Alexandre ARBEY
Alexandre Arbey arbey@obs.univ-lyon1.fr Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL)
Chapitre 2 Un peu d histoire(s) sur La Conquête Spatiale
Trois principaux fondateurs : Tsiolkovsky Oberth Goddard Une inspiration commune : Jules Verne De la Terre à la Lune 4
Jules Verne De la Terre à la Lune : Roman d'anticipation paru en 1865. Autour de la Lune 5
Herbert George Wells La Guerre des mondes Roman écrit en 1898. Un des premiers ouvrages de science-fiction. Première apparition de «mauvais» extraterrestres 6
Les Fondateurs : En Russie : Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) Une vision théorique de l accès à l espace Principe de la propulsion par réaction (Σmv = constante pour un système isolé) Utilité de plusieurs étages Avantage du combustible liquide (O2 liquide + carburant) Un théoricien Mais pas de réalisations! 7
Constantin Tsiolkovski (1857-1935) 1903 : ouvrage théorique L'exploration de l'espace cosmique par des engins à réaction une fusée à propergols liquides (hydrogène/oxygène) loi fondamentale du rapport de masse impliquant le découpage en plusieurs tronçons des fusées, calcule et dessine une chambre de combustion à refroidissement pour deux combustibles Enseignant pauvre et sans véritable soutien, il n'aura jamais les moyens financiers d'être un expérimentateur. Deux romans de science-fiction : Rêves de la Terre et du Ciel (1895) Au-delà de la Terre (1920). La Terre est le berceau de l'humanité. Mais passe-t-on sa vie entière dans un berceau? C.E.Tsiolkovski
Les Fondateurs : En Allemagne : Herman Oberth (1894-1989) Un théoricien Mais aussi un réalisateur! Société civile : Verein fur Raumschiffahrt Ouvrage : «Die Rokete zu den Planetraumen» Formation scientifique de Wernher Von Braun 9
Hermann Oberth (1894-1989) Première thèse de doctorat au monde sur la navigation interstellaire Des fusées dans l'espace interplanétaire propose entre autres le vol interplanétaire réalisation d'une station orbitale permanente Redécouvre l'équation fondamentale : même conclusion que Tsiolkovski, c'est-à-dire la nécessité de la construction de fusées à plusieurs étages. 1929 : conseiller scientifique sur le film Une femme dans la Lune de Fritz Lang 1930 : teste avec succès le premier moteur à combustible liquide (oxygène liquide et gaz). 1935 : armée roumaine, premier lancement au monde d'une roquette à combustible liquide. 1952 : livre sur l'automobile lunaire. 1955 : rejoint Wernher von Braun aux États-Unis. 10
Verein für Raumschiffahrt «Association pour les voyages dans l'espace» Association d'amateurs passionnés par les fusées et les vols spatiaux Active en Allemagne de 1927 à 1934. Elle rassembla parmi les plus importants ingénieurs des débuts de la conquête de l'espace. Les membres les plus connus : Max Vallier, Willy Ley, Hermann Oberth, Rudolf Nebel, Walter Hohmann, Guido von Pirquet, Eugen Sänger, Franz von Hoeft, Kurt Hainnish, Klaus Riedel, Rolf Engel et Wernher von Braun. 11
Les Fondateurs : USA : ROBERT GODDARD (1882-1945) Un physicien praticien! 1er Bazooka (1916) 1ère fusée à combustible liquide (1926) (O2 liquide + essence) Mesure de la vitesse d'éjection (Pendule balistique) 1930-35 : toujours plus haut : 30m 300m 3000m... stabilisation de trajectoire (Gyroscope + jets) 1935-40 : introduction de pompe sur le combustible 900 km/h 1960 : reconnaissance posthume! 12
