Saturn V

Saturn V
Fusée de la mission Apollo 4 sur son pas de tir
Données générales
Pays d’origine	États-Unis
Premier vol	9 novembre 1967 (Apollo 4)
Dernier vol	14 mai 1973 (Skylab 1)
Hauteur	110,6 m
Diamètre	10,1 m
Masse au décollage	3 038 tonnes
Nombre d’étage(s)	3
Charge utile en LEO	118 tonnes
Charge utile pour la Lune	47 tonnes
Poussée au décollage	environ 34 MN
Moteur(s)	11 moteurs en tout
Motorisation
1er étage	Cinq moteurs F1
2e étage	Cinq moteurs J-2
3e étage	Un moteur J-2
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Saturn 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 de 2 800 tonnes, capable de placer 118 tonnes en orbite basse terrestre, a été développée dans le contexte de la course à l’espace opposant Américains et Soviétiques. C'est le premier lanceur à mettre en œuvre des moteurs brûlant le mélange cryogénique performant d'hydrogène et d'oxygène liquides. Il reste en 2015 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.

Historique

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 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^[1].

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 début 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^[1].

Les Saturn IB et V dans leurs configurations définitives

Lorsque le président américain John F. Kennedy accède au pouvoir début 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^[2]. :

• 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 1^er 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^[3]. Le vice-président Lyndon B. Johnson, consulté par Kennedy, propose d'envoyer une mission habitée sur la Lune^[4]. 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 »^[5]. 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^[6]. Le nouveau programme est baptisé Apollo, nom choisi par Abe Silverstein, à l'époque directeur des vols spatiaux habités^[7]. 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^[8].

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^[8] :

• 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^[9].

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^[10]. 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^[11].

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^[12].

La création d'installations adaptées

Pour développer, tester et lancer la fusée géante, la NASA créea 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^[13],[14].
• 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^[15]. 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^[13],[16].
• 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^[17].
• 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.

Caractéristiques techniques

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 118 tonnes. Elle surpasse toutes les autres fusées ayant précédemment volé. À titre de comparaison, Saturn V a à peu près la même hauteur que la grande Arche de la Défense à Paris.

Saturn V est principalement conçu 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 son 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.

Principales caractéristiques des étages du lanceur

Caractéristique	1er étage	2e étage	3e étage
Désignation	S-IC	S-II	S-IVB
Dimension (longueur × diamètre)	42 × 10 m	24,8 × 10 m	17,9 m × 6,6 m
Masse (dont carburant)	2 286 t (x t)	454 t (x t)	114 t (x t)
Poussée maximale (dans le vide)	33,4 MN	5 MN	1 MN
Impulsion spécifique (dans le vide)
Durée de fonctionnement	150 s	360 s	136 + 335 s
Moteurs	5 xF-1	5 x J-2	J-2
ergols	Kérosène (RP-1) et Oxygène liquide	Hydrogène et Oxygène liquide	Hydrogène et Oxygène liquide

Le premier étage S-IC

L’étage S-IC était construit par la société Boeing au centre d’assemblage Michoud, à La Nouvelle-Orléans^[18], où furent plus tard construits les réservoirs extérieurs de la navette spatiale américaine. Comme pour la plupart des étages d’une fusée spatiale, la presque totalité de la masse de 2 000 tonnes au décollage du S-IC provenait du carburant, en l’occurrence du RP-1 et de l’oxygène liquide.

Cet étage faisait 42 mètres de haut et 10 mètres de diamètre, et fournissait une poussée de 3 500 tonnes propulsant la fusée pendant les 67 premiers kilomètres d’ascension^[19].

• Premier étage
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  Moteur F-1

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  Le premier étage d’Apollo 8 de Saturn V soulevé dans le Bâtiment d’Assemblage Vertical (VAB) le 1^er février 1968.

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Le second étage S-II

Le S-II était construit par North American Aviation à Seal Beach en Californie. Utilisant de l’oxygène et de l’hydrogène liquides, ses cinq moteurs J-2 présentaient une disposition similaire au S-IC. Le deuxième étage accélérait Saturn V à travers les hautes couches de l’atmosphère grâce à une poussée de 5 MN. Avec ses réservoirs remplis, 97 % de la masse de l’étage provenait des ergols^[20].

Au lieu d’avoir une structure inter-réservoirs entre ses deux réservoirs d’ergols, comme sur le S-IC, le S-II avait une structure à fond commun, le fond du réservoir LH2 étant le sommet du réservoir LOX. Ce fond était constitué de deux feuilles d’aluminium séparées par une structure en nid d’abeilles en phénol. Elle devait assurer une isolation thermique entre les deux réservoirs, ces derniers ayant une différence de température de 70 °C. L’utilisation de réservoirs à fond commun permit de réduire la masse de l’étage de 3,6 tonnes^[21].

• Second étage
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  Les moteurs J-2 du second étage

Le troisième étage S-IVB

L’étage S-IVB était fabriqué par la compagnie Douglas Aircraft à Huntington Beach en Californie. Il avait un moteur J-2 et utilisait les mêmes ergols que le S-II. Le S-IVB avait également une structure à fond commun pour séparer les deux réservoirs. Cet étage était utilisé deux fois au cours d’une mission lunaire, une première fois pour la mise en orbite après l’extinction du deuxième étage, et une deuxième fois pour la manœuvre de l’injection « translunaire » (« Translunar injection » - TLI)^[22].

Deux systèmes de propulsion auxiliaires à carburant liquide, montés sur la jupe arrière de l’étage, étaient utilisés pour le contrôle d’altitude pendant la phase de passage en orbite « parking » et pendant les phases translunaires de la mission. Les deux systèmes auxiliaires étaient également utilisés comme moteur de ouillage pour aider à correctement positionner les ergols dans les réservoirs avant l’allumage du moteur pour l’injection translunaire^[23].

Le S-IVB était le seul étage de la fusée Saturn V suffisamment petit pour pouvoir être transporté par avion, en l’occurrence le super Guppy.

Mis à part l’adaptateur inter-étages, cet étage est presque identique au second étage de la fusée Saturn IB.

