La Saturn V, fleuron du programme Apollo, reste à ce jour la fusée opérationnelle la plus puissante jamais construite. Plus de quarante ans après son dernier vol le 14 mai 1973, elle continue de fasciner par ses capacités hors normes, avec une capacité de satellisation en orbite basse terrestre de 140 tonnes et de 49 tonnes vers la Lune. Ce monstre d'ingénierie déployait une poussée au décollage de plus de 33 millions de newtons, alimenté par 2,5 millions de kg d'ergols.
Compte tenu de la puissance phénoménale de la Saturn V, la NASA a conduit des études approfondies pour évaluer les conséquences d'un scénario catastrophe : une explosion sur le pas de tir. Cet article se penche sur ces analyses, explorant les dangers potentiels et les mesures de sécurité mises en place pour protéger les astronautes et les infrastructures.
Le scénario du pire : une explosion au décollage
Le pire scénario envisageable est sans conteste une explosion de la Saturn V sur son pas de tir. C'est là que le lanceur est le plus vulnérable, avec ses réservoirs remplis d'ergols. Dans une telle situation, le système d'éjection d'urgence (Launch Escape System ou L.E.S.) doit impérativement fonctionner de manière irréprochable pour extraire le module de commande et mettre les astronautes en sécurité.
Il est important de souligner que la puissance du moteur à poudre du L.E.S. était supérieure à celle du lanceur Redstone qui a envoyé Alan Shepard, le premier astronaute américain, dans l'espace : 654 000 newtons de poussée contre 347 000 N !
Consciente des risques, la NASA a sélectionné des sites de lancement isolés et éloignés des infrastructures sensibles, comme le Centre de Contrôle des Lancements, situé à 5,6 km du pas de tir 39A.
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Évaluation des dangers potentiels : l'étude de 1963
En septembre 1963, la NASA a réalisé une étude préliminaire intitulée "Saturn 5 Booster Explosion Hazards and Apollo Survivability Analyses" afin d'évaluer les dangers d'une explosion de Saturn V et ses effets sur l'intégrité du vaisseau spatial Apollo.
Les auteurs de l'étude ont calculé le poids des ergols dans chacun des trois étages de la fusée et ont déterminé leur équivalent en TNT :
- S-IC (premier étage) : 222 tonnes de TNT
- S-II (deuxième étage) : 253 tonnes de TNT
- SIV-B (troisième étage) : 68 tonnes de TNT
La puissance explosive combinée théorique des trois étages était donc de 543 tonnes de TNT, soit légèrement plus d'une demi-kilotonne, selon la terminologie propre aux armes nucléaires. Si une Saturn V avait explosé, l’énergie libérée aurait équivalu à celle d’une petite bombe atomique d’une demi kilotonne soit 1/26 -ème de la bombe d’Hiroshima.
Il est important de noter qu'il s'agit d'une puissance théorique. Des données issues d'explosions de fusées Atlas ou Titan sur leur pas de tir ont montré que la totalité des ergols n'est pas consumée lors de l'explosion initiale. Une portion non négligeable est répandue sur le sol et continue de brûler longtemps après. Dans le cas de la Saturn V, il est probable que le kérosène du premier étage aurait brûlé au sol.
En pratique, les auteurs de l'étude ont estimé que la puissance de la déflagration n'aurait concerné qu'environ 60% des 543 tonnes, soit 326 tonnes de TNT. Rocco Petrone, le directeur des lancements au Centre Spatial Kennedy, a confirmé que le chiffre réel se situait entre 300 et 400 tonnes.
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Une détonation équivalente à 300 tonnes de TNT aurait eu des conséquences désastreuses : destruction complète de la tour de lancement, du transporteur mobile et d'une grande partie du pas de tir, ainsi que des incendies dans la végétation environnante, tuant la faune à des kilomètres à la ronde.
À titre de comparaison, l'explosion d'une fusée soviétique N-1 sur son pas de tir le 3 juillet 1969 avait libéré une puissance équivalente à 250 tonnes de TNT, détruisant complètement le pas de tir et brisant des fenêtres dans un rayon de 45 km.
Les six catégories de dangers identifiés
L'étude de la NASA a identifié six catégories de dangers liés à une explosion de Saturn V sur le pas de tir :
- Surpression : L'onde de choc créée lorsque l'air autour de l'explosion est violemment déplacé. Les auteurs considèrent qu'il s'agit de la menace la plus sérieuse pour le module de commande lors d'une explosion au niveau de la mer. Une onde de choc d'une force supérieure à 5 psi (34,47 KPa) détruirait le vaisseau spatial Apollo.
- Pression dynamique : À haute altitude (95 secondes après le décollage), la pression dynamique générée par une explosion constitue le danger le plus important.
