Module de commande et de service Apollo

North American Apollo CSM
Description
Role:	Terre et orbite lunaire
Equipage:	3 : Commandant, pilote du CM, pilote du LEM
Dimensions
Hauteur	11,03 m

Le module de commande et de service Apollo (Command/Service Module ou CSM en anglais) est le véhicule spatial du programme Apollo conçu pour transporter les trois astronautes durant leur mission entre la Terre et la Lune. Sa conception démarre en 1961 au lancement du programme Apollo ; il a effectué son premier vol avec équipage en 1968 (mission Apollo 7) et son dernier dans le cadre de la mission Apollo-Soyouz en 1975. Pesant plus de 30 tonnes, il est pratiquement 10 fois plus lourd que le vaisseau Gemini de la génération précédente. La masse supplémentaire est en grande partie (21,5 tonnes) représentée par le moteur et les ergols qui fournissent un delta-v de 2 800 m/s permettant au vaisseau de s'insérer en orbite lunaire puis de quitter cette orbite.

Le vaisseau Apollo reprend une disposition inaugurée avec le vaisseau Gemini : un module de commande abrite l'équipage et un module de service contient le moteur de propulsion principal, l'essentiel des sources d'énergie ainsi que l’équipement nécessaire à la survie des astronautes. Le module de service est largué juste avant la rentrée dans l'atmosphère.

Sa conception a été marquée par l'accident Apollo 1, un incendie qui s'est produit au cours de tests au sol et qui a coûté la vie aux trois membres de l'équipage. Deux versions ont été fabriquées, dont seule la deuxième était à même de réaliser les missions lunaires.

La structure

Le module de commande (Command Module ou CM en anglais) est la partie du vaisseau Apollo dans laquelle les trois astronautes séjournent durant la mission, sauf lorsque deux d'entre eux descendent sur la Lune au moyen du module lunaire. Pesant 6,5 tonnes et de forme conique, sa structure externe comporte une double paroi : une enceinte constituée de tôles et nid d'abeille à base d'aluminium qui renferme la partie pressurisée et un bouclier thermique qui recouvre la première paroi et dont l'épaisseur varie selon la partie concernée en fonction de son exposition à la chaleur durant la rentrée atmosphérique : le vaisseau rentrant dans l'atmosphère la pointe du cône tournée vers l'arrière c'est la base qui est la plus exposée et qui bénéficie donc du bouclier le plus épais. Le bouclier thermique est réalisé avec une résine insérée dans un nid d'abeille en acier.

Le volume pressurisé

L'espace pressurisé représente un volume de 6,5 m³. Les astronautes sont installés sur trois couchettes placées côte à côte et parallèles au fond du cône : elles sont suspendues à des poutrelles dotées de systèmes d'amortissement partant du plancher et du plafond (la pointe du cône). Les couchettes sont constituées d'un cadre métallique sur lequel a été tendu une toile ignifugée. Dans l'espace la couchette centrale peut être démontée pour libérer de la place. Les couchettes sont dotées d'appui_têtes réglables et les couchettes droite et gauche disposent de manches à balais permettant à leurs occupants de régler le fonctionnement des moteurs. Le plancher sous les couchette reçoit un certain nombre d'appareillages mais il reste suffisamment d'espace pour que les astronautes puissent y ranger la couchette démontée y dormir, ....

Les panneaux de commande

En position allongée les astronautes ont en face d'eux, suspendu au plafond, un panneau de commandes large de 2 mètres et haut de 1 mètre sur lequel se trouvent les principaux interrupteurs et voyants de contrôles. Les cadrans sont répartis en fonction du rôle de chaque membre d'équipage. Sur la gauche face au commandant du vaisseau se trouvent les cadrans de contrôle des moteurs de contrôle d'orientation et du moteur principal ainsi que les commandes d'un des calculateurs de navigation. Au centre face au pilote du vaisseau se trouvent les jauges des réservoirs de carburant du moteur principal et des moteurs d'orientation ainsi que les voyants contrôlent le système environnemental. Sur la droite face au pilote du module lunaire, se trouvent les commandes du système de communication, les jauges du système électrique et des réservoirs situés dans le module de commande. Sur les parois latérales se trouvent des baies dédiées à la navigation, d'autres panneaux de commande ainsi que des zones de stockage de nourriture et de déchets. Pour la navigation et le pilotage, les astronautes utilisent un télescope et un ordinateur de bord qui exploite les données fournies par une centrale inertielle.