• Troisième étage
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Le moteur F-1

Le premier étage est propulsé par cinq moteurs F-1 disposés en croix. Le moteur central est fixe, tandis que les quatre extérieurs, assistés de vérins hydrauliques, peuvent pivoter pour orienter la fusée. Le F-1 était un moteur-fusée de très grande puissance conçu par Rocketdyne pour le lanceur. Les cinq moteurs F-1 utilisés sur Saturn V, brûlent de l'oxygène liquide (LOX) et du kérosène (RP-1). Avec une poussée de 6,7 MN (680 tonnes), le F1 est encore aujourd'hui considéré comme le moteur-fusée à ergols liquides et à chambre de combustion unique le plus puissant à avoir été mis en service. Le moteur russe RD-171 (1986) atteint une poussée supérieure (790 tonnes au sol) mais en utilisant 4 chambres de combustion distinctes^[24].

• Moteur F-1
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  Quatre moteurs F-1 montés sur leur structure de poussée

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  Test statique d'un moteur F-1

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  Installation des moteurs sur le premier étage pour un test statique de l'ensemble de l'étage

Le moteur J-2

Le J-2 est un moteur-fusée fabriqué par la société américaine Rocketdyne qui propulse les deuxième et troisième étages de la fusée Saturn V qui sont en particulier chargé de la satellisation des vaisseaux Apollo autour de la terre puis de les lancer sur leur trajectoire en direction de la Lune. Le moteur utilise des ergols liquides (hydrogène et oxygène liquides). Ce couple d'ergols permet un vitesse d'éjection des gaz brûlés de 3 900 m/s et le moteur fournit une poussée dans le vide de 105,5 tonnes. Pour remplir sa mission le moteur du troisième étage est ré-allumable en vol^[25]. Une version modifiée, appelée J-2X, devrait propulser le second étage du Space Launch System.

• Moteur J-2
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  Moteur J2 du troisième étage

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  Moteur J2 du troisième étage

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  Test du moteur J-2

Case à équipements

La case à équipements (Intrument Unit ou IU) regroupe les instruments chargés de contrôler et piloter le lanceur Saturn V durant son vol jusqu'au largage du dernier étage. Les instruments sont accrochés aux parois d'un anneau de 91 cm de haut et de 6,6 mètres de diamètre situé au sommet du 3^e étage. La structure cylindrique est constituée de feuilles d'aluminium fixées sur un cœur en nid d'abeilles d'aluminium. La structure avec les équipements qui y sont installés a une masse de 2 041 kg. Le développement de la case à équipements a largement précédé celui du lanceur puisque les premières versions ont volé sur les lanceurs Saturn I et IB. Dès le départ la conception des instruments a été prévue pour être facilement adaptable et peu de modifications ont été apportées pour le lanceur Saturn V, hormis l'augmentation de la capacité de calcul et de la mémoire. La case à équipement héberge notamment la centrale à inertie ST-124 développée par Bendix et l’ordinateur de bord développé par IBM capable d'effectuer 9600 opérations par seconde et doté d'une mémoire de 460 kilobits. Tous les circuits jouant un rôle critique sont triplés, et leurs résultats sont comparés par un système de vote majoritaire pour leur prise en compte. L'ordinateur de bord déclenche les différentes opérations en vol jusqu’au largage du troisième étage S-IVB : allumage et extinction des moteurs, calcul et correction de la trajectoire, séparation des étages. La case à équipements comprend également les systèmes de guidage et de télémétrie transmettant en temps réel les données collectées en différents points du lanceur (comportement des moteurs, températures, trajectoire...). En mesurant l’accélération et l’altitude du lanceur, l'ordinateur embarqué calcule la position et la vitesse de la fusée et corrige les déviations par rapport à la trajectoire prévue. Les données utilisées et reçues par l'ordinateur sont collectées et converties par un système baptisé convertisseur de données interfacé avec tous les systèmes du lanceur et avec le système de télécommunications. Enfin on y trouve également quatre batteries fonctionnant à 28 volts fournissant l'énergie nécessaire aux différents équipements. La chaleur générée est évacuée par un système à liquide caloporteur qui la transporte jusqu'à des plaques froides exposées dans l'espace. Un circuit secondaire dans lequel circule de l'eau se sublimant dans l'espace au contact du premier circuit évacue le solde de chaleur. La case à équipements est fabriquée par la société IBM dans un établissement créé spécifiquement pour le lanceur à Huntsville qui emploiera jusqu'à 2 000 personnes^[26],[27].

• Case à équipements
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  La case à équipements de la Saturn V d’Apollo 4.

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  La centrale à inertie ST-124

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  Tests dans les locaux d'IBM à Huntsville

Sécurité

En cas de défaillance en vol nécessitant la destruction de la fusée (sortie de la trajectoire nominale), le lanceur Saturn V dispose d'un système facilitant la dispersion des ergols afin d'éviter qu'ils ne forment un mélange explosif. Celui-ci est activé une fois que le vaisseau Apollo contenant l'équipage s'est séparé du lanceur grâce à l'action de la tour de sauvetage. Le responsable de la sécurité du vol transmet par radio un ordre d'interruption de la mission, qui est reçu par des antennes situées au sommet de chaque étage et qui sont elles-mêmes reliées aux systèmes de destruction. Ceux-ci déclenchent alors la mise à feu de cordons explosifs placés sur les réservoirs qui les éventrent en libérant les ergols^[28].

Logistique industrielle et assemblage

Après qu’un étage eut été fini, il était transporté par bateau jusqu’au centre spatial Kennedy. Les deux premiers étages étaient si grands qu’ils ne pouvaient être transportés que par barge. Le S-IC construit à La Nouvelle-Orléans descendait le fleuve Mississippi jusqu’au golfe du Mexique. Après avoir fait le tour de la Floride, il était alors transporté par l’Intracoastal Waterway jusqu’au bâtiment d’assemblage vertical (aujourd’hui dit le bâtiment d’assemblage véhicule ou VAB, Vehicle Assembly Building). L’étage S-II, construit en Californie, voyageait par le canal de Panama. Le 3^e étage et la case à équipements étaient transportés par les Aero Spacelines Pregnant Guppy et les super Guppys^[29].

À l’arrivée au bâtiment d’assemblage vertical, chaque étage était contrôlé en position horizontale avant d’être basculé à la verticale. La NASA construisit aussi de larges structures cylindriques qui pouvaient être mises à la place des étages si l’un d’entre eux était retardé. Ces structures avaient la même hauteur et la même masse et contenaient les mêmes connexions électriques que les vrais étages. La fusée assemblée était montée sur sa plateforme de lancement dans le bâtiment d’assemblage vertical, puis la structure complète était déplacée vers le pas de tir à 5 km de là par un engin spécialement conçu pour cela, le transporteur « crawler ». Le crawler est un engin gigantesque de 2 700 t monté sur quatre bogies à deux chenilles chacun, qui a été fabriqué par l'entreprise Marion Power Shovel (en) dans l’Ohio. Il restera par la suite en usage pour le programme de la navette spatiale américaine^[30].