1930-1940 : Grande activité en Europe En Allemagne : Verein für Raumschiffahrt (Fusées Mirak, Repulsor...) Activité repoussée loin des villes...(danger!!!) Manque d'argent...... Transfert de l'activité à l'armée (1937) Peenemunde 13
Peenemünde Port d'allemagne Centre de fabrications et d'essais, entre 1937 et 1943, des bombes volantes allemandes (V1, V2) Cette fabrication s'est poursuivie jusqu'au bombardement allié de 1943. Wernher von Braun, qui y travaillait, ainsi qu'une centaine d'autres ingénieurs, se sont rendus à la 7e armée américaine le 2 mai 1945, puis la base a été investie par la 2e armée soviétique le 5 mai. 14
Peenemunde A3 A4 V2 12 tonnes dont 8 tonnes de liquide propulseur 1 tonne de charge utile portée 300 km (altitude 80 km) Alcool éthylique + O2 liquide Guidage inertiel, puis radio 15
Wernher von Braun (1912 1977) Ingénieur allemand. 1934 : thèse de doctorat sur la propulsion des fusées. 1937 : directeur du centre d'essais de Peenemünde 1945 : Exfiltré aux États-Unis. 1950 : directeur technique de l'arsenal Redstone pour la mise au point de missiles A l'origine du missile Redstone, qui servit en 1961 au lancement des premiers astronautes américains. Milieu des années 1950 : collabore avec Walt Disney sur un grand nombre de films éducatifs ayant pour thème le programme spatial américain 1956 : directeur des recherches de l'agence pour les missiles balistiques de l'armée américaine 1960 : entre à la NASA en 1960 et devient directeur du Centre spatial de vol Marshall 1970 : administrateur adjoint de la NASA dirige les programmes de vols habités Mercury, Gemini et Apollo. 16
Missile V2 Premières fusées opérationnelles. Conçus à Peenemünde grâce à Wernher von Braun, puis fabriqués en série. 1942 : premier vol réussi 1944 : opérationnels en tant que missiles balistiques Très imprécis (plusieurs centaines de mètres) Relativement faible effet destructeur ("seulement" 1000 kg d'explosif classique). 4 000 engins furent construits 17
Fusée V2 Moteur-fusée à propergols liquides alcool méthylique (méthanol) (3 710 kg) oxygène liquide (4 900 kg) Poids au lancement : 13 000 kg Autres fluides : eau oxygénée (130 kg) ; permanganate de sodium (16 kg) ; azote (15 kg) Poussée au décollage : 25 000 kg Temps de combustion : 65 s Vitesse maximale : 5 400 km/h Altitude maximale : 96 km Portée : 320 km Charge explosive : 738 kg avec le problème de l'échauffement lors du vol (jusqu'à 1 200 C en surface) 18
8 oct 44 : Belgique : lancement de V2 alors que l Allemagne est en train de perdre la guerre. Février 1945 : Von Braun doit quitter Peenemunde Les russes trouvent 1 coque de V2 en Pologne Mars 1945 : les russes à Berlin fabrication des V2 par le travail forcé dans les camps Nazis environ 25000 morts 19
Les américains déménagent la base secrète de fabrication de V2 en 1 mois 80 fusées V2 récupérées et utilisées aux USA Mai 1945 : Von Braun passe à l Ouest. 20
Les russes trouvent la base et cherchent un expert. Valentin Petrovich Glushko : conception moteurs Sergey Pavlovich Korolyov 21
Sergueï Korolev (1907-1966) Equivalent soviétique de Wernher von Braun. 1938: arrestation pendant la Grande Terreur menée par Staline. 1940 : transfert dans une équipe d'ingénierie (en captivité) d'avions de combat 1944 : relâché afin de percer les secrets du V2 Invente et met au point la Semiorka (la fusée R-7) qui lance le 4 octobre 1957 le premier satellite artificiel dans l'espace, Spoutnik-1 Permet à Youri Gagarine de devenir le premier homme dans l'espace via le programme Vostok. Plus tard, participation au programme Soyouz. 22
