S-IC

Le S-IC (prononciation : /ɛs-œ̃-se/) était le premier étage du lanceur américain géant Saturn V du programme Apollo, destiné à envoyer des hommes sur la surface de la Lune, puis du lanceur dérivé Saturn INT-21 pour la mise en orbite de Skylab. Il a été assemblé par la compagnie Boeing. Monstre de puissance, le S-IC est propulsé par cinq moteurs F-1. Il développe une poussée de 33,85 méganewtons (soit 3 452 tonnes-force) pendant les 150 secondes de vol prévues. Allumé sur le pas de tir de la base de lancement de Cap Canaveral, il atteint 61 km d'altitude ainsi qu'une vitesse de 8 790 km/h avant sa séparation du lanceur. Retombant en chute libre, sans parachute, il finissait par percuter l'océan atlantique à 640 km à l'est de la base de lancement de Cap Canaveral. Historique La genèse de l'étage S-IC Le 25 mai 1961, jour du discours Special Message to the Congress on Urgent National Needs du président des États-Unis, John F. Kennedy, annonce sa volonté d'envoyer un Américain poser le pied sur la Lune avant la fin des années 1960. Durant l'année 1961, la définition des lanceurs de la famille Saturn varie de mois en mois. Ils correspondent aux différents scénarios pour les missions lunaires qui ne sont pas arrêtés : Rendez-vous en orbite terrestre (EOR : "Earth Orbit Rendez-vous") Rendez-vous en orbite circumlunaire (LOR : "Lunar Orbit Rendez-vous) Vol lunaire direct ("Direct Flight") Ainsi, dans les derniers mois de 1961, plusieurs lanceurs lourds sont encore envisagés : Saturn C-4 puis Saturn C-5 : Ayant un premier étage basé sur 4 moteurs F-1 puis 5 moteurs F-1. Nova : Ayant un premier étage basé sur 8 moteurs F-1 L'ajout d'un moteur supplémentaire à la Saturn C-4, la transformant en Saturn C-5, est justifié par Wernher von Braun par l'augmentation constante du Module lunaire Apollo à chaque fois qu'il en discute avec le Centre Spatial de Houston. Le 15 décembre 1961, la NASA sélectionne Boeing comme responsable de l'assemblage du premier étage S-IC du véhicule Saturn C-5. Le contrat, d'un montant de 300 millions de dollars, s'étend jusqu'en 1966. Il prévoit le développement, la construction et les essais de 24 unités. L'assemblage se fera à l'usine Centre d'assemblage de Michoud (communément appelé Michoud ou par son acronyme MAF) de la NASA, près de la Nouvelle-Orléans. Le 21 décembre 1961, la NASA décide de produire industriellement le lanceur Saturn C-5. Ce choix permet une certaine flexibilité pour les missions lunaires. En effet, il pouvait servir pour tous les scénarios de missions lunaires avec une ou deux C-5. De la conception au lancement de l'industrialisation L’intégration entre les équipes de la NASA et celles de Boeing Le Marshall Space Flight Center (MSFC) possède historiquement de grandes compétences en matière de R&D, de construction de prototypes et de gestion technique dans le domaine des lanceurs (V-2, Redstone, Jupiter et Saturn I). Avant la signature du contrat en décembre 1961, les ingénieurs de Boeing travaillent déjà au coude à coude avec ceux du MSFC pour finaliser la conception du premier étage. À l'été 1962, Boeing compte près de 500 ingénieurs et techniciens travaillant sur le site du MSFC et 600 autres installés à proximité dans le centre-ville de Huntsville. Boeing prépare la production avec 450 personnes sur le site de Michoud. Dès le départ, Boeing vient ajouter son expertise dans plusieurs domaines : À Seattle (Washington), siège de la société Boeing : soutien technique et la recherche pour Saturn, dont les études en soufflerie et autres données techniques spécialisées. À Wichita (Kansas) : Production de l'outillage lourd nécessaire à l'assemblage du S-IC. Production des pièces et sous-ensembles utilisés pour l'assemblage. À Michoud : préparation des opérations de fabrication et équipe de direction de la « Saturn Booster Branch » de Boeing. Le contrat initial de Boeing va être modifié à plusieurs reprises jusqu'au 20 décembre 1963. Les modifications suivantes sont apportées pour les trois premiers étages d'essai ainsi que les deux premiers étages de production : la responsabilité de production est transférée de Boeing au MSFC le lieu de fabrication est transféré de Michoud (MAF) au MSFC le lieu des tests statiques est transféré du Mississippi Test Facility (MTF) au MSFC Trois raisons expliquent ces modifications : Assurer la transition entre la conception et la production en définissant, mettant en œuvre puis validant les procédures de fabrication. Permettre au MSFC de continuer à capitaliser de l'expérience sur ses ingénieurs notamment sur les procédures de production. Avancer les dates de livraison de ces cinq unités le temps que les nouveaux bâtiments nécessaires à la production au MAF et que les nouvelles structures de tests au MTF soient construits. La production des premières unités MSFC construit les trois premiers étages d'essai. Ceux-ci avaient des configurations et objectifs très différents : S-IC-T : surnommé le « T-bird », il est utilisé pour les