• Installations
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  Construction du VAB

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  Installations de test de Stennis

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  La Saturn V d’Apollo 10 en cours de transfert.

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  Le transporteur

Déroulement du lancement des missions lunaires

La fusée Saturn V transporta les astronautes du programme Apollo jusqu’à la Lune. Tous les lancements eurent lieu depuis le complexe de lancement 39 au centre Spatial John F. Kennedy. Après que la fusée avait traversé les rampes de lancement, le contrôle de mission était transféré au centre de contrôle Johnson à Houston au Texas.

Une mission type utilisait la fusée pour un total d’environ vingt minutes. Les missions Apollo 6 et Apollo 13 ont connu des pannes moteurs, mais les ordinateurs de bord furent capables de compenser en laissant fonctionner les moteurs restants plus longtemps, et aucun des lancements Apollo ne se termina par une perte de la charge utile.

Fonctionnement du premier étage

Le premier étage fonctionne durant 2 minutes et 30 secondes en brûlant 2 000 t d’ergols. Lorsque le second étage prend le relais la fusée se trouve à une altitude de 61 km et sa vitesse est de 8 600 km/h .

La séquence d’allumage du 1^er étage débute 8,9 s avant le lancement proprement dit. Le moteur F-1 central s’allume en premier, suivi par les deux paires de moteurs symétriques avec un décalage de 300 ms pour réduire les efforts mécaniques sur la fusée. Une fois que les ordinateurs ont confirmé que les moteurs ont atteint leur poussée maximale, la fusée est relâchée en douceur en deux étapes : les bras qui maintiennent la fusée se déverrouillent pour la libérer puis, tandis que le lanceur commence à s'élever au-dessus du sol, des fixations métalliques accrochées à travers des fentes à la fusée se déforment progressivement jusqu’à relâcher complètement le lanceur^[31]. Cette phase du lancement dure une demi-seconde. Lorsque la fusée est complètement relâchée, le lancement ne peut plus être interrompu même si un moteur a un fonctionnement défectueux. Il faut environ 12 secondes à la fusée pour s’élever au-dessus de la tour de lancement. Une fois celle-ci dépassée, le lanceur Saturn V pivote pour s’éloigner suffisamment de la zone de tir en cas de vents contraires ou de panne moteur. À une altitude de 130 mètres, la fusée effectue une manœuvre de roulis et bascule pour s'aligner selon l'azimut prévue. Du lancement jusqu’à la seconde 38 après l’allumage du second étage, Saturn V utilise un programme préenregistré pour corriger son assiette. Ces corrections tiennent compte des vents dominants moyens mesurés pendant le mois correspondant au lancement.

Par précaution, les quatre moteurs périphériques sont inclinés vers l’extérieur, de manière à ce que si un moteur vînt à s’arrêter, la poussée des moteurs restants soit dirigée vers le centre de gravité de la fusée. Saturn V accélère rapidement, atteignant la vitesse de 500 m/s à 2 km d’altitude. La priorité de la phase préliminaire du vol était de prendre de l’altitude, le critère de vitesse venant plus tard. Après environ 80 secondes, la fusée atteint le point de sa trajectoire, désigné par Max Q, où la pression dynamique qui s'exerce sur son fuselage atteint son maximum. La pression dynamique sur une fusée est proportionnelle à la densité de l’air autour de la fusée et au carré de la vitesse. Bien que la vitesse de la fusée augmente avec l’altitude, la densité de l’air, elle, décroît. 135,5 secondes après le décollage, le moteur central s’éteint pour réduire les contraintes structurelles sur la fusée liés à l’accélération. En effet cette dernière s'accroit au fur et à mesure que la fusée brûle ses ergols et s’allège. Or la poussée du moteur F-1 n’était pas modulable. 600 millisecondes après l’extinction du moteur, alors que la fusée a atteint une altitude de 62 km le premier étage se sépare du lanceur avec l’aide de huit petits rétrofusées à poudre qui empêchent le premier étage toujours propulsé de télescoper le second étage qui n'avance plus que sur son inertie. Juste avant ce largage, l’équipage subit sa plus forte accélération, 4 g (soit 39 m/s²). Après sa séparation, le premier étage poursuit sa trajectoire ascendante jusqu’à une altitude de 110 km. En effet, les quatre moteurs F-1 périphériques continuent à fonctionner jusqu’à l’épuisement d’un des deux ergols mesuré par les capteurs situé dans les systèmes d’alimentation situés dans les réservoirs. Puis le premier étage retombe dans l’océan Atlantique à environ 560 km du pas de tir.

Fonctionnement du deuxième étage

L’étage S-II, qui prend le relais du premier étage, fonctionne durant 6 minutes : il permet au lanceur d'atteindre une altitude de 185 km une vitesse de 24 600 km/h (6,3 km/s), proche de la vitesse minimale requise pour maintenir en orbite un engin spatial (environ 7 9 km/s).

Les moteurs du second étage sont allumés en deux temps. Après la séparation, des fusées à propergol solide impriment durant 4 secondes une accélération au lanceur qui n'avance plus que sur son inertie depuis la séparation avec le premier étage. L'objectif est de plaquer les ergols au fond des réservoirs pour que les moteurs du second étage soient alimentés correctement lorsqu'ils seront allumés. Puis les cinq moteurs J-2 sont allumés. Le nombre de ces fusées a varié selon les missions : huit pour les deux premiers vols, puis quatre pour les vols suivants. Environ 30 secondes après la séparation avec le premier étage, la jupe située entre les deux étages, qui sert également de support aux fusées de tassement, est larguée pour alléger le lanceur. Cette manœuvre de séparation demande une grande précision, car il ne faut pas que cette pièce cylindrique qui entoure les moteurs et qui en est distante de seulement 1 mètre touche ceux-ci au passage. Au même moment la tour de sauvetage, qui est fixée au sommet du vaisseau Apollo pour arracher celui-ci au lanceur en cas de défaillance, est larguée.

