A) Constantin Tsiolkovski et les missiles V2

Comme premier point nous allons étudier les premiers pas de l'aéronautique durant le XIXème siècle.

Les deux grandes inventions de Constantin furent l'ascenseur spatial et la fusée à ergols liquides qu'il a décrites dans ses ouvrages comme Rêves de la Terre et du Ciel, 1895.
La propulsion à ergols liquides utilise l'énergie chimique des ergols afin de créer une poussée qui permet à la fusée d'entrer en orbite. Son fonctionnement est similaire à celui d'un moteur d'avion, mais le comburant doit être transporté à bord afin de pouvoir se déplacer dans le vide. Ici, les deux ergols (généralement de l'oxygène liquide comme oxydant) sont stockés a une très basse pression et séparément. Lors de l'allumage, ils sont injectés à grande pression dans la chambre de combustion où les ergols réagissent et provoquent une forte combustion qui produira des gaz à forte température et à des vitesses de l'ordre de milliers de mètres par seconde. Aujourd'hui encore, ces moteurs sont utilisés dans la plupart des lanceurs.

Du fait de la friction de l'air et de la gravité, il faut une grande puissnce afin de pouvoir quitter la Terre. A cette fin, c'est une fusée à réaction qui est utilisée. Le principe repose sur la troisième loi de Newton qui indique qu'à chaque action est associée une action réciproque égale en valeur et de sens contraire. Ainsi, la fusée produit des gaz qui sortiront à de grandes vitesses par une tuyère dont la forme permet d'accélérer les gaz . Dans une fusée, l'éjection des gaz constitue l'action, et la pression vers l'avant, ou poussée, l'action réciproque . La loi de Newton étant valable en tout lieu, ce principe peut aussi bien fonctionner dans l'atmosphère terrestre que dans le vide spatial.

Pour provoquer une poussée suffisante, il faut provoquer une réaction chimique entre un comburant et un carburant.

• Moteur à propergols solides

Les moteurs à propergols solides sont aussi appelés moteurs à poudre. Le moteur est alors réduit à la chambre de combustion et à la tuyère. Ils sont alors de forme cylindrique, pour contenir les propergols en poudre qu'il suffit ensuite d'allumer au moyen d'un dispositif contrôlé à distance. Les propergols solides ont des performances inférieures à celles des propergols liquides, mais leur facilité de stockage fait qu'ils sont largement utilisés pour les fusées militaires, et les boosters d'appoints des fusées spatiales.

De plus une fois la combustion initialisée, il est impossible de contrôler la poussée et donc la vitesse de déplacement.

• Moteur à propergols liquides

Les moteurs à propergols liquides sont de conception plus complexe que les moteurs à poudre. Les propergols sont stockés séparément à l'état liquide, dans des réservoirs sous pression et à des températures très basses (environ -200°c). Ces moteurs nécessitent des pompes d'alimentation pour injecter les propergols dans la chambre de combustion, une source d'énergie pour faire fonctionner ces pompes, des valves et des canalisations pour la circulation des liquides, une structure pour transmettre les forces de poussée, et des systèmes de contrôle pour l'admission et la régulation des flux de propergols.

Effectivement les moteurs à propergols liquides peuvent être contrôlés de l'extérieur en régulant l'injection du combustible et du comburant. Ces moteurs utilisent le dioxygène (O2) liquide comme comburant et le dihydrogène (H2) liquide comme combustible qui sont respectivement stockés à une température de -253°C et -183°C. La réaction de combustion est la suivante :

O2 + 2H2 = 2H20

Cette combustion a l'immense intérêt d'être non polluante, car le produit de cette réaction n'est rien d'autre que de l'eau.

La V2 est la première grosse fusée construite dont les technologies mises au point durant sa conception( sa propulsion à ergols liquides de grande puissance et ses gyroscopes), ont bouleversé le domaine technique . Elle est la première à utiliser cette méthode de propulsion. La V2 est directement à l'origine des missiles balistiques intercontinentaux porteurs d'armes nucléaires et des lanceurs qui ont ouvert l'ère spatiale à la fin des années 1950

Les fusées V2 ont été parmi les premières fusées. Ce sont des missiles utilisés par l'armée Allemande durant la seconde guerre pour bombarder l'Angleterre. Ils fonctionnaient à ergols liquides.

