Module lunaire Apollo - Définition

Le rôle du module lunaire

Les missions Apollo sont programmées pour que le module lunaire atterrisse au tout début du jour lunaire : les astronautes bénéficient ainsi d'une lumière rasante pour le repérage du terrain (entre 10 et 15° d'élévation au-dessus de l'horizon selon les missions) et de températures relativement modérées durant le séjour sur la Lune (rappel : le jour lunaire dure environ 28 jours terrestres). En conséquence, pour chaque lieu d'atterrissage choisi, la fenêtre de tir de la fusée Saturn est réduite à 3 jours par mois. 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.

Le déroulement d'une mission comporte les phases suivantes :

• La mise en orbite basse ;
• L'injection en orbite de transfert vers la Lune ;
• La mise en orbite autour de la Lune ;
• La descente du module lunaire sur la Lune ;
• Le séjour sur la Lune ;
• La remontée du module lunaire ;
• L'injection en orbite de transfert vers la terre ;
• La rentrée dans l'atmosphère terrestre.

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 (Translunar Injection - TLI). L'injection se traduit par une augmentation de la vitesse de 3 040 m/s 10 000 km/h).

Le module lunaire est, depuis l’envol de la fusée Saturn, stocké en position repliée dans un carénage - le SLA (Spacecraft Lunar Module Adapter) - situé entre le 3^e étage de la fusée Saturn et les modules de Commande et de Service.

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 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. 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. 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.

Descente et atterrissage sur la Lune

Pour économiser les propergols de l’étage de descente du LEM, la trajectoire de la descente est découpée en plusieurs phases : la première phase est l'abaissement de l'orbite qui est suivi de la descente propulsée (Powered Descent) qui elle-même se décompose en une phase de freinage, une phase de repérage et une phase d’atterrissage.

Le rôle du système de navigation et de pilotage embarqué

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 certes 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 auparavant tout le carburant.

Le centre de contrôle au sol situé à Houston prend en charge l’initialisation du système de navigation : grâce aux données télémétriques fournies par ses échanges avec le vaisseau en bande S et ses programmes de simulation s’appuyant sur un modélisation détaillée de la surface et de la gravité lunaire, il peut calculer avec plus de précision que l’ordinateur du LEM les paramètres initiaux : la position et le vecteur vitesse du vaisseau spatial à l’allumage des moteurs ainsi que le vecteur de la poussée à appliquer pour la première phase de la descente.

Les données calculées par le centre de contrôle sont introduites par les astronautes dans l’ordinateur de bord. Celui-ci va, au cours de la descente, exécuter successivement plusieurs programmes de guidage (un pour chaque segment de la trajectoire : abaissement d’orbite, freinage, etc.) qui vont moduler la poussée et la direction du moteur de descente ainsi que les moteurs d’attitude. L’ordinateur de bord actualise toutes les 2 secondes sa position grâce aux mesures d’accélération de sa centrale inertielle (gyroscope) et aux mesures de vitesse de défilement du sol et d’altitude fournies par le radar dans les phases finales lorsque le LEM est suffisamment proche du sol. À la demande des astronautes, l’ordinateur peut restituer les informations de navigation.

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.

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 trois 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. 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.

La phase d'approche

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) : 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.

La phase d'atterrissage

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. En prenant en compte les différents aléas (phase de repérage allongée de 2 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 plané 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).

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 km 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.

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. Une fois les pierres lunaires transférées, le LEM est libéré et lancé sur une trajectoire qui l’amènera à s’écraser sur la Lune. Le module de commande et le module de service peuvent entamer leur retour vers la Terre.