2 - La conquête spatiale
a- Une course au savoir : l’opération Paperclip
b- Une course contre la montre dans un monde bipolaire
Astronaute dans l'espace
I - Histoire
a - Une course au savoir : l'opération Paperclip
Vers la fin de la guerre, des officiers de l'armée US furent envoyés en Allemagne pour récupérer le plus de matériel, de plans, de V2 et d'ingénieurs que possible. Les sites les plus précieux comme Peenemünde étaient plutôt proches des lignes russes, mais l'équipe de Wernher von Braun les abandonna en février 1945, détruisant les installations quand c'était possible. Pourtant, malgré les ordres donnés par Berlin de détruire les informations concernant les recherches de l'armée, von Braun, en mars 1945, cacha 14 tonnes de documents concernant les V2. Les Américains, qui l’arrêtèrent lui et son équipe arrivèrent à les exfiltrer, purent récupérer quantité de matériel trouvé dans des zones devant revenir à l'URSS, ainsi que les documents cachés quelques mois auparavant.
C’est alors que les Etats-Unis lancèrent l’opération Paperclip, aussi appelée opération overcast qui s'est déroulée de 1945 à 1957. Elle fût menée par l’état major des Etats-Unis avec comme mission d’exfiltrer et recruter près de 1500 scientifiques issus du complexe militaro-industriel allemand. Ce groupe de scientifiques a été appellé la Joint Intelligence Objectives Agency (JIOA).
Cet opération avait pour but de récupérer les armes secrètes du troisième Reich afin de pouvoir lutter contre l’URSS.
Du côté soviétique, le département 7 créé par le NKGB, l’ancien KGB, avait le même but. Les travaux du département 7 furent stoppés en 1952 lorsque les spécialistes russes eurent acquis toutes les connaissances nécessaires à la poursuite de leurs travaux. Les scientfiques allemand furent donc renvoyés en République Démocratique d’Allemagne.
Afin de récupérer ces scientifiques, le gouvernement américain leur offrirent la direction des programmes de la recherche du département de la défense des Etats-Unis, des postes importants. Les scientifiques furent donc envoyés sur les bases de White Sands, dans le Nouveau-Mexique, et à Fort Bliss, au Texas, lieu de travail de Wernher von Braun.
L'opération fut arrétée lorsque l’Allemagne de l’Ouest protesta contre les Etats-Unis de la dépouille de ses scientifiques. Et ce n’est qu’en 1973 qu’elle fut rendue publique.
Wernher von Braun lors de sa reddition aux américains le 3 mai 1945 (son bras platré est dû à un accident de voiture)
b - Une course contre la montre dans un monde bipolaire
Lorsque la fin de la guerre en Europe approcha, les États-Unis comme l'URSS comprirent la nécessité de profiter au maximum des technologies allemandes, c’est le début d’une course contre la montre entre les deux grandes puissances sortantes de la guerre.
L'URSS, en moindre quantité, mit la main sur du matériel et des renseignements, et recruta plusieurs ingénieurs, comme Helmut Gröttrup, comme "volontaires désignés" pour poursuivre les recherches en aérospatiale pour le compte des soviétiques. Cette exfiltration de scientifiques fut appelée, comme vu plus haut, "département 7" par les soviétiques.
Chez les américains l’opération Paperclip est lancée.
Mais cette course ne s’arréta pas pour autant avec la fin des deux projets.
De 1957 à 1969, la conquête spatiale est sujette à une course à la technologie entre l’URSS et les Etats-Unis où chacun tente de démontrer sa supériorité, en technologie et, de là, en idéologie, étant en pleine Guerre Froide.
Cette course débute en 1957 avec le premier satellite artificiel, le Spoutnik 1 lancé par les soviétiques. L’URSS prend alors de l’avance et l’enjeu se modifie rapidement puisque les nouveaux buts des deux blocs sont maintenant les vols habités et l’envoi d’un homme sur la lune. Cette victoire soviétique, et ce malgré l'infériorité des résultats du département 7 par rapport à l'opération Paperclip, est dûe à l'intensité de l'espionnage soviétique aux Etats-Unis. L'URSS a donc profité des résultats de ses chercheurs ainsi que de ceux de leurs homologues américains.
Le 4 octobre 1957, le premier satellite artificiel de la Terre, Spoutnik 1, est lancé par l'U.R.S.S. Cette fusée, assez puissante pour propulser un satellite, est issue du missile balistique intercontinental R-7, ou Sémiorka, conçu par Sergueï Pavlovitch Korolev et propulsé par les moteurs R.D.-107 et R.D.-108 mis au point par Valentin Petrovitch Glouchko. Spoutnik 1 se présente sous la forme d'une sphère d'aluminium de 58 centimètres de diamètre dotée de quatre antennes et dont la masse est de 83,6 kg. Il est placé sur une orbite de 945 kilomètres d’altitude pendant 21 jours. Spoutnik 1 fournira des informations sur la densité et la température de la haute atmosphère ainsi que sur la concentration en électrons de l'ionosphère.