Les fusées servent désormais de lanceurs : elles envoient des satellites en orbite. La fusée Ariane 5 possède un moteur principal à ergols liquides, et deux boosters d'appoint à poudre.

B) La course à l'espace 

La guerre froide est le nom donné à la confrontation politique entre les États Unis (régime politique des démocraties occidentales) et l'URSS (régime communiste) pendant la deuxième moitié du XXème siècle. La conquête de l'espace, ou « course à l'espace » est un domaine clef dans la rivalité des deux régimes. C'est une vraie "guerre" où chacune des deux parties tente de démontrer qu'il est le plus fort en technologie.

L'élément déclencheur de la course à l'espace est le lancement du premier satellite Spoutnik 1 pars les scientifiques russes . Cet engin spatial soviétique est lancé le 4 octobre 1957 depuis le cosmodrome de Baïkonour par un lanceur R-7 Semiorka développé par les ingénieurs et techniciens de l'OKB-1 .

                                                               Satellite  Spoutnik 1

Leur responsable, Serguei Korolev,  fasciné par les perspectives spatiales ouvertes par les fusées, et par les théories de Tsiolkovski, avait réussi à persuader sa hierarchie militaire d'utiliser ce missile balistique comme lanceur de satellites. L'objectif de traverser l'espace était atteint.

Les Etats Unis se sentent humiliés par ce lancement sovietique et remettent en cause leurs moyens technologiques; ils décident alors de réagir avec un grand programme d'investissement spatial. Ainsi, Eisenhower décide de la création de la NASA (National Aeronautics Space Administration) fin 1958. Le programme Apollo en mai 1961, a pour objectif d'envoyer des hommes sur la Lune et devient le plus important objectif spatial .

Le premier pas sur la Lune mettra fin à cette compétition entre ces deux puissances pour la conquête de l'espace.

C) Une première conquête de l'espace 

1) Le premier être vivant mis en orbite 

Laïka est une chienne,  premier être  vivant à être envoyée dans l'espace par l'URSS  le 3 novembre 1957. Après le succès de Spoutnik 1,  le dirigeant Nikita Khrouchtchev exigea  le lancement du Spoutnik2 pour le 7 novembre afin de célébrer le 40ème anniversaire de la révolution russe.   Spoutnik 2 est construit en quatre semaines!

Laïka mourut environ 7 heures après le lancement, de stress et de chaleur à cause d'une panne du système  de  régulation de la température.

2) Le premier pas de l'homme sur la lune 

Apollo 11 ,programme américain,  fut en revanche un vrai succès!

Pour la première fois, des hommes se sont posés sur la Lune, le 20 juillet 1969. Apollo 11 est la troisième mission spatiale habitée à s'approcher de la Lune.  Par cet exploit, l'agence spatiale américaine, la NASA, remplit l'objectif du Président John F. Kennedy de poser un équipage sain et sauf sur la Lune avant la fin des années 1960 et démontre au monde entier la supériorité des États-Unis sur l'Union soviétique dans le domaine des vols spatiaux habités.

                                                         L'équipage d'Apollo XI - NASA

La fusée Saturn V est lancée depuis le centre spatial Kennedy le 16 juillet 1969 . Elle a à son bord un équipage composé de Neil Armstrong, commandant de la mission et pilote ,Edwin « Buzz » Aldrin, qui accompagne Armstrong sur le sol lunaire, et Michael Collins, pilote du module de commande qui restera en orbite lunaire.

                                                     Neil Amstrong, 20 juillet 1969                                                   

                                                       Crédit: NASA

Les trois astronautes américains séjournèrent 21 heures et 30 minutes à la surface de la Lune et effectuent une expedition  (en dehors du vaisseau) d'une durée de 2 heures et 30 minutes. Ils purent ramaser  21,7 kilogrammes de roches et de sol lunaires  et plusieurs instruments scientifiques furent installés sur la surface du satellite. Les premiers pas sur la Lune filmés  et retransmis en direct, constituent un événement suivi sur toute la planète par des centaines de millions de personnes.

Nous allons voir maintenant, comment la fusée Apollo a pu sortir de l'espace.

Comme nous l'avons vu auparavant, pour provoquer une poussée suffisante, il faut provoquer une réaction chimique entre un comburant et un carburant.