Valentin Glouchko (1908 1989) Plus grand concepteur de moteur-fusées de l'union soviétique. a adapté et appliqué la théorie de Tsiolkovski par la conception et la réalisation du premier moteur-fusée à liquides appelé ORM-1. Mise au point de plusieurs séries de moteurs. La fin de sa carrière sera marquée par la conception du moteur RD-170 ayant équipé la navette spatiale Energia-Bourane. 23
6 août 1945 : Bombe A sur Hiroshima et Nagasaki Von Braun est transféré à Fort Bliss (Texas) 1ère fusée à 2 étages : WAC-Bumper 390 km Début de l'étude de la haute atmosphère Progrès de l'électronique guidage radio, Les moteurs dépassent les 10 000 kg de poussée, Nombreux projets en parallèle Korolyov et al. font les plans à partir des pièces retrouvées. 1ère construction = échec Sept 1949 : 1er missile russe à 2 étages : portée 500 km Korolyov devient «camarade ingénieur en chef» 24
Course à l armement 1952 : USA ont la bombe H 1953 : c est le tour des russes. Aux USA : D'abord recherches en ordre dispersé Fabriquer des missiles intercontinentaux avant "les autres" en URSS : On sait peu de chose, mais... Korolyov doit fabriquer un missile capable de soulever 5 tonnes! construction du centre d essai de Baïkonour pour la fusée R7 (32 moteurs pour le 1er étage). 25
Semiorka R-7 Semiorka : formée sur le modèle d'un missile intercontinental russe A donné naissance à nombre de dérivées Tous les vols habités russes ont utilisé des fusées de cette famille. La fusée Vostok : dotée d'un petit deuxième étage, utilisée pour les premiers vols habités La fusée Voskhod : dotée d'un deuxième étage plus massif avec un moteur quadrichambre, destinée à la capsule du même nom, une version agrandie de la Vostok pour les premiers vols biplace. La fusée Soyouz : la plus célèbre, qui lance le vaisseau Soyouz. Dérivée directement de Voskhod. Le fusée Molnya : Une Soyouz avec un étage supplémentaire, pour des lancements interplanétaires et géostationnaires. 26
À partir de mai 1957 : vol d essai réussi de la R7 Beaucoup d échecs 27
4 octobre 1957 : "SAMNIK IS KAPUTNIK..." (Washington Daily News) Sputnik (compagnon) 84 kg en orbite! 1er satellite "artificiel" de la Terre 28
Spoutnik 1 Petite sphère d'aluminium de 58 centimètres de diamètre, pesant 83,6 kg dotée de quatre antennes. Exploit technique Fantastique coup de propagande durant la guerre froide Destiné à tester sa fusée porteuse, la R-7 8K71PS Semiorka La faible altitude de son périgée l'a fait rentrer dans l'atmosphère où il s'est consumé le 4 janvier 1958. Equipé de deux émetteurs radio de 1 W capables de transmettre la pression et la température de l'azote intérieur. Radio-amateurs captaient sur Terre le célèbre «bip-bip» du satellite Les appareils électriques du satellite ont fonctionné pendant vingt-deux jours après le lancement. 29
La saga Spoutnik Spoutnik 2 Lancé le 3 novembre 1957 Masse de 500 kg A emmené dans l'espace le premier être vivant, la chienne Laïka. Transportait aussi des instruments destinés à étudier en particulier les rayons cosmiques. Explorer 1 (premier satellite américain) lancé durant ce vol. Spoutnik 3 Lancé le 15 mai 1958 Satellite de recherche. Ses douze instruments scientifiques pour étudier la haute atmosphère terrestre. 30
1 mois plus tard : Spoutnik 2 Laika, 1er être vivant (et mort!) dans l'espace. 31