Les soviétiques enverront ensuite le 3 novembre 1957 Spoutnik 2, un deuxième satellite mais avec dans un compartiment présurisé un animal, la chienne Laîka. Elle survivra 7 jours et mourra dans l’espace faute d’oxygène. Les Etats-Unis sont pris de vitesse face aux progrés soviétiques.
Les Etats-Unis lancent leur premier satellite le 31 janvier 1958, nommé Explorer 1. Il fut envoyé par une fusée conçue par Wernher von Braun.
Poussé par le retard sur l’URSS, le président Eisenhower crée la NASA ( National Aeronautics and Space Administration) le 30 juillet 1958 afin de gagner la course de l’espace contre l’URSS. La NASA se concentra alors sur le programme lunaire annoncé par Kennedy afin d’envoyer un homme sur notre satellite.
Ce programme marqua la fin de cette course avec Apollo 11 qui, le 20 juillet 1969 déposa et permis à deux hommes de marcher sur la lune : Neil Armstrong et Edwin "Buzz" Aldrin qui passent 21 heures et 30 minutes sur la surface lunaire.
Membres d'équipages de la mission Apollo 11 (de gauche à droite, Neil Armstrong, Michael Collins et Edwin "Buzz" Aldrin
II - Innovations
a - La mise en orbite d'un satellite
Un satellite tourne autour d'un astre avec une vitesse telle que celle-ci est suffisante pour que la force gravitationnelle le maintienne autour de cet astre. Cette vitesse compense donc son poids. Contrairement à une idée répandue, le satellite n'est pas en apesanteur. Il est même en permanence en mouvement.
La vitesse à donner à un satellite diminue avec l'altitude de celui-ci: plus il est haut, moins il est soumis à la gravité. Toute la difficulté est de donner à la charge utile la vitesse voulue. Si la vitesse est trop élevée, le satellite se décrochera de l’orbite. Si elle est trop faible, le satellite retournera sur Terre. La force le maintenant autour de l’astre est la suivante:
Force gravitationelle:
où G est une constante, appelée constante gravitationnelle qui est environ égale à 6,7*10^(-11)m^(3).kg^(-1).s^(-2), ma la masse du premier satellite, mb celle de l’astre et d la distance entre les centres des deux.
Il faut donc, afin de mettre un objet en orbite autour d’un astre , que la vitesse soit suffisante pour le maintenir sur une certaine orbite. Cette vitesse dépend en fait du poid de l’objet mis en orbite. Par exemple, afin de mettre un satellite en orbite afin qu’il soit géostationnaire, sa vitesse en orbite doit être de 15°/heure, qui est aussi celle de la la rotation de la Terre. l’orbite de tout les satellites géostationnaire est de 35786 km car à cette distance la vitesse de rotation suffit à compenser la gravité. Néanmoins, les satellites actuels sont équipés d'un moteur afin de compenser l'attraction des autes astres passant à proximité. Les satellites non géostationnaires, quant à eux dispose d'un moteur leur permettant de compenser la perte d'énergie due au frottement avec les gazs de l'atmosphère.
b - Envoyer des hommes dans l'espace
La Terre attire la masse de la fusée vers son centre : c’est la gravitation. La Terre est très massive en comparaison de la fusée, c’est donc elle qui domine le système gravitationnel. La fusée attire également de façon infime la Terre, avec une force qui est en rapport avec sa propre masse.
Pour que la fusée décolle il faudra fournir une force supplémentaire au système pour qu’à chaque instant, la fusée rompe cet équilibre en surpassant la force de gravitation qui l’attire.
La fusée bénéficie de la force produite par la résistance du sol : une fois en l’air elle ne bénéficie plus de cette force et doit la compenser totalement.
Il est intéressant de noter ici que la plus grande partie de la puissance à fournir par la fusée sert à compenser la force de gravitation et qu’une petite partie seulement sert à lui faire gagner de l’altitude à chaque instant.
Dans l’absolu une fusée pourrait donc s’élever dans les airs à n’importe quelle vitesse. Ce n’est pas le cas et le lanceur doit s’élever dans une plage de vitesse très précise et relativement réduite :
En s’élevant trop lentement : la fusée consommerait son carburant à compenser la gravitation pendant trop de temps. Elle devrait alors embarquer beaucoup plus de carburant, ce qui l’alourdirait, et nécessiterait une motorisation plus importante, etc.