tests de poussée et d'utilisation des moteurs. Il est doté de moteurs réels ou factices en fonction des besoins de tests d'allumage et de poussée. S-IC-S : utilisé pour des tests structurels sur le corps de l'étage. Tenue des réservoirs aux pressions de remplissage, vidage et pressurisation. Il est prévu sans moteurs réels. S-IC-F : Maquette servant de gabarit. Permet de valider que les différentes manutentions nécessaires pour le transport (voie, barges, chargement et déchargement), pour l'assemblage jusqu'à la mise en place sur le pas de tir sont correctement dimensionnées par rapport à la taille de l'étage. Ce démonstrateur est prioritairement affecté au KSC. Il est produit sans moteurs. Pendant que les étages S-IC-1 et S-IC-2 de vol sont construits au MSFC, les outils et procédures utilisées sont transférés vers Michoud. Boeing commence à produire le quatrième étage d'essai : S-IC-D : utilisé pour des tests dynamiques : tenue aux différentes forces s’exerçant pendant l'assemblage et le vol. Il sera utilisé exclusivement au MSFC afin de déterminer l'emplacement optimal des capteurs de vol. Il est équipé d'un moteur réel et de quatre moteurs factices. Le travail de Boeing à Michoud est de produire en série les différentes unités. Comme chaque unité nécessite plus de 14 mois de travail, celles-ci sont produites simultanément. Les étages S-IC-1, S-IC-2 et S-IC-3 seront testés et qualifiés au MSFC en test de poussée statique. Les étages ultérieurs seront testés au MFT. Utilisation des premiers étages d'essais Le 1er mars 1965, le S-IC-T est complètement assemblé au MSFC. Il est transféré sur le banc d'essai statique du site puis un premier allumage d'un moteur du S-IC-T est effectué le 9 avril 1965. Le 16 avril, les cinq moteurs sont allumés simultanément pendant 6,5 secondes puis le 5 août 1965, un allumage de 143,6 secondes du S-IC-T est réalisé avec succès. Le 21 juin 1966, le S-IC-S est utilisé une dernière fois au MSFC pour un test statique montrant l'intégrité des réservoirs sous une pression à 140 % de celle attendue en vol. L'intégralité des campagnes de tests l'utilisant auront été effectuées au MSFC. Le 7 février 1966, l'étage S-IC-F arrive au Centre spatial Kennedy. Il est amené dans le Bâtiment d'assemblage vertical dans lequel il est assemblé avec les autres étages à compter du 15 mars 1966. La maquette de lanceur ainsi créé sera déplacée sur la pas de tir 39A du KSC à compter du 25 mai 1966. Elle y restera jusqu'à mi-octobre 1966. Le 13 octobre 1965, le S-IC-D arrive depuis Michoud au MSFC. Le 13 janvier 1966, il sera installé dans le bâtiment d'essais dynamiques du MSFC dans lequel il subira 450 heures d'essais jusqu'au printemps 1967. Industrialisation et utilisation des étages de vol Les étages de vol sont produits en série et testés sur les sites indiqués dans le tableau ci-dessous. Ils sont ensuite envoyés par barge vers le Centre spatial Kennedy où ils sont assemblés pour former le lanceur Saturn V. Caractéristiques Comme les premiers étages de la plupart des fusées, la majeure partie de sa masse, de plus de deux mille tonnes au lancement, était dédiée aux ergols alimentant la propulsion de la fusée, en l'espèce d'un carburant RP-1 (un dérivé du kérosène) et d'un comburant, l'oxygène liquide (LOX). Il mesurait 42 mètres (138 ft) de haut et 10 mètres (33 ft) de diamètre, et produisait une poussée de 33 000 kN (environ 3 365 tonnes) pour propulser la fusée pendant les 68 premiers kilomètres de son ascension. À titre d'exemple, lors de la mission Apollo 11, le premier étage avait une masse totale de 2 278 689 kg, dont 130 422 kg d'étage sec (5,72 %) et 2 145 798 kg d'ergols (94,17 %). Parmi les cinq moteurs F-1, le central était fixe, tandis que les quatre sur le pourtour extérieur pouvaient être orientés pour contrôler la trajectoire de la fusée pendant son vol. Cette orientation, pouvant atteindre 6°, était possible car les moteurs étaient installés sur des cardans à deux degrés de mobilité et asservis à des vérins hydrauliques utilisant le RP-1 sous pression pour fonctionner. Composants La partie la plus lourde et la plus grande du S-IC était la structure de poussée, particulièrement massive, pesant 21 tonnes (à comparer avec la masse totale à vide de 136 tonnes de l'étage entier). Constituée de quatre longerons, reliés par deux poutres assemblées en croix, et de deux cadres circulaires, elle a été conçue pour soutenir la poussée des cinq moteurs et la redistribuer de manière uniforme sur la base de la fusée. Il y avait également quatre ancres qui soutenaient et retenaient la fusée lorsqu'elle développait sa poussée maximale au décollage. Ces pièces, qui permettaient aux moteurs de stabiliser leur combustion avant de laisser s'élever la fusée, furent parmi les plus grandes pièces forgées en aluminium produites aux États-Unis à l'époque. Elles mesuraient 4,3 m de long pour une masse de 816 kg. Les quatre ailerons de stabilisation, placés sur les carénages enveloppant les moteurs