se posa dans la région accidentée de Fra Mauro sur laquelle devait atterrir Apollo 13. Shepard et Edgar Mitchell passèrent plus de 9 heures à explorer une zone où la NASA pensait trouver des roches figurant parmi les plus anciennes alors recensées sur la Lune. Ils ramenèrent 42,9 kg d’échantillons rocheux et installèrent une station d’expérimentation automatisée.

• Apollo 15 (26 juillet 1971 - 7 août 1971), mission habitée, première mission avec le Rover lunaire.

David Scott et James Irwin passèrent 2 jours et 18 heures sur le sol lunaire. Au cours de leurs sorties extravéhiculaires, qui durèrent en tout 18 heures 36 minutes, ils parcoururent plus de 28,2 km à proximité du mont Hadley grâce au rover lunaire utilisé pour la première fois. Les deux astronautes déployèrent aussi un ensemble d’instruments scientifiques. Parmi les 76 kg de roches prélevées, on a retrouvé ce qu’on pense être un cristallin de la croûte lunaire originelle vieille d'environ 4,6 milliards d’années. Worden fit une sortie spatiale exceptionnelle pendant le vol de retour car lors de son incursion de 16 minutes dans l’espace, le vaisseau Apollo se trouvait encore à 315 000 km de la Terre.

• Apollo 16 (16 avril 1972 - 27 avril 1972), mission habitée, première à se poser sur les hauts-plateaux.

John Watts Young et Charles Duke passèrent 20 h 14 min sur la Lune, installant plusieurs expériences, parcourant 26,7 km (ils disposaient aussi d’une Jeep lunaire) et recueillant 95,4 kg d’échantillons rocheux. De même que lors de la mission Apollo 15, l’équipage lança un mini-satellite destiné à étudier les particules et le champ magnétique solaire.

• Apollo 17 (7 décembre 1972 - 19 décembre 1972), mission habitée, derniers pas de l’Homme sur la Lune.

Le programme d’exploration lunaire prit fin avec le vol Apollo 17. L’astronaute Eugene Cernan et son compagnon Harrison Schmitt, un géologue civil américain, furent les derniers hommes à marcher sur la Lune : ils y passèrent 22 h 5 min, parcourant grâce à la Jeep lunaire 36 km dans la région des monts Taurus, près du cratère de Littrow.

Les missions annulées

En septembre 1970 le programme Apollo subit des coupes budgétaires drastiques traduisant les nouvelles priorités du gouvernement Nixon : Apollo 11 a réussi à capter le prestige dont bénéficiait jusqu'à présent le programme spatial russe. Pour le gouvernement américain l'objectif est rempli. Par ailleurs la guerre du Vietnam draine désormais les ressources budgétaires des États-Unis. La NASA est obligée d'annuler les trois dernières missions Apollo planifiées.

• Apollo 18, mission annulée le 2 septembre 1970^[64] ;
• Apollo 19, mission annulée le 2 septembre 1970^[65] ;
• Apollo 20, mission annulée le 4 janvier 1970^[66].

Deux fusées Saturn V complètes furent construites et ne volèrent jamais. Elles sont aujourd'hui exposées au Johnson Space Center et au centre spatial Kennedy. Une fusée Saturn IB fut utilisée pour le lancement de la mission Apollo-Soyouz qui emportait un vaisseau spatial Apollo (1975). La station spatiale Skylab, troisième étage de la fusée Saturn V reconverti, fut placé sur orbite par les deux premiers étages de cette même fusée. La station fut occupée sucessivement par trois équipages lancés par des fusées Saturn IB et utilisant des vaisseaux Apollo (1973).

Le bilan du programme Apollo

Le « rocher de la genèse » ramené par la mission Apollo 15

Connaissance de la Lune

Les missions lunaires ont permis d'avoir une meilleure connaissance de notre satellite naturel, même si cet apport scientifique est relativement faible au regard des sommes dépensées. Plus de 380 kg de roches lunaires sont ramenées sur Terre par les astronautes contre 336 grammes par les missions soviétiques robotisé du programme Luna. Un ensemble d'instruments scientifiques, l'ALSEP, est déposé par cinq des six missions et fournit des données jusqu'en 1977. La composition de l'ALSEP varie suivant les missions : spectromètre, magnétomètre, détecteur sismique passif et actif, gravimètre, ...). Les informations recueillies par les astronautes portent sur la composition du sol, la structure interne de la Lune, le rayonnement, la composition atmosphérique. Le rover lunaire, disponible à partir d'Apollo 15, permetra d'élargir le champ d'investigation des astronautes qui passe de quelques centaines de mètres à une dizaine de kilomètres entre Apollo 11 et Apollo 17. Les informations recueillies permettent de déterminer l'age de la Lune et sa structure interne.

