SATURN V

rn V est un lanceur géant développé dans les années 1960 par la NASA pour le programme spatial habité Apollo. Utilisé sans aucun échec entre 1967 et 1973, il a placé en orbite les vaisseaux qui ont déposé les astronautes américains sur le sol lunaire. Cette énorme fusée d’un peu plus de 3 000 tonnes (toujours la plus puissante et la plus lourde à ce jour), capable de placer jusqu’à 140 tonnes en orbite basse terrestre pour les dernières missions Apollo, a été développée dans le contexte de la course à l’espace opposant Américains et Soviétiques. C’est le troisième lanceur (après l’Atlas-Centaur et la Saturn I) à mettre en œuvre des moteurs brûlant le mélange cryogénique performant d’hydrogène et d’oxygène liquides. Il reste en 2019 le lanceur le plus puissant (charge utile) jamais développé, car aucun programme aussi ambitieux que le programme Apollo n’a pu aboutir par la suite.

Saturn V est le dernier représentant de la famille de lanceurs Saturn, développée à compter de 1960 pour mettre au point progressivement les différents composants de la fusée géante. Le lanceur est en grande partie le résultat de travaux antérieurs menés par le motoriste Rocketdyne sur la propulsion cryotechnique oxygène/hydrogène et les moteurs de forte puissance. Le développement du lanceur Saturn V s’est fait sous la responsabilité du Centre de vol spatial Marshall (MSFC) à Huntsville, en Alabama, dirigé par Wernher von Braun et avec une forte implication des sociétés Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft Company et IBM. Les caractéristiques de la fusée Saturn V sont étroitement liées au scénario retenu pour l’envoi d’un équipage sur le sol lunaire. La puissance de Saturn V lui permettait de lancer une charge utile de 45 tonnes vers la Lune, soit la masse des deux vaisseaux (module lunaire Apollo et Module de commande et de service Apollo) nécessaires pour accomplir cette mission basée sur un rendez-vous en orbite lunaire. La construction du lanceur a été arrêtée lorsque, pour des raisons budgétaires, il a été décidé de mettre fin au programme Apollo, particulièrement coûteux. Après un dernier vol pour mettre en orbite la station spatiale Skylab, la NASA a décidé de développer un lanceur réutilisable, la navette spatiale américaine, en espérant ainsi abaisser les coûts très élevés de mise en orbite, mais la navette ne peut placer une charge qu’en orbite basse.

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. Au début de 1957, le Département de la Défense (DOD) américain identifie un besoin pour un lanceur lourd, permettant de placer en orbite basse des satellites de reconnaissance et de télécommunications pesant jusqu’à 18 tonnes. À cette époque, les lanceurs américains les plus puissants en cours de développement peuvent tout au plus lancer 1,5 tonne en orbite basse, car ils dérivent de missiles balistiques beaucoup plus légers que leurs homologues soviétiques. En 1957, 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), un 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-delà 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.

La récupération du projet Saturn par la NASA

Durant l’été 1958, la NASA, qui vient tout juste d’être créée, identifie le lanceur comme un composant clé de son programme spatial. Mais au début de 1959, le Département de la Défense décide d’arrêter ce programme coûteux dont les objectifs sont désormais couverts par d’autres lanceurs en développement. La NASA obtient le transfert en son sein 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 d’étages de fusée 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 des moteurs utilisant 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 parallèle 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 une charge de 81,6 tonnes sur une trajectoire interplanétaire.