Environ 38 secondes après l’allumage du second étage, le système de guidage du lanceur passe d'un système de guidage préenregistré qui lui imposait une trajectoire précise à une navigation autonome piloté par les ordinateurs de bord assistés par les instruments de la case à équipement, tels qu’accéléromètres et instrument de mesure de l’altitude. L'équipage peut reprendre les commandes si les ordinateurs de bord sortent des limites des trajectoires acceptables : il peut soit annuler la mission soit prendre le contrôle manuel du lanceur. Environ 90 secondes avant l'arrêt du deuxième étage, le moteur central s’éteint pour réduire les oscillations longitudinales connues sous le nom de « effet pogo ». Un système d’atténuation de l’effet pogo fut mis en place à partir d’Apollo 14, mais on continua à éteindre le moteur central comme lors des vols précédents. À peu près au même moment, le débit de l'oxygène liquide est réduit, modifiant le ratio de mélange des deux ergols pour garantir qu’il reste aussi peu d’ergols que possible dans les réservoirs à la fin du vol du second étage. Cette opération était réalisée pour une certaine valeur de Delta-V. Une fois que deux des cinq capteurs situés au fond des réservoirs détectent l'épuisement des ergols, les systèmes de contrôle de la fusée Saturn V initient la séquence de largage du deuxième étage. Une seconde après l’extinction du deuxième étage, ce dernier se sépare et un dixième de seconde plus tard le troisième étage s’allume. Des rétrofusées à poudre montées sur l’inter-étage au sommet du deuxième étage sont mis à feu pour écarter le second étage vide en l'éloignant du reste du lanceur. L’étage S-II retombe à environ 4 200 km du site de lancement.

Fonctionnement du troisième étage

Le troisième étage fonctionnait pendant les 2,5 minutes suivantes.

Contrairement à la précédente séparation d’étages, il n’y a pas d’opération spécifique de séparation pour l’inter-étage. L’inter-étage entre les second et troisième étages reste attaché au second étage (bien qu’il fût construit comme une composante du troisième étage). 10 minutes et 30 secondes après le décollage, Saturn V était à 164 km d’altitude et à 1 700 km de distance au sol du site de lancement. Quelques instants plus tard, après des manœuvres de mise en orbite, le lanceur était sur une orbite terrestre de 180 km sur 165 km. C’était assez bas pour une orbite terrestre et la trajectoire ne peut pas rester stable à cause des frottements avec les couches hautes de l’atmosphère. Pour les deux missions qui se déroulent en orbite terrestre, Apollo 9 et Skylab, le lanceur injecte les vaisseaux sur une orbite beaucoup plus élevée. Une fois sur cette orbite de parking, le S-IVB et le vaisseau spatial, restés attachés, bouclent deux orbites et demi autour de la Terre. Durant cette période les astronautes effectuent des contrôles des équipements du vaisseau et du dernier étage du lanceur pour s’assurer que tout est en parfait état de marche et préparer le vaisseau pour la manœuvre d’injection « translunaire » (TLI).

La manœuvre TLI intervient environ 2 heures et demie après le lancement : le moteur du troisième étage est rallumé pour propulser le vaisseau spatial vers la Lune. La propulsion du S-IVB durant 6 minutes ce qui porte la vitesse des vaisseaux à plus de 10 km/s, ceux-ci peuvent ainsi s’échapper de l’attraction de la Terre pour se diriger vers la Lune. Quelques heures après la manœuvre TLI, le module de commande et de service Apollo (CSM) se sépare du troisième étage, pivote de 180 degrés, puis s’arrime au module lunaire (LEM) qui était situé sous le CSM pendant la phase de lancement. Enfin le nouvel ensemble formé par le CSM et le LEM se détache du troisième étage. Le troisième étage pourrait présenter un danger pour la suite de la mission puisque les vaisseaux Apollo suivent la même trajectoire inertielle. Pour éviter tout risque de collision, les ergols restants dans les réservoirs du troisième étage sont évacués dans l'espace ce qui par réaction modifie sa trajectoire. À partir d’Apollo 13, les contrôleurs dirigent le troisième étage vers la Lune. Des sismographes déposés sur la Lune par de précédentes missions peuvent détecter les impacts des étages s'écrasant sur la Lune. Les données enregistrées ont contribué l'étude de la composition intérieure de la Lune. Avant Apollo 13 (sauf Apollo 9 et Apollo 12), les troisièmes étages étaient placés sur une trajectoire passant à proximité de la Lune qui les renvoyait vers une orbite solaire. Apollo 9 quant à lui fut dirigé directement vers une orbite solaire. L’étage S-IVB d’Apollo 12 connut un destin tout différent. Le 3 septembre 2002, Bill Yeung découvrit un astéroïde suspect à qui il donna le nom provisoire de J002E3. Il se révéla être en orbite autour de la Terre, et il fut rapidement découvert par analyse spectrale qu’il était couvert d’une peinture blanche de dioxyde de titane, la même que celle utilisée pour Saturn V. Les contrôleurs de mission avaient prévus d’envoyer le S-IVB d’Apollo 12 en orbite solaire mais l’allumage moteur après la séparation du vaisseau Apollo dura trop longtemps et le troisième étage passa trop près de la Lune et finit sur une orbite à peine stable autour de la Terre et de la Lune. On pense qu’en 1971, à la suite d'une série de perturbations gravitationnelles, le S-IVB se plaça sur une orbite solaire puis revint sur une orbite terrestre 31 ans plus tard. En juin 2003, ce troisième étage quitta l’orbite terrestre.

Historique des lancements

Missions sans équipage

Le développement de la fusée Saturn V avait pris du retard de nombreux problèmes touchant en particulier le deuxième étage S-II : excès de poids, phénomènes de vibration (effet pogo), etc. Les déboires du vaisseau spatial Apollo (incendie du vaisseau Apollo 1) permirent au lanceur de rattraper son retard. Traditionnellement les nouveaux lanceurs étaient testés en vol étage par étage et le lancement de la fusée Saturn V du fait de sa taille et de sa complexité constituait un risque particulièrement important. Pour tenir les objectifs fixés par le président Kennedy en 1961 d'envoyer un homme sur la Lune avant la fin de la décennie 1960 le responsable de la NASA George Mueller fait le choix audacieux de lancer dès son premier vol la fusée Saturn V complète (procédure de test "All-up") en mettant en place l'organisation permettant de réussir ce pari. Deux vols sans équipage ont lieu pour valider le fonctionnement du lanceur mais également du vaisseau spatial Apollo^[32].