La saga Spoutnik Spoutnik 4 - lancé le 15 mai 1960, Vol test pour le programme Vostok et les vols habités. Spoutnik 5 - lancé le 19 août 1960 Transportait deux chiens, Belka et Strelka, quarante souris, deux rats et plusieurs espèces de plantes. Furent tous récupérés sains et saufs le jour suivant. Spoutnik 6 - lancé le 1er décembre 1960 Transportait deux chiens, Pchelka et Mushka. Détruit en vol par une charge explosive. Spoutnik 7 et Spoutnik-8 Lancements de sonde vers Vénus. Spoutnik 9 - lancé le 9 mars 1961 Transportait un mannequin et la chienne Chernushka. Spoutnik 10 - lancé le 25 mars 1961 Transportait un mannequin et la chienne Zvezdochka. 32
Pendant ce temps : Les avions d'étude Il faut résoudre des problèmes majeurs : Pour partir : Moteur de la fusée Pour revenir : Freinage Echauffement des parois du véhicule 33
Bell X-1 : 1er vol Mach1 Chuck Yeager désert du Mojave Bell X-2 : Mach 3 De 1944 à 1955 : + de 300 avions fusée North American X15 Record d'altitude "piloté" : 107 km 34
1 des moteurs du X-15 «Décollage» du X-15 35
Encore en 2004 : NASA Scramjet X-43 Vol à mach 9.68 le 16 novembre Hydrogène +O2 atmosphérique 36
Fusée Jupiter Missile de moyenne portée de l'armée de l'air des États-Unis conçu dans les années 1950. Combine un réservoir de propergol liquide avec deux étages supérieurs à poudre. Atteint 1000 km d altitude et 5300 km de distance. Utilisée pour exécuter des vols d'essai Lance les premières sondes Explorer 1 et Explorer 3. Les vols biologiques Le missile Jupiter a été utilisé dans le cadre d'une série de vols d'essai biologiques sous-orbitaux. 28 mai 1959 : envoi de deux singes, qui ont survécu au vol 37
31 janvier 1958 : ENFIN! Explorer I (Jupiter C) Quelque chose "Made in the USA" est en orbite. Début d'une longue lignée. Mars 1958 : Explorer 3 = Mise en évidence des ceintures de Van Allen 1 octobre 1958 : Fondation de la NASA, budget 100 millions $ 38
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Programme Explorer 87 lancements réussis Explorer Nom de la mission Date de lancement 1 Explorer 1 1er février 1958 2 Explorer 2 5 mars 1958 Mission Détecte les Ceintures de radiations de Van Allen Échec (mise sur orbite ratée) 3 4 5 89 90 91 92 93 94 95 Explorer 3 Explorer 4 Explorer 5 THEMIS AIM IBEX WISE NuSTAR IRIS GEMS 26 mars 1958 26 juillet 1958 24 août 1958 17 février 2007 25 avril 2007 19 octobre 2008 14 décembre 2009 2012 2012 2014 Étude des particules énergétiques Étude des particules énergétiques Échec (mise sur orbite ratée) Recherche magnétosphérique Observation des nuages noctulescents Observation des limites de l héliosphère Astronomie infrarouge Astronomie rayons X durs Observatoire solaire en UV Astronomie rayons X 40
La Lune : Spécialité russe Programme Luna : une série de "premières" (toujours sans astronaute!) Luna 1 passe à 6000 km, dépasse la vitesse de libération Luna 2 s'écrase sur la Lune mais atteint la Lune le 14 sept 1952 Luna 3 premières images de la face cachée de la Lune Luna 9 se pose en douceur... Luna 20 rapporte 30 gr de "terre de Lune" 58 engins entre septembre 1958 et août 1976 41
1961 : L'homme dans l'espace 12 Avril : 1er homme dans l'espace (vol orbital : 1 tour) Yuri Gagarine avec Vostok 1 108 min de vol devinette : record non officiel! Pourquoi? 5 Mai : Mercury 3 fait un vol suborbital de 15 min (Alan Shepard) 25 Mai : J.F. Kennedy promet la Lune dans moins de 10 ans (promesse tenue!). 6 Aout 1961 : Titov dans Vostok 2 fait 17 tours! 42 le pilote et sa machine ont atterrit séparément!!!
