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Pour vaincre la force gravitationnelle et ne pas retomber sur Terre, Saturn V doit atteindre une vitesse d’environ 28 000 km/h. Pour y parvenir, le lanceur se compose pour l’essentiel de trois puissants réacteurs ainsi que d’un réservoir de carburant adapté. Ces étages sont mis à feu successivement puis largués une fois consumés. L’engin spatial Apollo à proprement parler se situe à l’avant à la pointe de la fusée. 12 minutes après le décollage, Apollo 11 atteint l’orbite et tourne une fois et demie autour de la Terre. Sur cette «orbite de stationnement», l’équipage contrôle de nouveau tous les systèmes, puis la tour de contrôle donne l’instruction: «Go!». Le réacteur du troisième étage s’allume alors et envoie Apollo hors de l’orbite terrestre à une vitesse de 40 000 km/h en direction de la Lune. Désormais, Apollo 11 vole sur une «trajectoire de retour libre»: même si les réacteurs tombaient en panne, l’engin spatial, après avoir effectué une boucle autour de la Lune, serait de nouveau attiré par la gravité terrestre et retrouverait le chemin de notre planète.
Le vol jusqu’à la Lune, d’une durée de 76 heures et d’une distance d’environ 380 000 kilomètres, se déroule sans problème. Les astronautes décident d’atterrir et allument les rétrofusées. L’engin spatial perd de la vitesse et pivote vers une orbite lunaire, capturé par le champ de gravité de la Lune. Le module d’atterrissage se sépare du vaisseau-mère Apollo et descend sur la surface lunaire.
Sur Terre, les premières images de l’alunissage apparaissent rapidement sur les écrans de télévision. Elles sont tellement spectaculaires que certains ont encore du mal à croire ce qu’ils ont vu à l’époque. (voir l'article «Tout est différent sur la Lune»).