• 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. 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 6 (4 avril 1968) 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 peut être compensé que par une durée de fonctionnement prolongée des autres moteurs de l'étage. Alors que la fusée est sur son orbite de parking, l'unique moteur J-2 du 3^e étage refuse de se rallumer pour simuler l'injection sur une trajectoire lunaire. 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 peuvent embarquer des équipages en toute sécurité.

Vols habités destinés à tester les véhicules

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. Trois missions préparatoires utilisant le lanceur Saturn V se déroulent sans anomalie majeure sur une période de 5 mois^[33].

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

La mission Apollo 8 est le premier vol habité à quitter l’orbite terrestre. À 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^[34].

• 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. Les astronautes effectuent toutes les manœuvres de la mission lunaire tout en restant en orbite terrestre^[35].

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

Les dirigeants de la NASA envisagent que cette mission soit celle du premier atterrissage sur le sol lunaire, car l'ensemble des véhicules et des manœuvres a été testé sans qu'aucun problème majeur n'ait été détecté. Mais, dans la mesure où 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 exécute la manœuvre d'amarrage au LEM. Après s'être séparé du troisième étage de Saturn V, il effectue une rotation à 180° puis arrime 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 », entame la descente vers le sol lunaire qui est interrompue à 15,6 km de la surface^[36].

Les missions lunaires

Les sept missions suivantes lancées entre 1969 et 1972 ont toutes pour objectifs de poser un équipage en différents points de la Lune, présentant un intérêt géologique. Apollo 11 est la première mission à remplir l'objectif fixé par le président Kennedy. Apollo 12 est une mission sans histoire, contrairement à Apollo 13 qui, à la suite d'une explosion dans le module de service, frôle la catastrophe et doit renoncer à se poser sur la Lune. La NASA a modifié le modèle de module lunaire emporté par les missions à partir d'Apollo 15 pour répondre aux attentes des scientifiques^[37] : le séjour sur la Lune est prolongé grâce à des réserves de consommables plus importantes. Le module lunaire plus lourd transporte le rover lunaire qui accroît le rayon d'action des astronautes durant leurs sorties.

• Apollo 11 (16 juillet 1969 – 24 juillet 1969)

Le 21 juillet 1969, les astronautes Neil Armstrong et Buzz Aldrin, après un atterrissage mouvementé dans la mer de la Tranquillité, font leurs premiers pas sur la Lune^[38].

• Apollo 12 (14 novembre 1969 – 24 novembre 1969)

32 secondes après son décollage, la fusée Saturn V est frappée par la foudre, entraînant une perte temporaire de la puissance électrique. Le module lunaire fait un atterrissage de précision dans l'Océan des Tempêtes à 180 m de la sonde spatiale Surveyor 3^[39].

• Apollo 13 (11 avril 1970 – 17 avril 1970)

Cette mission lunaire est interrompue à la suite de l'explosion d'un réservoir d'oxygène liquide situé dans le module de service d'Odyssey durant le transit de la Terre à la Lune. Heureusement, la trajectoire de transit Terre-Lune a été calculée pour que, en l'absence de manœuvre, le train spatial puisse revenir vers la Terre après avoir fait le tour de la Lune^[40].

• Apollo 14 (31 janvier 1971 – 9 février 1971).

Au début du transit Terre-Lune, l'équipage ne parvient à amarrer le module CSM au module lunaire qu'après 5 tentatives infructueuses, impliquant une longue période de tension pour l'équipage. Apollo 14 atterrit dans la région accidentée de Fra Mauro qui était l'objectif initial d'Apollo 13^[41].

• Apollo 15 (26 juillet 1971 – 7 août 1971)

Apollo 15 est la première mission à emporter un module lunaire alourdi grâce, entre autres, à l'optimisation du lanceur Saturn V. Le poids supplémentaire est principalement constitué par le rover lunaire et des consommables (oxygène et puissance électrique) embarqués à bord du module lunaire Apollo qui permettent d'allonger le séjour sur la Lune de 35 heures à 67 heures^[42].

• Apollo 16 (16 avril 1972 – 27 avril 1972)

Apollo 16 est la première mission à se poser sur les hauts-plateaux lunaires^[43].

• Apollo 17 (7 décembre 1972 – 19 décembre 1972)

Apollo 17 est la dernière mission sur la Lune. L'astronaute Eugene Cernan et son compagnon Harrison Schmitt, un géologue civil américain, le seul astronaute scientifique du programme Apollo à avoir volé, sont les derniers hommes à marcher sur la Lune^[44].

Le programme Skylab

En 1968, le programme d’application Apollo fut créé afin d’étudier les missions scientifiques qui pouvaient être réalisés avec le surplus d’équipements du programme Apollo. La plus grande partie des réflexions tournait autour de l’idée d’une station spatiale, qui donna finalement naissance au programme Skylab. Le lancement de Skylab, faisant appel à Saturn INT-21, un lanceur à deux étages dérivés de Saturn V, fut le seul lancement de Saturn V non directement lié au programme Apollo de premier homme sur la Lune.

À l’origine, il était prévu de suivre le concept dit de l’atelier « humide », avec un étage de fusée utilisé pour le lancement en orbite, puis, une fois vide, reconverti en station spatiale par des aménagements réalisés en orbite. Mais ce concept fut abandonné au profit du concept de l’atelier « sec » ; un étage S-IVB du lanceur Saturn 1B transformé au sol en la station spatiale Skylab puis lancé par une Saturn V. Un système de rechange (parfois nommé Skylab B), qui fut construit à partir d’un troisième étage de Saturn V, est aujourd’hui exposé au National Air and Space Museum.

Trois équipages ont occupé Skylab du 25 mai 1973 jusqu’au 8 février 1974. Skylab resta en orbite jusqu’en mai 1979.

On espérait à l’origine que Skylab resterait suffisamment longtemps en orbite pour être visité par la navette spatiale américaine pendant ses tout premiers vols. La navette aurait pu remonter l’orbite de Skylab, et lui permettre d’être utilisée comme une base pour de futures stations spatiales. Cependant, la navette ne vola pas avant 1981 et, rétrospectivement, on a pris conscience que Skylab n’aurait de toute façon pas été d’une grande utilité, n’étant pas conçue pour être réapprovisionnée ou ravitaillée.