L'aventure des vols habités 43
Belka et Strelka Les premiers revenants de l espace Mission Spoutnik 5 : 1er test du programme Vostok 44
Programme Vostok Projet spatial soviétique destiné à envoyer des humains dans l'espace Mise au point de capsules Vostok monoplaces. Vols du programe Vostok : Vostok 1 12 avril 1961 : Youri Gagarine devient le premier homme à séjourner dans l'espace. Il effectue un tour autour de la terre lors d'un vol de 1h48. Vostok 2 6 août 1961 : premier jour complet d'un humain en orbite. Vostok 3 11 août 1962, et Vostok 4-12 août 1962 : premier vol spatial combiné (Andrian Nikolaïev et Pavel Popovitch). Vostok 5 14 juin 1963 : plus long séjour dans l'espace lors de ce programme, environ cinq jours (Valeri Bykovski). Vostok 6 16 juin 1963 : première femme dans l'espace (Valentina Terechkova). Programme Vostok remplacé par le programme Voskhod. 45
25 mai 1961 John F. Kennedy annonce la «nouvelle frontière» de l espace et promet qu un américain marchera sur la Lune avant les russes 46
Projet Apollo fusée Saturn V 5 moteurs synchronisés Les essais moteur sont un échec : plaque d injecteurs Les échecs font monter l opinion publique contre Von Braun 47
Programme Voskhod Vaisseau Voskhod : une capsule Vostok améliorée. Longueur est de 5 mètres pour un diamètre maximum de 2,40 mètres. Masse de Voskhod-1 : 5,3 tonnes. Voskhod 1, le 12 octobre 1964 d'une durée de 24 heures et 17 minutes. Equipage : Komarov, Egorov et Feoktistov Voskhod 2, le 18 mars 1965 d'une durée de 26 heures et 2 minutes. Equipage : Leonov, Belayev (1ère sortie dans l'espace). 48
18 mars 1965 : 1ère sortie dans l espace d Alexeï Leonov 49
APOLLO : objectif Lune Durant l année 1965 : 5 Milliards de $ ont été dépensés. 27 janvier 1967 : explosion d une capsule apollo en phase de test 4 avril 1968 : 1er test de Saturn V : vol inhabité 50
APOLLO : objectif Lune, Quelques solutions à trouver... Manoeuvre de rendez-vous Capsule "habitable" Apollo 1 à 9 Scaphandre (EVA) Atteindre la Lune Freiner pour se mettre en orbite lunaire Se libérer de la Lune pour revenir Freiner pour rentrer Apollo 10 Répétition générale Récupérer les voyageurs! Se poser sur la Lune, et en revenir Apollo 11 51
16 juillet 1969 : lancement d Apollo 11 20 juillet 1969 : MEN ON THE MOON 52
Apollo 11 Neil Armstrong (commandant) Buzz Aldrin (pilote du module lunaire) Michael Collins (pilote du module de commande) Lancée le 16 juillet 1969 Le 21 juillet, Armstrong et Aldrin deviennent les premiers hommes à marcher sur la Lune, tandis que Collins est en orbite autour de l'astre. Apollo 11 accomplit la volonté du président John F. Kennedy, prononcée dans un discours en 1961, qui était de se poser sur la Lune avant la fin des années 1960 : "Je crois que cette nation devrait elle-même atteindre l'objectif, avant la fin de cette décennie, de poser un homme sur la Lune et de le ramener sain et sauf sur Terre".
Apollo Vaisseau Apollo : de trois sections principales plus deux sections mineures. Le CSM ou combinaison des modules de commande et de service : module de commande Apollo Partie dans laquelle les astronautes passaient la plus grande partie de leur temps, incluant le lancement depuis la Terre et l amerrissage. Seule partie du vaisseau à revenir sur Terre après la mission. Le module de service Apollo : abrite tout l équipement nécessaire à la survie des astronautes, tel que les réservoirs d oxygène et d eau, les moteurs qui plaçaient le vaisseau en orbite lunaire et le ramenait sur orbite terrestre, etc. Le module lunaire (ou LEM) : partie du vaisseau alunissant effectivement. Constitué de 2 étages : Le premier servait exclusivement à l alunissage et restait sur la lune, Le deuxième servait à la remontée en orbite lunaire, afin de rejoindre le reste du vaisseau.