périphériques, étaient conçus pour résister à une température de 1 100 °C. Au-dessus de la structure de poussée se trouvait le réservoir de carburant, contenant 770 000 litres de RP-1. Le réservoir lui-même avait une masse de 11 tonnes et pouvait libérer un volume de 7 300 litres de carburant par seconde. De l'azote était insufflé dans le réservoir avant le lancement pour brasser le carburant. Au cours du vol, le carburant était pressurisé en utilisant de l'hélium, qui était stocké dans des réservoirs placés à l'intérieur du réservoir d'oxygène liquide positionné au-dessus. Ce dernier était séparé du réservoir de RP-1 par une structure. Le réservoir d'oxygène liquide avait une capacité de 1 204 000 litres et avait soulevé des questions particulières pour son concepteur. Les conduits par lesquels le LOX passait vers les moteurs devaient être droits et devaient donc passer par le réservoir de carburant. Cela signifiait qu'il fallait isoler ces conduits dans un tunnel, pour arrêter la congélation du carburant à l'extérieur, et signifiait également la création de cinq trous supplémentaires dans le haut du réservoir de carburant. Deux rétrofusées à carburant solide étaient situées à l'intérieur de chacun des quatre carénages coniques des moteurs périphériques. À la séparation du S-IC, les huit rétrofusées étaient mises à feu, soufflant les parties amovibles des carénages avant des ailerons, et éloignant le S-IC du reste du lanceur, alors que les moteurs du deuxième étage S-II étaient allumés. Fonctionnement au cours d'une mission Le premier étage fonctionne durant 150 s (2 min 30 s) en brûlant 2 000 tonnes 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 1er 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 entre chaque paire pour réduire les efforts mécaniques appliqués 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. 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 s à la fusée pour s’élever au-dessus de la tour de lancement. Une fois que celle-ci est dépassée, le lanceur Saturn V pivote pour s'éloigner suffisamment de la zone de tir en cas de vents contraires ou de panne moteur. Par précaution, les quatre moteurs périphériques sont inclinés vers l’extérieur, de manière que si un moteur venait 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 est de prendre de l'altitude, le critère de vitesse venant plus tard. 135,5 secondes après le décollage, le moteur central s’éteint pour réduire les contraintes structurelles sur la fusée liées à l’accélération. En effet, cette dernière s'accroît 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. Il est ralenti dans sa course par huit petites rétrofusées à poudre, qui l'empêchent, alors qu'il est 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 des capteurs placés 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. Étages construits Références (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « S-IC » (voir la liste des auteurs). Voir aussi Articles connexes Moteur F-1 Saturn V Programme Apollo Marshall Space Flight Center (MSFC) Michoud Assembly Facility (MAF) Mississippi Test Facility (MTC) Kennedy Space Center (KSC) Les noms des sites mentionnés dans cette liste sont ceux utilisés à l'époque du programme Apollo. Bibliographie Cette période de l'histoire de la NASA a fait l'objet d'un travail très exhaustif de la part de la « NASA History Division ». Les liens indiqués ci-dessous ont parfois fait l'objet d'une publication en livre de la part de leurs auteurs. Cependant, afin de différencier ces textes d'autres publications, les liens ci-dessous ne mentionnent que les sources lisibles et publiques sur le site de la NASA ainsi que le numéro de publication interne à cette institution précédé des lettres initiales « SP-.... » pour « Special Publication » suivies d'un numéro précis voire de ce tiret de séparation/d'union : (en) Charles Dunlap Benson et William Barnaby Faherty, S.J., SP-4204 Moonport: A History of Apollo Launch Facilities and Operations, NASA History Division, juin 1979 (lire en ligne) (en) Courtney G Brooks, James M. Grimwood et Loyd S. Swenson, SP-4205 Chariots for Apollo: A History of Manned Lunar Spacecraft, NASA History Division, 1979 (lire en ligne) (en) Roger E. Bilstein, SP-4206 Stages to Saturn, NASA History Division, juin 1979 (lire en ligne) (en) Mack R. Herring, SP-4310 Way Station to Space: A History of the John C. Stennis Space Center, NASA History Division, 27 février 1997 (lire en ligne) (en) David S. Akens, MHR-5 Saturn Illustrated Chronology - Saturn's First Eleven Years: April 1957 through April 1968, NASA History Division, 20 janvier 1971 (lire en ligne) Liens externes (en) John Duncan, « The S-IC », apollosaturn.com, 1er mars 1998 (consulté le 26 juillet 2014). (en) [vidéo] « Saturn V's first stage S-IC in its testbed (with Dolby 5.1 sound) », sur YouTube. (en) [vidéo] « Saturn V's 1st engine test », sur YouTube. Portail de l’astronautique Portail des États-Unis Portail de la guerre froide