Numéro de série	Mission	Date de lancement	Commentaires
SA-501	Apollo 4	9 novembre 1967	Premier vol d’essai sans équipage
SA-502	Apollo 6	4 avril 1968	Deuxième vol d’essai sans équipage
SA-503	Apollo 8	21 décembre 1968	Premier vol habité de Saturn V et orbite lunaire
SA-504	Apollo 9	3 mars 1969	Test du LEM en orbite terrestre
SA-505	Apollo 10	18 mai 1969	Répétition d'une mission lunaire sans atterrissage
SA-506	Apollo 11	16 juillet 1969	Première mission atteignant le sol lunaire
SA-507	Apollo 12	14 novembre 1969	Le module lunaire se pose près de Surveyor 3
SA-508	Apollo 13	11 avril 1970	La mission est interrompue à la suite d'une explosion sur le trajet Terre-Lune
SA-509	Apollo 14	31 janvier 1971	Le module lunaire se pose près de Fra Mauro
SA-510	Apollo 15	26 juillet 1971	Première utilisation d'une version de Saturn V optimisée permettant l'emport d'un LEM plus lourd comprenant le rover lunaire
SA-511	Apollo 16	16 avril 1972	Le module lunaire se pose près de Descartes
SA-512	Apollo 17	6 décembre 1972	Seul lancement nocturne ; dernière mission du programme Apollo
SA-513	Skylab 1	14 mai 1973	Utilisation d'une version à deux étages pour mettre en orbite la station spatiale Skylab (Saturn INT-21) réalisée sur la base du troisième étage
SA-514	Inutilisé		Développée mais jamais utilisée pour Apollo18/19
SA-515	Inutilisé		Développée comme système de rechange pour le lancement de Skylab

Les Saturn V furent lancées de jour ou de nuit, par plus ou moins beau temps, comme on peut le voir sur ce montage photo.

Les évolutions du lanceur Saturn V mises à l'étude

La deuxième campagne de production de Saturn V, qui a été annulée, aurait très certainement utilisé des moteurs F-1A sur le premier étage, fournissant un surplus de poussée substantiel. D’autres changements probables auraient été la suppression des ailettes (qui s’avérèrent apporter peu de bénéfice eu égard à leur poids) ; un premier étage S-IC étiré pour supporter les moteurs F-1A plus puissants ; et des moteurs J-2 améliorés pour les étages supérieurs.

Un certain nombre de lanceurs dérivés de la fusée Saturn V furent proposées, allant de la Saturn INT-20 avec un étage S-IVB et un inter-étage monté directement sur l’étage S-IC, à la Saturn V-23 (L) qui aurait non seulement eu cinq moteurs F-1 sur le premier étage, mais également quatre boosters ajoutés avec chacun deux moteurs F-1, portant le nombre total de moteurs F-1 en fonctionnement au lancement à treize.

La navette spatiale américaine fut initialement conçue comme un système de transport à utiliser de concert avec Saturn V, au point que fut imaginée une « Navette Saturn » qui, utilisant les orbiteurs et réservoirs extérieurs actuels, mais avec ces réservoirs montés sur une version modifié du S-IC et volant sur son dos, aurait été utilisée pour propulser la navette durant les deux premières minutes de vol, après lesquelles le S-IC aurait été largué et serait retourné vers le Centre spatial Kennedy pour réapprovisionnement, et les moteurs principaux de la navette spatiale se seraient mis en marche pour placer l’orbiteur en orbite. La navette devait s’occuper de la logistique de la station spatiale, tandis que Saturn V devait s’occuper du lancement des différents composants. L’absence de la deuxième série de production de Saturn V ruina ce plan et laissa les États-Unis sans lanceur super-lourd. Certains au sein de la communauté spatiale américaine ont fortement regretté cette situation, sachant que la poursuite de la production aurait permis la réalisation de la Station spatiale internationale, en configuration Skylab ou Mir avec les ports d’ancrages russes et américains, avec une poignée seulement de lancements. Certains considèrent également que le concept de « navette Saturn » aurait permis d’éviter les conditions qui ont amené au désastre de Challenger en 1986.

Saturn V aurait été le lanceur des sondes spatiales Voyager Mars vers Mars qui ont été annulées, et aurait dû être le lanceur utilisé pour le programme RIFT de test d’étage à propulsion nucléaire et pour le programme NERVA.

Les autres projets de lanceur lourd

Le lanceur Nova

Aux États-Unis, les propositions pour une fusée plus grande que Saturn V étudiées de la fin des années 1950 jusqu’au début des années 1980 ont toutes porté le nom général de Nova. On compte ainsi plus de trente projets portant sur différentes versions de ce lanceur.

Wernher von Braun et d’autres avaient aussi des plans pour une fusée qui aurait eu huit moteur F-1 sur son premier étage lui permettant d’envoyer un vaisseau spatial habité directement vers la Lune. D’autres variantes pour Saturn V suggéraient d’utiliser un Centaur comme étage supérieur ou d’ajouter des boosters d’appoint. Ces améliorations auraient augmenté sa capacité à envoyer de grands vaisseaux inhabités explorer les autres planètes ou des vaisseaux habités vers Mars.

Le programme Constellation et le lanceur Ares V

En 2007, la NASA prévoyait de construire le lanceur super-lourd Ares V, un dérivé de la navette spatiale. Ares V aurait eu à peu près la même hauteur et la même masse que Saturn V. Ce nouveau lanceur aurait été baptisé en l’honneur de Saturn V. Il était destiné à être un véhicule inhabité, à forte capacité de lancement, prévu pour les futures missions habitées vers la Lune et vers Mars. Le président américain Barack Obama a annoncé le 1^er février 2010 son intention d'abandonner le programme Constellation. Cette décision a été approuvée par le Congrès américain entrainant l'arrêt du développement des lanceurs Ares.

Contrairement à Saturn V qui possède trois étages, Ares V aurait eu deux étages, avec un étage principal de 10 mètres de diamètre (le même que sur les étages S-IC et S-II) propulsé par de l’hydrogène et de l’oxygène liquide et assisté pendant ses deux premières minutes de vol par une paire de boosters à poudre dérivés de ceux de la navette spatiale américaine, avec cinq segments de poudre au lieu de quatre actuellement. L’étage principal aurait été équipé de cinq moteurs-fusées RS-68 avec la même disposition que celle utilisée sur les étages S-IC et S-II. À l’origine Ares V aurait dû utiliser cinq moteurs SSME (moteurs principaux de la navette spatiale américaine), mais le basculement vers les RS-68 a été motivé par un aspect coût, et par le fait que ces moteurs ont fonctionné avec succès sur le système de lancement inhabité Delta IV EELV. De plus, les RS-68 sont plus puissants et plus faciles à fabriquer que les SSME.