Les Saturn IB et V dans leurs configurations définitives

Lorsque le président américain John F. Kennedy accède au pouvoir au début de 1961, les configurations du lanceur Saturn sont toujours en cours de discussion, reflétant l’incertitude sur les missions futures de cette famille de fusée. Toutefois, dès juillet 1960, Rocketdyne, sélectionné par la NASA, avait démarré les études sur le moteur J-2, consommant le mélange hydrogène et oxygène et d’une poussée de 89 tonnes, retenu pour propulser les étages supérieurs. Le même motoriste travaillait depuis 1956, initialement 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 cinq F-1, le deuxième étage par cinq J-2 et le troisième par un 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 utilisés durant la première phase du projet. :

la C-1 (ou Saturn I), utilisée pour tester des maquettes des vaisseaux Apollo, est constituée d’un premier étage propulsé par huit moteurs H-1, couronné d’un second étage propulsé par six RL-10 ; la C-1B (ou Saturn IB), chargée de qualifier les vaisseaux Apollo en orbite terrestre, est constituée du 1er étage de la S-1 couronné du troisième étage de la C-5.

Lancement du programme Apollo et du développement de la fusée Saturn V

Le lancement du premier homme dans l’espace par les Soviétiques (Youri Gagarine, le 12 avril 1961) convainc le président Kennedy de la nécessité de disposer d’un programme spatial ambitieux pour récupérer le prestige international perdu. Le vice-président Lyndon B. Johnson, consulté par Kennedy, propose d’envoyer une mission habitée sur la Lune. Le 25 mai 1961, le président annonce devant le Congrès des États-Unis le lancement du programme Apollo, qui doit amener des astronautes américains sur le sol lunaire « avant la fin de la décennie »7. 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. Le nouveau programme est baptisé Apollo, nom choisi par Abe Silverstein, à l’époque directeur des vols spatiaux habités. 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 budget le plus conséquent.

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 :

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 pour « 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 en orbite lunaire (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 destiné à sa mission proprement lunaire. En outre, la fusée à développer est moins puissante que celle requise par le premier scénario.
Lorsque le président 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 réalisé 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 par ailleurs 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, la technique du rendez-vous en orbite lunaire (LOR) est la solution qui suscite le moins d’engouement, 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. Les avantages du LOR, en particulier le gain sur la masse à placer en orbite, 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. Au début de l’été 1962, les principaux responsables de la NASA se sont tous convertis au LOR, et le choix de ce scénario est finalement entériné le 7 novembre 1962. Le lanceur Saturn V joue un rôle central dans le scénario retenu et les études sur le lanceur Nova sont arrêtées. Dès juillet, 11 sociétés aérospatiales américaines sont sollicitées pour la construction du module lunaire, sur la base d’un cahier des charges sommaire.

Le développement de la fusée Saturn V

Le développement du lanceur Saturn constitue 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, ainsi que deux nouveaux moteurs, innovants aussi bien par leur puissance (F-1) que par 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 0,1 %), 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 atterrissage sur la Lune 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 brûlés 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. 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.

Les tests prirent une importance considérable dans le cadre du programme puisqu’ils représentèrent près de 50 % de la charge de travail totale. Grâce aux avancées de l’informatique, la séquence des tests et l’enregistrement des mesures de centaines de paramètres (jusqu’à 1 000 pour un étage de la fusée Saturn V) se déroula pour la première fois automatiquement. Ceci permit 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 quatre 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.

La création d’installations adaptées

Pour développer, tester et lancer la fusée géante, la NASA créa de nouvelles installations adaptées à la dimension du projet :