Apollo
Apollo Missions d essai habitées Apollo 7 (11 octobre 1968) : première capsule à emmener 3 astronautes en orbite. Apollo 8 (21 décembre 1968) : mission habitée, premier vol autour vers la Lune. Apollo 9 (3 mars 1969) : premier vol habité avec le module lunaire en orbite terrestre. Apollo 10 (18 mai 1969) : premier vol habité autour de la Lune avec le module lunaire. Missions habitées s étant posées sur la Lune Apollo 11 (16 juillet 1969) : premiers pas de l Homme sur la Lune. Apollo 12 (14 novembre 1969) : première mission à se poser de manière précise. Apollo 13 (11 avril 1970) : ne se pose pas suite à l explosion d un réservoir d oxygène. Apollo 14 (31 janvier 1971) : Alan Shepard marche sur la Lune. Missions habitées s étant posées avec un véhicule d exploration lunaire Apollo 15 (26 juillet 1971) : première mission avec le Rover lunaire. Apollo 16 (16 avril 1972) : première mission à se poser sur les hauts-plateaux. Apollo 17 (7 décembre 1972) : derniers pas de l Homme sur la Lune. Missions annulées Apollo 18, Apollo 19, Apollo 20, Apollo 21
Apollo 13 reviendra de justesse Apollo 16 : lunar rover Apollo 18 entame une ère nouvelle : le rendez-vous avec un Soyouz 57
1967-présent : L'ERE DES SOYOUZ 220 engins Collaboration NASA 1972-75
Soyouz Série de vaisseaux spatiaux russes Imaginés par Korolev Utilisés depuis 1967 pour les vols habités. Utilisés pour amener les cosmonautes dans les stations Saliout et Mir, et dans la Station spatiale internationale. Sept personnes ont participé à des vols Soyouz à des fins de tourisme : L'Américain Dennis Tito en 2001 Le Sud-Africain Mark Shuttleworth en 2002 L Américain Gregory Olsen en 2005 L'Américaine d'origine iranienne Anousheh Ansari en septembre 2006 L'Américain d'origine hongroise Charles Simonyi en avril 2007 L Américain Richard Garriott «Lord British» en octobre 2008 Le Canadien Guy Laliberté en septembre 2009
La détente Américano-Soviétique 1975 : Apollo-Soyouz Test Project première mission spatiale conjointe entre l'union soviétique et les États-Unis
Міr 1986-2001 : construction 20t 209t L'engin de tous les records : Poliakov : 438 jours en orbite Nombreuses crises Collaboration NASA 1994-1998 (11 vols) Une fantastique expérience de vie dans l'espace Fin de vie : 23 Mars 2001 61
Shuttle Transportation System (STS) : Les Navettes 1er vol STS1 : Columbia 12 avril 1981 depuis : Plus de 110 vols 2 accidents : Challenger 28-1-1986 et Columbia 1-2-2003 Vols arrêtés depuis juillet 2011 (Columbia) Entreprise (Challenger) Discovery Atlantis 62
Un énorme avion cargo : 2000 t au décollage 20 t en orbite à 200 km REUTILISABLE Extrêmement sophistiqué Devait servir 30 ans 63
Station Spatiale Internationale (ISS) Novembre 1998 => 2011 : Zarya-Unity (Dec 1998) 76 missions habitées, 160 éléments 400 tonnes, 108 m de long, 74 m de large Etat actuel 64
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La Chine rejoint le club avec les fusées Shenzhou Yang Liwei dans l espace le 15 octobre 2003 Suivi d autres taïkonautes en octobre 2005 et septembre 2008 66
Tourisme : Virgin Galactic
Virgin Galactic 500 passagers par année 200 000$ par passager Altitude de 110 km 6 minutes en impesanteur Premiers départs en 2012?