Les moteurs RS-68, construits par la division Rocketdyne de Pratt & Whitney (auparavant propriété de Boeing et de Rockwell international) sont plus efficaces que les moteurs F-1 de Saturn V. Par contre, les moteurs J-2 utilisés sur le S-II et le S-IVB vont être modifiés et devenir les moteurs améliorés J-2X pour être montés sur l’« étage de départ de la Terre » (Earth Departure Stage - EDS), le deuxième étage d’Ares V dérivé du S-IVB, et sur le second étage de la fusée en proposition Ares 1. L’étage EDS et le deuxième étage d’Ares 1 devraient utiliser un seul moteur J-2X, bien qu’initialement l’EDS ait été prévu avec deux moteurs jusqu’au changement de conception remplaçant les cinq SSME par cinq RS-68.

Le lanceur lourd Space Launch System

Le Space Launch System est un lanceur lourd, visant à remplacer les fusées Ares, présenté en 2011. Son but est de réaliser des vols habités vers la Lune, des astéroïdes ou peut-être même Mars. Ce lanceur devrait utiliser des moteurs J-2X, dérivés des J-2 de Saturn V, et initialement développés pour les lanceurs Ares. Ce lanceur sera plus haut, avec 120 mètres de hauteur au lieu des 110 mètres de Saturn V. Sa poussée au décollage devrait être de 4 200 tonnes.

Néanmoins, son architecture sera différente: il comportera deux étages et deux moteurs d'appoints à propergol solide. Les deux étages seront cryotechniques mais seul le deuxième sera équipé des J2-X. Le premier étages sera en effet propulsé par 5 moteurs RS-25D/E dérivés des moteurs SSME. Quant aux propulseurs d'appoints, il seront aussi dérivés de systèmes existants, en l'occurrence des propulseur d'appoint à poudre de la navette spatiale américaine^[45].

Coût du programme Saturn V

De 1964 à 1973, un total de 6,5 milliards de dollars est dépensé pour Saturn V. C’est en 1966 que l’effort financier annuel est le plus important avec une somme de 1,2 milliard de dollars^[46]. En tenant compte de l’inflation, cela équivaut à une somme entre 32 et 45 milliards de dollars de 2009^[47].

Une des principales raisons à l’arrêt du programme Apollo a été son coût. En 1966, la NASA reçut son budget le plus important, 4,5 milliards de dollars, à peu près 0,5 % du PIB des États-Unis à l’époque. La même année, le Département de la Défense des États-Unis recevait 63,5 milliards de dollars.

Les exemplaires du lanceur conservés

En 2013, trois exemplaires du lanceur Saturn V subsistent et sont présentés au public :

• Le centre spatial Johnson expose un lanceur Saturn V composée du premier étage du SA-514, du second étage du SA-515 et du troisième étage du SA-513
• Au centre spatial Kennedy, le lanceur présenté est composé du S-IC-T (étage de test) et du second et troisième étage du SA-514
• Le centre américain de l’espace et des fusées expose une fusée Saturn V composée du S-IC-D, S-II-F/D et du S-IVB-D (tous des étages de test non prévus pour un vol réel)

Sur ces trois Saturn V, seule celle du centre spatial Johnson est composée entièrement d’étages prévus pour un lancement réel. Le centre américain de l’espace et des fusées à Huntsville dispose également en exposition d’une réplique à l’échelle de Saturn V érigée à la verticale. Le premier étage du SA-515 se trouve au centre d’assemblage Michoud en Louisiane. Le troisième étage du SA-515 quant à lui fut converti pour servir de rechange pour Skylab. Ce dernier est aujourd’hui visible au musée national américain de l’air et de l’espace.

Comparaison avec d’autres lanceurs

La fusée soviétique N1

L’équivalent soviétique de Saturn V fut la fusée N1. Saturn V était légèrement plus haute, plus lourde, et bien que moins puissante (34 MN contre 46 MN pour la N1) elle avait une plus grande capacité d’emport que la fusée soviétique grâce à l’utilisation d’hydrogène, plus efficace que le kérosène, dans ses étages supérieurs. La N1 dépassait aussi la fusée américaine pour le diamètre du premier étage.

Quatre tirs d’essai de la N1 furent réalisés. Tous se terminèrent en échec catastrophique dès la première phase du lancement et conduisirent à l’abandon du programme par les Soviétiques.

Le premier étage de la Saturn V utilisait cinq moteurs très puissants tandis que la N1 était équipée d’un assemblage complexe de 30 moteurs plus petits, architecture imposée par le fait que Sergueï Korolev (son concepteur) ne disposait pas à cette époque de moteurs de forte puissance et qu’il se refusait à utiliser ceux que lui proposait son adversaire Valentin Glouchko, plus puissants mais utilisant des ergols hypergoliques toxiques.

Les systèmes informatiques embarqués de la fusée soviétique semblaient également moins performants. Au cours des vols Apollo 6 et Apollo 13, Saturn V fut capable de corriger sa trajectoire de vol malgré des incidents de perte de fonctionnement moteur. Au contraire, même si la N1 disposait également d’un système informatique conçu pour corriger les défauts de fonctionnement des moteurs, ce dernier manquait de fiabilité et ne parvint jamais à sauver un lancement de l’échec, étant même à une occasion à l’origine de l’échec en éteignant de manière impromptue tous les moteurs du premier étage, détruisant le lanceur et le pas de tir par la même occasion.

Fondamentalement, la principale cause de l’échec du programme N1 semble être le manque d’essais sur le bon fonctionnement simultané des 30 moteurs de l’étage 1, insuffisance de précautions à son tour causée par des financements trop faibles.

La fusée russe Energia

La fusée Saturn V avait une poussée maximale d’au moins 34 MN et une capacité d’emport de 118 tonnes sur orbite LEO. La mission SA-510 (Apollo 15) avait au décollage une poussée de 34,8 MN. La mission SA-513 (Skylab) avait une poussée au décollage légèrement supérieure (35,1 MN). Aucun autre lanceur spatial en opération n’a surpassé Saturn V en hauteur, en poids, ou en charge utile. Hormis la fusée N1 dont les quatre lancements furent des échecs, il n’y a que pour la poussée au décollage que Saturn V a été égalée par une autre fusée (la fusée Energia russe qui avait une poussée de 35,1 MN), si on compte les deux vols d’essais d’Energia comme opérationnels.