Les retombées technologiques

Le programme Apollo a favorisé la diffusion d'innovations dans le domaine de la science des matériaux. Le programme a contribué à l'essor de l'informatique : le développement des programmes de navigation et de pilotage des vaisseaux Apollo voit apparaitre la scission entre hardware et logiciel. Les méthodes de programmation et de test sont nées des exigences de fiabilité et de la complexité des logiciels Apollo.

Le projet lance l'utilisation des circuits intégrés qui ont fait leur apparition en 1961. La NASA achète au début du programme 60 % de la production mondiale pour les besoins des ordinateurs des vaisseaux Apollo^[67]. Des méthodes de gestion de projet, qui subsistent aujourd'hui, ont été mises au point pour faire face à la complexité du programme née du nombre d'acteurs et de l'imbrication de leurs réalisations.

La Terre une planète unique et fragile

La Terre vue de la Lune.

Les photos de la Terre, monde multicolore isolé dans un espace hostile, ainsi que celles de la Lune, planète morte et terne, ont favorisé une prise de conscience mondiale sur le caractère exceptionnel et fragile de notre planète. La plus célèbre de ces photos est la la bille bleue prise par les astronautes d’Apollo 17.

Les suites du programme Apollo

Vue d'artiste du module lunaire du programme Constellation qui doit atterrir sur la Lune vers 2020

Le programme a créé une scission dans la communauté scientifique et parmi les décideurs entre les partisans d'une exploration robotique jugée plus efficace et les partisans des vols habités pour qui l'exploration humaine a une forte valeur symbolique, qui justifie son surcoût.

• Le programme mobilisa 400 000 personnes et une grande part de l’industrie spatiale américaine.
• Le coût du programme fut de 25,4 milliards de dollars en 1969 (équivalent à 135 milliards de dollars, en 2006).
• 4 vaisseaux Apollo ont été, par la suite, utilisés pour les missions Skylab 2, 3, 4 et ASTP (Apollo Soyouz Test Program). Par abus de langage, cette dernière est parfois appelée Apollo 18.
• Depuis Apollo 17, aucun humain ne s’est éloigné de plus de 1 000 km de la Terre…
• En 2008, le programme Constellation prévoit que la mission Orion 15 déposera le vaisseau Altaïr 2 sur la Lune en juin 2019 avec les premiers humains depuis 1972.

Vidéos

La fusée Saturn V arrache lentement ses 3000 tonnes au décollage, conséquence d'un rapport poids/poussée proche de 1 (mission Apollo 15).	Schmitt et Cernan poussent la chansonnette durant la mission Apollo 17 puis font une démonstration de marche à la manière des kangourous.
Une petite démonstration de rover lunaire (vitesse max env. 15 km/h) au cours de la mission Apollo 16.	Décollage du module lunaire Apollo 17 filmé depuis le sol lunaire par la caméra du rover. Le module monte verticalement puis (vers la fin de video). prend une trajectoire presque parallèle au sol.

Notes et références

Notes

Références

Sources

• (en) G Brooks, James M. Grimwood, Loyd S. Swenson, Chariots for Apollo: A History of Manned Lunar Spacecraft, 1979.
  Le programme Apollo : le développement du vaisseau spatial Apollo (document NASA n° Special Publication--4205)
   
• (en) W. David Compton, Where No Man Has Gone Before: A History of Apollo Lunar Exploration Missions, 1989.
  Le programme Apollo et l'exploration de la Lune (document NASA n° Special Publication-4214 )
   
• (en) Roger E. Bilstein, Stages to Saturn :A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles, 1996.
  Histoire du développement de la famille de lanceurs Saturn (document NASA n° Special Publication-4206 )
   
• (en) Hansen, James R, Enchanted Rendezvous : John C. Houbolt and the Genesis of the Lunar-Orbit Rendezvous Concept, 1995.
  Génèse du rendez-vous en orbite lunaire (NASA)
   