En s’élevant trop vite : Les moteurs actuels permettraient des décollages beaucoup plus rapides mais totalement incompatibles avec la santé des passagers s’il y en a, ou simplement de la structure de la fusée qui s’échaufferait jusqu’à fondre tant la résistance des couches de l’atmosphère proches du sol est forte.
Une fusée est composée de trois réacteurs, deux sur les côtés afin de sortir de l’atmosphère et un au milieu entrant en marche après le détachement de ces deux réacteurs (se produisant une fois leur réservoirs vides), ce dernier servant à propulser la fusée dans l’espace. Une fois celui-ci vide, il se décroche et laisse place à la fusée au sens propre du terme : la zone habitable est elle aussi dotée d’un moteur afin de rectifier la trajectoire induite par son élan ou de compenser la perte d’énergie due à l'interaction avec d’autres astres en cas de besoin. La quantité de carburant embarquée et la vitesse sélectionnée pour le vol correspondent au meilleur compromis entre la sécurité du lanceur et de sa charge, et la capacité des moteurs. Pour résumer, il faut grimper le plus rapidement possible mais sans endommager le lanceur ni les passagers. Or, afin de ne pas les blesser il faut calculer la force g exercée sur eux. Afin de la calculer nous cherchons tout d’abord l’accélération puisqu’elle est liée a celle-ci.
Les passagers sont soumis à l’accélération de la fusée, on l’obtient grâce à la loi de conservation de quantité de mouvement :
Elle est proportionnelle au produit de la masse de gaz expulsée par sa vitesse et divisé par la masse de la fusée.
Plus précisément la loi s'énonce ainsi :
Dans laquelle :
Δv est la variation de vitesse entre le début et la fin de la phase propulsée considérée, exprimée en m/s
Ve est la vitesse d'éjection des gaz, exprimée en m/s
m0 est la masse totale de l'astronef au début de la phase propulsée
m1 est la masse totale de l'astronef à l'issue de la phase propulsée, exprimée dans la même unité que m0
Cette équation est établie en intégrant l'équation de conservation de la quantité de mouvement entre le début et la fin de la phase propulsée sous les hypothèses suivantes :
-
l'étude du mouvement est faite dans un référentiel d'inertie ;
-
l'astronef n'est soumis qu'à la force de poussée fournie par ses moteurs, aucune autre action extérieure (gravité, efforts aérodynamiques) n'est prise en compte ;
-
le débit massique d'ergol est constant pendant la phase de propulsion ;
-
la vitesse d'éjection des gaz est elle aussi constante.
On obtient alors l’accélération en m*s^(-1).
L’accélération est couramment donnée en g elle est à peu près égale à 9.80665 m*s^(-2)
Le corps humain supporte plus facilement des forces exercées perpendiculairement à l'axe de sa colonne vertébrale. C’est pour cela que les astronautes sont assis parallèle au sol. En général la tolérance est meilleure si la force est exercée vers l'avant (sujet couché sur le dos) que si elle est exercée vers l'arrière (sujet couché sur le ventre). Ceci est dû au fait que les vaisseaux sanguins de la rétine sont plus sensibles dans cette dernière position.
Des expériences anciennes ont montré que des personnes non entraînées pouvaient supporter de façon durable 17 g allongées sur le dos et seulement 12 g en position ventrale. Le record expérimental de résistance à une force g horizontale pendant une durée de 0,9 s est de 46,2 g en position « sur le ventre » et de 25 g pour une durée de 1,1 s. Ce record est détenu par John Stapp qui fut un pionnier dans les études sur l'accélération. Après ce record il survécut 45 ans jusqu'à l'âge de 89 ans mais a souffert toute sa vie de troubles de la vision liés à cette dernière expérience.
La NASA a donc effectué des test afin de calculer la résistance à cette force en fonction du temps afin de pouvoir calculer comment envoyer des hommes dans l’espace en toute sécurité.
Afin d’envoyer des hommes dans l’espace il fallait bien sur présuriser de l’oxygène mais cette technique était déja connue là où l’envoie d’un homme dans l’espace était technique était dans la maitrise des forces, d’appliquer les valeurs théoriques sur les fusées.
Le véritable défi pour la Nasa a donc été de maitriser ces forces, et d'appliquer ces valeurs théoriques sur les fusées. Elle a également due trouver des solutions afin de stocker les aliments, finallement lyophillisés, présuriser la cabine, selon une technique déjà connue ou encore permettre aux astronautes de se divertir et faire du sport. Pour ce faire, des machines spéciales ont été conçue où l'utilisateur reste fixé à la machine, en l'absence de gravité. Enfin, afin de satisfaire leurs besoins hygiéniques, les navettes transportent de l'eau, en quantité minimale. Les excrément sont envoyés dans l'espace où le vide tue les bactéries puis ils brûlent au moment de rentrer dans l'atmosphère.