Les écoutilles

Le vaisseau dispose de deux écoutilles : l'une située à la pointe du cône comporte un tunnel et est utilisée pour passer dans le module lunaire lorsque celui-ci est amarré au vaisseau Apollo. Le tunnel d'un diamètre de 80 cm est entouré par le compartiment des parachutes et surmonté du système d'arrimage composé de dispositifs de guidage et de verrouillage. Le tunnel est fermé côté cabine par une porte qui est démontée et rangée sous les couchettes lorsque le module lunaire est arrimé. L'autre écoutille située sur la paroi latérale est utilisée à Terre pour pénétrer dans le vaisseau et dans l'espace pour les sorties extra véhiculaires : pour ce type de manœuvre, le vide est effectué dans la cabine car il n'y a pas de sas. À la suite de l'incendie d'Apollo 1, cette écoutille qui était composée initialement de deux panneaux distincts a été remplacé par une écoutille unique à ouverture rapide montée sur des charnières qui assure à la fois l'étanchéité et la protection thermique.

Les hublots et les moteurs d'orientation

Les astronautes disposent par ailleurs de cinq hublots pour effectuer des observations et réaliser les manœuvres de rendez-vous avec le module lunaire. Un hublot de 23 cm dans l'écoutille latérale, deux fenêtres carrées de 33 cm situées de part et d'autre des couchettes pour les observations et la photographie et deux hublots triangulaires situés vers la pointe du cône pour les manœuvres de rendez-vous.

Le module de commande dispose de quatre grappes de petits moteurs d'orientation mais il dépend pour les principales manœuvres comme pour l'énergie et le support-vie du module de service.

Caractéristiques du module de commande

• Équipage : 3
• Volume de l'habitacle : 6,17 m³
• Longueur : 3,47 m
• Diamètre : 3,90 m
• Masse : 5 806 kg
• Masse de la structure : 1 567 kg
• Masse du bouclier : 848 kg
• Masse des moteurs de contrôle d'orientation : 400 kg
• Masse des équipements d'amerrissage : 245 kg
• Masse de l'équipement de navigation : 505 kg
• Masse de l'équipement de télémétrie : 200 kg
• Masse de l'équipement électrique : 700 kg
• Masse des équipements de télécommunications : 100 kg
• Masse des couchettes et de la nourriture : 550 kg
• Masse du système de contrôle environnemental : 200 kg
• Masse des différents système de secours : 200 kg
• Poussée des moteurs de contrôle d'orientation : 12 x 410 N
• Propergols des moteurs de contrôle d'orientation : N₂O₄/UDMH
• Masse des propergols moteurs de contrôle d'orientation : 122 kg
• Capacité de stockage de l'eau potable : 15 kg
• Capacité de stockage des eaux usées : 26,5 kg
• Filtre CO² : hydroxyde de lithium
• Désodorisant : charbon actif
• Batteries électriques : trois batteries de 40 ampères-heure argent/zinc, deux batteries de 0,75 ampère-heure argent zinc pour les dispositifs pyrotechniques
• Parachutes: deux parachutes de stabilisation coniques de 5 mètres de diamètre, trois parachutes extracteurs de 2,2 mètres de diamètre et trois parachutes principaux de 25,45 mètres de diamètre.

Le module de service (Service Module ou SM en anglais) est un cylindre d'aluminium non pressurisé de 5 mètres de long et 3,9 mètres de diamètre pesant 24 tonnes. Il est accouplé à la base du module de commande et la longue tuyère du moteur-fusée principal de 9 tonnes de poussée en dépasse de 2,5 mètres. Le module est organisé autour d'un cylindre central qui contient les réservoirs d'hélium servant à pressuriser les réservoirs d'ergols principaux ainsi que la partie haute du moteur principal. Autour de cette partie centrale l'espace est découpé en six secteurs en forme de parts de gâteau. Quatre de ces secteurs abritent les réservoirs d'ergols (18,5 tonnes). Un secteur contient trois piles à combustibles qui fournissent la puissance électrique et en sous-produit l'eau ainsi que les réservoirs d'hydrogène et d'oxygène qui les alimentent. L'oxygène est également utilisé pour renouveler l'atmosphère de la cabine. Un secteur reçoit des équipements qui ont varié en fonction des missions : appareils scientifiques, petit satellite, caméras, réservoir d'oxygène supplémentaire. Le module de service contient également les radiateurs qui dissipent l'excédent de chaleur du système électrique et qui régulent la température de la cabine. Quatre grappes de petits moteurs de contrôles d'attitude sont disposés sur le pourtour du cylindre. Une antenne comportant 5 petites paraboles ,assurant les communications à grande distance, est déployée une fois le vaisseau lancé.