• (en) Roger D. Launius, Apollo: A Retrospective Analysis, 1994.
  Analyse du programme Apollo (NASA)
   
• (en) Sunny Tsiao, Read You Loud and Clear! : The Story of NASA’s Spaceflight Tracking and Data Network, 2008.
  Histoire du réseau de stations de télécommunications de la NASA
   
• Xavier Pasco, La politique spatiale des Etats-Unis 1958-1985 : Technologie, intéret national et débat public, L'Harmattan, 1997 (ISBN 2-7384-5270-1) 
• Alain Duret, Conquête spatiale : du rêve au marché, Editions Gallimard, 2002 (ISBN 2-07-042344-1) 
• Jacques Villain, À la conquête de l'espace : de Spoutnik à l'homme sur Mars, Vuibert Ciel & Espace, 2007 (ISBN 978-2-7117-2084-2) 
• Patrick Maurel, L'escalade du Cosmos, Bordas, 1972 
• (en) W.David Woods, How Apollo flew to the moon, Springer, 2008 (ISBN 978-0-387-71675-6).
  Déroulement détaillé d'une mission lunaire Apollo
   
• (en) David A. Mindell, Digital Apollo Human and Machine in Spaceflight, The MIT Press, 2008 (ISBN 978-0-262-13497-2).
  Histoire de la conception des systèmes informatiques embarqués du programme Apollo
   
• (en) David M. Harland, Paving the way for Apollo 11, Springer, 2009 (ISBN 978-0-387-68131-2).
  Histoire des programmes de sondes lunaires américaines pré Apollo
   
• (en) Société Grumman, NASA Apollo Lunar Module News Reference, 1968.
  Présentation à usage public des caractéristiques techniques détaillées du LEM par son constructeur
   
• (en) E. Rosenberg, M Collins,S Gerovitch,A Nelson,C. Lewis,M. Soluri,R. Kennedy, R. Launius, Remembering Space Age : remembrance and cultural representation of the space age.
  Représentation culturelle et mémoire de la conquête spatiale (NASA)
   

Voir aussi

Articles connexes

• Saturn V
• Module lunaire Apollo
• Module de commande Apollo
• Programme lunaire habité soviétique
• Apollo 13 (film)

Liens externes

• (en) Archives des documents de la NASA sur les missions Apollo (fiches techniques, rapports de mission, journaux de bord, procédures, ...)
• (en) Publications de la NASA (histoires du projet, monographies,...)
• (fr) De la Terre à la Lune : Site francophone de qualité sur le programme Apollo
• (fr) Max.q, Site d'amateur francophone
• (en) Banque de photos des missions Apollo
• (en) Photos de plusieurs sites d'alunissages de missions Apollo prise en 2009 par la sonde LRO

Programme spatial Apollo
Lanceurs	Saturn I · Saturn IB · Saturn V · Moteur-fusée F-1 · Moteur-fusée J-2
Vaisseaux spatiaux	Module de commande et de service Apollo · Module lunaire Apollo
Vols d'essai	SA-1 · SA-2 · SA-3 · SA-4 · SA-5 · A-101 . A-102 · A-103 . A-104 · A105 · AS-201 · AS-202 · AS-203 · Apollo 1 · Apollo 4 · Apollo 5 · Apollo 6 · Apollo 7 · Apollo 8 · Apollo 9 · Apollo 10
Missions lunaires	Apollo 11 · Apollo 12 · Apollo 13 · Apollo 14 · Apollo 15 · Apollo 16 · Apollo 17
Missions annulées	Apollo 18 · Apollo 19 · Apollo 20 · Apollo 21
Installations au sol	Centre de contrôle de Houston · Centre de vol spatial Marshall · Centre de recherche de Langley · Centre spatial Kennedy · Complexe de lancement 39 · Réseau de télécommunications de la NASA · LLRV
Expériences scientifiques	ALSEP · Roche lunaire · Réflecteur lunaire
Personnalités	Wernher von Braun · Maxime Faget · Robert Gilruth · John Houbolt · Eugene Kranz · Neil Armstrong · Buzz Aldrin· Harrison Schmitt · James E. Webb . Farouk El-Baz
Voir aussi	Mission Apollo-Soyouz · Programme Ranger · Programme Surveyor · Pegasus · Programme Gemini

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