- Feu : Bien que la boule de feu engendrée soit la plus grosse produite par une déflagration non nucléaire, la capsule ne passerait que 2 à 3 secondes dans le brasier dont la température, estimée à 1 370 °C, n'excéderait jamais celle pour laquelle le vaisseau spatial a été conçu, à savoir environ 2 800 °C, la température maximale générée lors de la rentrée dans l'atmosphère.
- Intensité acoustique : L'onde sonore n'entraînerait aucun dommage.
- Éclats : Les fragments projetés par la déflagration sont considérés comme non pertinents pour une explosion sur le pas de tir, car un éclat devrait traverser les étages, le module lunaire, le module de service et le bouclier ablatif du module de commande (sauf si la Saturne V bascule à l'horizontale).
- Impulsion
Étant donné que le S-II a le plus grand pouvoir de destruction, c'est ce dernier qu'il faut prendre en considération pour déterminer à quelle distance le module de commande doit se trouver pour éviter l'onde de choc. La distance minimale d'éloignement du S-II est de 317 mètres. Sachant que le module de commande est déjà éloigné de 43 mètres du centre théorique de l'explosion, le CM doit parcourir 274 mètres pour échapper à l'onde de choc mortelle.
L'étude de la boule de feu et ses conséquences
Fin 1964 et début 1965, deux ingénieurs du Centre des Vols Spatiaux Habités à Houston ont mené une étude intitulée « Estimation of fireball from Saturn vehicles following failure on launch pad » pour évaluer les effets d'une boule de feu engendrée par l'explosion sur le pas de tir d'une Saturne V ainsi que d'une Saturne 1B. Richard W. High et Robert F. Fletcher ont publié leur rapport le 3 août 1965.
Bien que des études antérieures aient conclu à l'innocuité d'une boule de feu sur le Module de Commande lui-même, les ingénieurs de la NASA se sont intéressés aux effets de la chaleur irradiée par cette boule de feu sur les parachutes du module de commande. Le but était d'éviter qu'après avoir échappé à l'explosion initiale, les astronautes soient précipités au sol d'une hauteur d'un millier de mètres !
High et Fletcher ont utilisé des modèles mathématiques et des informations empiriques glanées lors d'explosions au niveau du sol, tel l'accident survenu le 2 mars 1965 à une Atlas-Centaur, pour calculer la taille, la durée et l'émission thermique d'une boule de feu. Ils ont toutefois admis que certaines de leurs conclusions n'étaient que des suppositions.
Les deux ingénieurs sont partis du principe que pratiquement tous les ergols seraient consumés par cette boule de feu, l'alimentant même après l'explosion initiale. Ils ont basé cette hypothèse sur la croyance que l'explosion initiale provoquerait la rupture de tous les réservoirs d'ergols et que tout résidu non brûlé se consumerait par-dessous et l'alimenterait.
En se fondant sur ce postulat, ils ont calculé qu'une boule de feu produite par l'explosion d'une Saturne V sur son pas de tir aurait un diamètre de 430 mètres, resterait 33,9 secondes à ce même diamètre, et ont estimé que la chaleur produite atteindrait 1 370 °C et serait ressentie à 1,5 km à la ronde. Elle atteindrait par ailleurs l'altitude de 100 mètres en 15 secondes. Ils ont ensuite calculé les températures générées en divers points sur un rayon de 600 mètres à partir du centre de la boule de feu. Ces informations cruciales ont été utilisées pour concevoir le L.E.S.
Les causes potentielles d'une explosion sur le pas de tir
De l'avis de tous les spécialistes, l'occurrence la plus probable d'une explosion de Saturn V sur son pas de tir serait une collision avec la tour de lancement. Une telle collision entraînerait inévitablement la rupture des réservoirs d'ergols qui, au contact des gaz d'échappement des moteurs, engendrerait une explosion en une fraction de seconde.
La collision d'une fusée avec sa tour de lancement a toujours été une crainte majeure pour ses concepteurs. Les ingénieurs ayant développé la Saturn I avaient placé une caméra pointée vers le bas, sur la tour de lancement, pour détecter toute déviation latérale.
En 1964, David Mowery du Centre Spatial Marshall a réalisé une étude pour déterminer les causes possibles d'une collision de Saturn V avec la tour de lancement. Cette étude a servi aux concepteurs du L.E.S. pour ajouter les capteurs et senseurs nécessaires permettant d'activer le système automatiquement en cas de besoin.
La Saturn V était maintenue sur le pas de tir par quatre bras « hold-down arms » pesant chacun 18 tonnes, jusqu'à ce que les cinq moteurs F1 atteignent leur poussée optimale. Pour des raisons structurelles, ces bras ne pouvaient pas libérer la Saturn V instantanément. Les ingénieurs du Marshall ont donc développé un système permettant de « lâcher » la fusée graduellement. La pression de maintien d'environ 350 tonnes pour chaque bras diminuait linéairement jusqu'à zéro en 0,6 secondes. Ce système devait fonctionner à la perfection car le moindre écart pouvait créer un déséquilibre fatal.