Pour le comburant, on utilise du hydrogène liquide (plus facile à stocker et moins dangereux que le kérosène, utilisée au début de l'ère spatiale). Pour le carburant, on utilise aujourd'hui du dioxygène liquide.

Le principe du moteur d'une fusée est de réaliser la combustion d'un combustible par un oxydant (comburant) dans une chambre de combustion. Cette réaction produit des gaz à très hautes températures qui cherchent à sortir de la chambre, qui ne possède qu'une ouverture (appelée la tuyère) : les gaz sont donc dirigés et éjectés par la tuyère.

Cette réaction se produit à l'intérieur du moteur et ne nécessite aucune présence d'oxydant extérieur du fait qu'elle transporte le comburant. Il est ensuite possible :

- soit de disposer le couple combustible-comburant, appelés propergols, dans la chambre de combustion. Dans ce cas, les propergols sont solides. (comme les boosters à poudre)

- soit d'injecter les propergols séparément qui sont alors stockés dans des réservoirs. Dans ce cas, les propergols sont liquides et on parle de moteur à propergol liquide (comme Ariane V)

Pour aller encore plus vite, on construit des fusées avec plusieurs étages. Chaque étage possède un moteur, du carburant et du comburant. Quand un étage est vide, il se détache de la fusée. Elle devient alors de plus en plus légère et peut aller de plus en plus vite. Au sommet de la fusée, on met ce que qu'on veut emmener dans l'espace : des hommes ou des satellites.

Sont empilés dans un long tube :

• la charge utile (le matériel et/ou les personnes transportées) ;

• le carburant nécessaire à la poussée et l'air nécessaire à la carburation une fois quittée l'atmosphère ;

• le moteur.

Les plus gros volumes des fusées sont donc consacrés aux éléments nécessaires à l'accélération.

L'indice de structure d'une fusée est le rapport entre la masse d'un étage de fusée (réservoirs, structure, moteur) et sa masse au décollage. Plus cet indice est faible, plus la fusée est performante.

Pour se débarrasser des poids devenus inutiles une fois le carburant épuisé, et optimiser la poussée en fonction de la zone de l'atmosphère traversée, le système des étages largables a été développé dans les années 1950, puis celui des fusées externes dans les années 1970.

Nous allons calculer comment la fusée apollo a pu sortir de l'espace en utilisant comme arguments ce qu'on vient de dire.

La fusée Saturn V est la fusée ayant la plus capacité de grande charge utile vue jusqu'à présent, avec une capacité de 118 tonnes.

Cette fusée a pour cela atteint la vitesse de libération terrestre afin de pouvoir quitter l'atmosphère terrestre. Cette vitesse est définie pour être la vitesse minimale qui doit être appliquée à un corps à la surface d'un astre afin qu'il puisse échapper à l'attraction gravitationnelle de l'astre sans appliquer aucun travail au corps. Cette vitesse est nécessaire afin de déterminer l'énergie utilisée pour la fusée Saturn V.

D'après le principe de conservation de l'énergie, l'énergie mécanique lors du décollage est la même que celle lors de la sortie du champ, laquelle est nulle.

On détermine donc que

Ou m est la masse du corps,viest sa vitesse initiale, G est la constante gravitationnelle,Mest la masse de la terre et Diest la distance initiale de l'objet au centre de gravité de la terre soit, ici, son rayon.

Ce qui est environ égal à   11,2 km/s

Eci = m/2 · vi^2 = 3,038/2 · 10^6 · (1,12 · 10^4)^2 = 1,91 · 10^14 J

Théoriquement, afin d'atteindre cette vitesse, la fusée Apollo nécessiterait  191 TeraJoules soit environ 10 000 fois la puissance fournie pare une centrale nucléaire moyenne afin de pouvoir quitter l'atmosphère terrestre. Néanmoins, l'utilisation de divers étages permet de réduire considérablement le poids et donc la nécessité énergétique.

Lancé en 1959, Luna 1 est le premier objet fabriqué à atteindre la vitesse de libération terrestre.

D) Une alliance 

Les années 70 représentent un nouvel âge pour la conquête de l'espace. Le succès et l'impact public d'Apollo sont incontestables. La fin d'Apollo met fin à ses énormes efforts associés, en termes d'argent public et de ressources humaines.