Le Centre de vol spatial Marshall (George C. Marshall Space Flight Center ou MSFC), situé près de Huntsville dans l’Alabama, transféré en 1960 à la NASA et dirigé par Von Braun, joua un rôle central dans le développement de la fusée, dont il assura la conception et la qualification. On y trouvait des bancs d’essais, des bureaux d’étude et des installations d’assemblage. Les premiers exemplaires de la fusée Saturn I y furent construits, avant que le reste de la production soit confiée à l’industrie. Il emploiera jusqu’à 20 000 personnes.
Le Centre spatial Kennedy (KSC), situé sur l’île Meritt en Floride, est le site d’où furent lancées les fusées géantes du programme Apollo. La NASA, qui avait besoin d’installations à l’échelle de la fusée Saturn V, mit en construction en 1963 cette nouvelle base de lancement, qui jouxtait celle de Cape Canaveral appartenant à l’Armée de l’Air américaine et d’où étaient parties, jusqu’alors, toutes les missions habitées et les sondes spatiales de l’agence spatiale. Le centre effectuait la qualification de la fusée assemblée (« all up ») et contrôlait les opérations sur le lanceur jusqu’à son décollage. Il employait en 1965 environ 20 000 personnes. Au cœur du centre spatial, le complexe de lancement 39 comportait 2 aires de lancement et un immense bâtiment d’assemblage, le VAB (hauteur de 140 mètres), dans lequel plusieurs fusées Saturn V pouvaient être préparées en parallèle. Plusieurs plates-formes de lancement mobiles permettaient de transporter la fusée Saturn assemblée jusqu’au site de lancement. Le premier lancement depuis le nouveau terrain fut celui d’Apollo 4, en 1967. Jusqu’en 2011, le complexe était utilisé pour lancer la navette spatiale américaine.
En 1961, le Centre spatial John C. Stennis fut édifié dans l’État du Mississippi. Le nouveau centre disposait de bancs d’essais, utilisés pour tester les moteurs-fusées développés pour le programme.
Le Langley Research Center (1914), situé à Hampton (Virginie) abritait de nombreuses souffleries. Il servit jusqu’en 1963 de siège au MSC et continua, par la suite, à abriter certains simulateurs du programme.

Diagramme de Saturn V.

Saturn V est, sans aucun doute, une des machines les plus impressionnantes de l’histoire de l’humanité.

Saturn V est haute de 110,6 mètres avec un diamètre de 10 mètres, une masse totale supérieure à 3 000 tonnes au décollage et une capacité de mise en orbite en LEO (Low Earth Orbit) de 140 tonnes. Elle surpasse toutes les autres fusées ayant précédemment volé.

Saturn V est principalement conçue par le Centre de vol spatial Marshall à Huntsville, en Alabama. De nombreux composants majeurs, comme la propulsion, ont été conçus par des sous-traitants. Les moteurs utilisés par ce lanceur étaient les nouveaux et puissants moteurs F-1 et moteurs J-2. Lorsqu’ils étaient testés, ces moteurs créaient des vibrations dans le sol qui pouvaient être ressenties à 80 kilomètres à la ronde. L’ensemble des stations sismographiques des États-Unis étaient capables de percevoir les vibrations lors du décollage d’une Saturn V. De plus la fusée Saturn V serait la machine produite par l’Homme ayant généré le plus grand nombre de décibels.

Les concepteurs décidèrent très tôt d’utiliser pour Saturn V des technologies déjà testées sur le lanceur Saturn 1. Ainsi, le troisième étage S-IVB de Saturn V était basé sur le second étage S-IV de Saturn 1. De la même façon, les instruments qui contrôlent Saturn V partageaient certaines caractéristiques avec ceux de Saturn 1.

Les étages du lanceur

Le lanceur Saturn V est composé de trois étages (le S-IC, le S-II et le S-IVB) et une case à équipements située à son sommet. Les trois étages utilisent de l’oxygène liquide (LOX) comme oxydant. Le premier étage utilise du kérosène (RP-1) comme réducteur tandis que les second et troisième étages utilisaient de l’hydrogène liquide. Les deux étages supérieurs sont équipés de petits moteurs à poudre dits de « tassement » qui ont pour rôle de plaquer les ergols liquides au fond des réservoirs après le largage de l’étage inférieur lorsque le lanceur n’avance plus que par inertie. Il s’agit de permettre un bon fonctionnement des pompes aspirantes lors de la mise à feu des moteurs-fusées de l’étage. Enfin des rétrofusées sont utilisées lors du largage d’un étage pour l’éloigner du lanceur.

10
Mai
2019