C'est également pour cela que les moteurs étaient allumés à 300 millisecondes d'intervalle dans l'ordre 1-2-2, d'abord le moteur central (105) puis par paire opposée (101+103 et 102+104), afin de réduire les contraintes.
Au total, Mowery a répertorié 7 causes susceptibles de dévier la trajectoire de la Saturn V lors du décollage :
- Une variation de plus ou moins 15% de la pression exercée par un bras de maintien
- Une variation dans la poussée d'un moteur supérieure ou égale à 4%
- Un mauvais alignement des moteurs
- Un déport du centre de gravité du lanceur
- Le vent
- Une panne moteur
- Un moteur dont on ne peut plus contrôler l'orientation
Pour diriger la Saturn V, la poussée des moteurs montés en périphérie (101, 102, 103 et 104) était orientable de 6° sur chaque axe (X et Z). Le blocage de l'orientation d'un moteur pendant le temps que met la Saturne V pour dépasser la tour de lancement pouvait précipiter le lanceur sur cette dernière.
De même, une panne moteur (au moins deux moteurs) pouvait provoquer une collision avec la tour.
Mowery est arrivé à la conclusion qu'un défaut d'alignement du lanceur, ou le vent, ou les deux combinés, ne pouvaient pas aboutir à une catastrophe, le phénomène étant compensé par l'orientation adéquate des moteurs. La Saturn V a été conçue pour être lancée avec un vent maximal au niveau du sol (mesuré à 18 mètres de hauteur) d'environ 40 km/h (22 nœuds).
En conclusion, le risque le plus important pour une Saturn V restait donc une panne du système d'orientation des moteurs, ou une panne moteur (au moins deux) pendant le laps de temps que mettait la Saturn V pour dépasser la tour de lancement (en moyenne 10 secondes) qui mesurait 116,16 mètres de haut. Les ailerons de stabilisation, A et B ne se trouvaient qu'entre 12 et 14 mètres de la structure métallique !
Le bilan : un succès malgré les risques
La NASA a lancé 13 Saturn V sans aucune panne catastrophique. Des problèmes moteurs occasionnels ont certes été rencontrés, mais jamais rien de suffisamment grave pour mettre en péril la mission.
Lors du premier lancement d'une Saturne V (SA-501) le 9 novembre 1967, Rocco Petrone était assis dans le Centre de Contrôle des Lancements situé à quelque 5,6 km du pas de tir, avec une main juste à côté du bouton qui permettait de libérer les protections des baies vitrées en cas d'explosion… Il confiera plus tard qu'il a toujours été convaincu qu'en cas d'explosion d'une Saturn V, il resterait là, sans rien faire, à regarder !
L'héritage de Saturn V : le pas de tir 39B
Le pas de tir 39B, l'un des deux sites de lancement du Complexe de lancement 39 au Centre spatial Kennedy, a été le théâtre de nombreux décollages historiques, dont celui de la Saturn V. Ce pas de tir a permis 59 décollages au total. Le premier a eu lieu le 18 mai 1969.
Trois lanceurs orbitaux ont décollé de ce pas de tir :
- Saturn V : 1 tir en 1969
- Saturn IB : 4 tirs de 1973 à 1975
- STS (Navette Spatiale) : 53 tirs de 1986 à 2006
Le dernier tir est celui d'Ares I-X, ni orbital, ni sub-orbital, le 28 octobre 2009. Ares n'a jamais atteint les 100 km de la définition d'un vol suborbital. L'altitude atteinte était de 46 km et la distance parcourue de 230 km.
Le pas de tir 39B a été le théâtre de plusieurs adaptations au fil des programmes spatiaux. Le dernier lancement de Saturn V emporte la station spatiale Skylab en orbite LEO en lieu et place du troisième étage.
La "Rubber Room" : un refuge en cas d'explosion
Les pas de tir 39A et 39B du Centre Spatial Kennedy possédaient chacun une « Rubber Room », conçue pour résister à une éventuelle explosion de la fusée remplie d’ergols. La « Rubber Room » se caractérisait par une structure circulaire dotée d’un plafond en forme de dôme. Son plancher était conçu pour « flotter », soutenu par des ressorts et des amortisseurs. La sortie de la « Rubber Room » s’effectuait à travers un tunnel de 366 mètres de long, qui débouchait à l’extérieur de la zone de lancement. Un ascenseur à grande vitesse permettait aux astronautes de descendre rapidement depuis la tour de lancement.
Après la fin du programme Apollo, les « Rubber Rooms » ont été mises de côté. Lors de la rénovation des plateformes pour la navette spatiale, elles ont été répertoriées comme « abandonnées sur place » plutôt que de subir une rénovation. En 2012, la salle B a été fermée en raison de risques liés à la peinture au plomb. Lorsque SpaceX a loué la plate-forme A en 2014, les termes de l’accord ont inclus la préservation de la « Rubber Room ».
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