De nouveaux défis doivent être relevés. À ce stade, rappelons que dans les années 50, différentes idées ont été posées, y compris des plans pour une station spatiale arrivant sur la Lune, comme les Etats-Unis, et même vers Mars. Ensuite, la question qui suit est: que pourrait-il se passer ensuite? Ou, en d'autres termes, qu'est-ce qui était envisagé après Apollo? Nous allons essayer de répondre à cette question, basée sur la vision de von Braun après Apollo.

Wernher Magnus Maximilian von Braun, né le 23 mars 1912 à Wirsitz, en Posnanie, et mort le 16 juin 1977 à Alexandria, en Virginie, est un ingénieur allemand naturalisé américain en 1955 qui a joué un rôle majeur dans le développement des fusées. Wernher von Braun est récupéré après la défaite allemande avec les principaux ingénieurs ayant participé au projet V2 par les forces américaines dans le cadre de l'opération Paperclip. Il est placé à la tête d'une équipe constituée principalement d'ingénieurs allemands. Au début des années 1950 l'équipe de von Braun est installée à Huntsville où elle développe les premiers missiles balistiques de l'Armée de terre américaine. Lorsque la course à l'espace est lancée à la fin des années 1950, c'est la fusée Juno I, développée par ses équipes, qui place en orbite le premier satellite artificiel américain Explorer 1. Spécialiste reconnu des lanceurs, il devient responsable du Centre de vol spatial Marshall créé par l'agence spatiale américaine (NASA) pour développer la famille de fusées Saturn. Il joue un rôle pivot dans le développement du lanceur Saturn V qui permettra le lancement des missions lunaires du programme Apollo. À la suite de la réduction du budget alloué au programme spatial américain, il quitte la NASA pour le secteur privé en 1972.

                                                    Werner von Braun

Certains des plans envisagés par von Braun, après Apollo, étaient :

• des missions de vols spatiaux sans pilote dans le coin le plus éloigné de notre système solaire.

• une station sans pilote en orbite terrestre ou sur la Lune.

• des véhicules spatiaux réutilisables qui peuvent transporter des passagers, des engins scientifiques et des fournitures vers une base orbitale.

• les véhicules spatiaux nucléaires.

• une expédition habitée à la planète Mars.

• de grandes observations astronomiques en orbite terrestre.

• les applications de nouvelles capacités spatiales à une grande variété de services de bénéfice pour l'humanité, ici sur Terre.

Cependant, les choses se sont passées plus lentement que prévu. Alors que pendant les années 60 les américains suivaient avec passion la course à l'espace, l'intérêt  baissa dans les années 70. Les deux principaux  programmes prévus  étaient: la Station spatiale ou Space Lap, d'une part, et la Navette spatiale, d'autre part. Les deux projets ont en commun  d'avoir un vaisseau spatial habité permanent en orbite autour de la Terre, et un vaisseau spatial réutilisable pour y accéder.

Les compressions budgétaires de l'administration Nixon n'ont permis qu' un seul: le programme de navette a été approuvé le 5 janvier 1972.  Il faut remarquer que cela coïncide avec un scénario géopolitique très compliqué, incluant la fin de la guerre du Vietnam, très sensible aux Etats-Unis et la crise pétrolière de 1973, qui a conduit à une crise économique mondiale.

Néanmoins, il fallait y voir également une opportunité: le changement,  de la concurrence à la coopération.

Dès 1972, commence « la détente » illustrée par le programme Apollo/ Soyouz.

Apollo Soyouz a été en 1975 la première mission spatiale conjointe entre l'Union soviétique et les États-Unis après s'être affrontés pendant la guerre froide dans la course à l'espace.

                                                    Les deux équipages posant ensemble

  Ce projet coûta 250 millions de dollars aux États-Unis et à l'Union soviétique.

Le 15 juillet 1975 à 12 heures 20, la fusée qui transportait le vaisseau Soyouz 19 décolla de Baïkonour. A  19 heures 50, la fusée Saturn 1B  emportait le vaisseau Apollo 18  en s'élançant de Cap Kennedy. Ces deux lancements furent retransmis dans le monde entier. À 15 heures 50 le 17 juillet, les deux vaisseaux se rassemblaient et, à 19 heures 20, l'écoutille séparant les deux vaisseaux s'ouvrit, permettant la poignée de mains historique  entre Stafford et Leonov, à la verticale de la ville de Metz.