Caractéristiques du module de service

• Longueur : 7,56 m
• Diamètre : 3,90 m
• Masse : 24 523 kg
• Masse de la structure : 1 910 kg
• Masse de l'équipement électrique : 1 200 kg
• Poussée des moteurs de contrôle d'orientation : 16 x 446 N
• Propergols des moteurs de contrôle d'orientation  : N₂O₄/UDMH
• Masse du moteur principal (SPS) : 3 000 kg
• Poussée du moteur principal (SPS) : 91,2 kN (9,12 tonnes)
• Type d'ergols utilisés par le SPS : N₂O₄/Aerozine 50 (UDMH/N₂H₄)
• Masse ergols moteur principal (SPS) : 18 413 kg
• Impulsion spécifique du moteur principal (SPS) : 314 s (3 100 m/s)
• Delta-v moteur principal (SPS) : 2 804 m/s
• Système électrique : trois piles à combustible fournissant 1,4 kW courant continu/30-volt

Au décollage, le vaisseau Apollo est surmonté d'une tour de sauvetage, qui est un dispositif destiné à éloigner le vaisseau du lanceur Saturn V, si celui-ci subit une défaillance durant les premières phases du vol. Le recours à des sièges éjectables, utilisé par le vaisseau Gemini, était exclus compte tenu du diamètre de la boule de feu créée par une explosion de la fusée géante. La tour de sauvetage est constitué d'un propulseur à poudre situé au bout d'un treillis métallique lui même perché au sommet du vaisseau Apollo. En cas d'incident, le moteur de la tour arrache le vaisseau de la fusée tandis qu'un petit propulseur l'écarte de la trajectoire de la fusée. La tour est alors larguée et le vaisseau entame sa descente en suivant une séquence similaire à celle d'un retour sur Terre. Elle est éjectée lorsque le deuxième étage de la fusée Saturn est mis à feu.

Durant le trajet entre la Terre et la Lune, le CSM manœuvre pour venir se positionner derrière le module lunaire.

L'ensemble, composé du module de commande, du module de service et du LEM part, alors, vers la Lune. Arrivés près de la Lune, deux astronautes passent dans le LEM, qui se détache, tandis qu'un astronaute reste en orbite lunaire. Lorsque la mission lunaire est terminée, une partie du LEM décolle, et rejoint le module de commande. Les astronautes repassent dans le module de commande, qui se sépare du LEM, et le voyage de retour vers la terre peut commencer.

Avant de pénétrer dans l'atmosphère terrestre, le module de commande se détache du module de service, et il rentre dans l'atmosphère, protégé par son bouclier thermique.

Après une phase de décélération qui atteint 4 g, le vaisseau a perdu sa vitesse horizontale et descend pratiquement à la verticale. À 7 000 mètres d'altitude la protection située à l'extrémité conique du vaisseau est éjectée et deux petits parachutes se déploient pour stabiliser la cabine et faire chuter sa vitesse de 480 à 280 km/h. À 3 000 mètres, trois petits parachutes pilotes sont déployés latéralement par des mortiers pour extraire les trois parachutes principaux en évitant qu'ils s'emmêlent. Le vaisseau percute la surface de l'océan à une vitesse de 35 km/h. Les parachutes sont immédiatement largués et trois ballonnets se gonflent de manière à éviter que le vaisseau reste la pointe sous l'eau. L'équipage est récupéré par des plongeurs montés sur des embarcations légères tandis que le vaisseau est hissé sur le pont du porte-avions affecté à sa récupération.