Les versions améliorées d'Energia ou Saturn V

Parmi les projets de fusées qui auraient dépassé les performances de Saturn V s'ils avaient été concrétisés, citons les versions évoluées d’Energia qui auraient délivré environ 46 MN et auraient pu envoyer 175 tonnes en orbite LEO dans la configuration « vulkan ».

Les versions améliorées de Saturn V, grâce aux moteurs F-1A, auraient eu 18 % de poussée supplémentaire et une charge utile de 137 t en LEO. La NASA envisageait aussi de nouveaux membres encore plus performants, dont le lanceur Nova, mais ils ne furent jamais produits.

La navette spatiale américaine

La navette spatiale américaine génère une poussée maximale de 3 500 tonnes au décollage^[48] et peut théoriquement injecter 29 tonnes de charge utile^[49] (en excluant la navette elle-même) en orbite basse, soit environ le quart de Saturn V. Si on inclut la navette dans la charge utile, on monte à 112 tonnes. Une comparaison équivalente serait la masse orbitale totale du troisième étage S-IVB de Saturn V, qui était de 140 976 kg pour la mission Apollo 15.

La fusée européenne Ariane 5

Autre comparaison, Ariane 5 ECA peut envoyer environ 10 tonnes en orbite GTO, et 20 tonnes en LEO.

Les fusées américaines Delta 4 et Atlas V

La fusée américaine Delta 4 Heavy envoie 13,1 tonnes en orbite de transfert géosynchrone.

Enfin, la fusée Atlas V peut envoyer 25 t en orbite LEO ou 13,6 t en orbite GTO.

Limites aux comparaisons, théoriques

Cependant, il faut toujours être prudent dans les comparaisons de performance en termes de poussées. Ces dernières sont en effet théoriques, calculées à partir des caractéristiques du moteur mais jamais réellement mesurées en opération.

De plus, elles ne sont absolument pas constantes au cours du lancement et dépendent fortement de l’altitude.

Enfin, les différentes données disponibles font état de poussées maximales ou, dans certains cas, moyennes, parfois pour une pression atmosphérique du niveau de la mer ou parfois dans des conditions de vide.

Notes et références

Bibliographie

NASA :

• (en) Roger E. Bilstein, Stages to Saturn : A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles, University Press of Florida,‎ 2003 (1^re éd. 1996) (ISBN 0-8130-2691-1, lire en ligne)
  Histoire du développement de la famille de lanceurs Saturn (document NASA n° Special Publication-4206 )
• (en) Saturn illustrated chronology : Saturn’s first eleven years, April 1957 - April 1968. HTML ou PDF
• (en) Moonport : A history of Apollo launch facilities and operations. HTML ou PDF (publié aux éditions University Press of Florida en deux volumes : Gateway to the Moon : Building the Kennedy Space Center Launch Complex, (2001) (ISBN 0-8130-2091-3) et Moon Launch!: A History of the Saturn-Apollo Launch Operations, (2001) (ISBN 0-8130-2094-8)
• (en) Richard W. Orloff (NASA), Apollo by the numbers : A Statistical Reference, overnment Reprints Press,‎ 2001 (1^re éd. 2000) (ISBN 1-9316-4100-5 et 0-16-050631-X, lire en ligne)
  Un grand nombre de statistiques sur le programme Apollo, mesures anglo-saxonnes (NASA SP-2000-4029)
• (en) Saturn 5 launch vehicle flight evaluation report : AS-501 Apollo 4 mission [PDF]
• (en) Saturn 5 launch vehicle flight evaluation report : AS-508 Apollo 13 mission [PDF]
• (en) Saturn V Flight Manual - SA-503 [PDF]
• (en) Saturn V Press Kit
• (en) G. Brooks, James M. Grimwood, Loyd S. Swenson, Chariots for Apollo : A History of Manned Lunar Spacecraft,‎ 1979 (lire en ligne)
  Histoire du développement des deux vaisseaux Apollo CSM et module lunaire (document NASA n° Special Publication-4205)

Autres :

• (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
• Patrick Maurel, L'escalade du Cosmos, Bordas,‎ 1972
• Jacques Villain, À la conquête de l'espace : de Spoutnik à l'homme sur Mars, Paris, Vuibert Ciel & Espace,‎ 2007, 2^e éd. (ISBN 978-2-7117-2084-2)
• Xavier Pasco, La politique spatiale des États-Unis 1958-1985 : Technologie, intérêt national et débat public, L'Harmattan,‎ 1997 (ISBN 978-2-7384-5270-2)
• (en) Excerpts from the Apollo 13 Transcript
• (en) Final Report - Studies of Improved Saturn V Vehicles and Intermediate Payload Vehicles [PDF]
• (en) Lawrie, Alan, Saturn, Éditions Collectors Guide Publishing (2005) (ISBN 1-8949-5919-1)
• (en) DVD The Mighty Saturns : Saturn V et The Mighty Saturns : The Saturn I and IB produit par Spacecraft Films spacecraftfilms.com

Voir aussi

Articles connexes

• Programme Apollo Programme spatial pour lequel le lanceur Saturn V a été développé
• Saturn Famille de lanceurs dont Saturn V est le dernier représentant
• Saturn I Première version de la famille Saturn
• Saturn IB Deuxième membre de la famille Saturn
• F-1 Moteur propulsant le premier étage
• J-2 Moteur propulsant les second et troisième étage

• Module lunaire Un des deux vaisseaux du programme Apollo
• Module de commande Un des deux vaisseaux du programme Apollo
• Skylab Programme de la première station spatiale américaine ayant eu recours aux lanceurs Saturn
• Apollo 11 Mission phare du programme Apollo
• Wernher von Braun Responsable du développement du lanceur

• Comparaison de lanceurs lourds
• Space Launch System Lanceur lourd de la classe de la Saturn V en cours de développement
• N-1 Lanceur lourd soviétique développé à la même époque
• Nova Projet de lanceur concurrent de la Saturn V

Liens externes

• (fr) Site Capcomespace sur le programme Saturn V
• (fr) Autre site détaillé francophone sur Saturn V

Sites de la NASA en anglais

• (en) Saturn launch vehicles [PDF]
• (en) Saturn V Flight Manual AS-503 [PDF]
• (en) Launch complex 39 facility description [PDF]

Autres sites en anglais

• (en) Apollo Saturn Reference Page sur apollosaturn.com
• (en) Project Apollo Archive : toutes les photos du programme classées sur apolloarchive.com
• (en) Vidéo : lancements de Saturn V

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