Le vaisseau Apollo fut utilisé pour les vols habités d'Apollo 7 à Apollo 17 du programme Apollo. L'ensemble du programme Apollo se déroula sur une période très courte, puisque la tragédie d'Apollo 1 date de 1967, et que le dernier vol Apollo date de 1973. Pour les missions Apollo 7 (simple test) et Apollo 9 (simulation d'approche lunaire en orbite terrestre), il restera en orbite terrestre. Il participe, en tout, à 9 missions lunaires, dont six permirent à des hommes de marcher sur la Lune : la mission Apollo 10 est une répétition d'atterrissage et la mission Apollo 13 est un échec.

Il fut le premier engin spatial américain à emmener trois hommes en orbite (les soviétiques ayant réalisé cette première lors du vol Voskhod 1 en 1964). Lors de la mission Apollo 8, il fut le premier engin spatial à emmener des hommes vers un autre corps céleste que la Terre. Lors de la mission Apollo 17, il fut le dernier, aucun autre engin spatial n'ayant jamais emmené des hommes aussi loin de la Terre.

En 1973, trois vols sont effectués pour desservir la station spatiale Skylab (missions Skylab 2 à Skylab 4). En 1975, le vaisseau sert une dernière fois lors de la mission américano-soviétique Apollo-Soyouz.

L'incendie du module et de commande de service d'Apollo 1

Le 27 janvier 1967, alors que l'équipage du premier vol habité Apollo 1, qui doit décoller un mois plus tard, effectue une répétition au sol en conditions réelles, un incendie se déclare dans le vaisseau Apollo (CSM) dans lequel les trois astronautes se trouvent sanglés à leur siège. Les flammes font rage dans l'atmosphère confinée composée uniquement d'oxygène ; Virgil Grissom, Edward White et Roger Chaffee décèdent asphyxiés sans être parvenus à ouvrir l'écoutille. Le vaisseau avait rencontré de nombreux problèmes de mise au point avant l'accident. Le déclenchement de l'incendie sera attribué, sans être clairement identifié, à un court-circuit dû à un fil électrique dénudé. L'enquête révèle l'utilisation de nombreux matériaux inflammables dans la cabine et beaucoup de négligences dans le câblage électrique et la plomberie.

De nombreuses modifications furent apportées pour que la cabine du vaisseau offre une meilleure résistance au feu. L'écoutille fut modifiée pour pouvoir être ouverte en moins de 10 secondes. L'ensemble du programme Apollo subit une revue qui entraina la modification de nombreux composants. Les exigences de qualité et les procédures de test furent renforcées. Tout le programme subit un décalage de 21 mois accroissant la pression sur les équipes : la fin de la décennie approchait. Par ailleurs tout le monde s'inquiétait de l'avancement du programme soviétique, même si aucune information officielle ne filtrait de la-bas.

Lors de la mission Apollo 13, l'explosion d'un réservoir d'oxygène du module de service et une série de pannes mirent en péril la vie de l'équipage, qui dut se réfugier dans le LEM, car le module de commande n'avait pas assez de ressources à lui tout seul pour assurer la survie pendant un temps suffisant au retour.

Apollo 13 : le LEM radeau de sauvetage

Alors que le LEM et le CSM de la mission Apollo 13 sont en route pour la Lune, une pile à combustible explose à la suite d'un court-circuit et ravage le module de service : les réserves en oxygène du CSM tombent à zéro et les deux tiers de ses ressources électriques disparaissent. La mission doit être interrompue mais le moteur de propulsion principal n'est plus jugé assez sûr, du fait de sa proximité avec le foyer de l'explosion, pour permettre son utilisation et réaliser un demi-tour. Le LEM va jouer un rôle crucial, qui n'avait pas été prévu par ses concepteurs, dans le sauvetage de l'équipage de la mission Apollo 13. L'équipage se réfugie dans le module lunaire qui est alors activé. Le contrôle au sol décide de laisser le vaisseau faire le tour de la Lune et revenir vers la Terre. Les consommables (oxygène, électricité) stockés dans les deux vaisseaux ne sont toutefois pas suffisants pour faire face aux besoins des trois astronautes jusqu'à leur arrivée. Le moteur de descente du LEM est utilisé à plusieurs reprises pour optimiser la trajectoire. Plusieurs bricolages sont improvisés pour disposer de suffisamment d'électricité et éliminer le CO₂ permettent à l'équipage d'arriver sain et sauf.

Un employé de Grumman enverra une facture humoristique pour ce remorquage non prévu à la société North American constructeur du Module de Commande et de Service sinistré.