Module lunaire Apollo

Au fur et à mesure de l'avancement des études, beaucoup de ces caractéristiques vont être remises en question.

Les hublots qui reprenaient, dans la proposition de départ, la disposition bombée d'une cabine d'hélicoptère pour procurer la vision la plus complète au pilote — ce qui était jugé essentiel pour les manœuvres délicates d'atterrissage et de rendez-vous —, voient leur taille se réduire, pour des raisons de rigidité structurelle et de contrôle thermique, à deux petits triangles de verre inclinés vers le bas, ne représentant plus que 10 % de la surface initiale.

Deux possibilités d'arrimage au module de commande et de service Apollo étaient prévues : une écoutille placée au sommet de l'étage de remontée devait être utilisée avant le débarquement sur la Lune, tandis que l'écoutille située sur la face avant était utilisée au retour lors du rendez-vous orbital lunaire pour permettre au pilote de contrôler visuellement son approche à travers les hublots : finalement, pour gagner en poids (s'il y a arrimage, il faut un tunnel et des renforts structurels), un petit hublot est ajouté dans la partie supérieure de l'étage de remontée, permettant d'utiliser également l'écoutille supérieure au retour[8].

Le Centre spatial Marshall de la NASA, à Houston, assiste Grumman dans la phase de conception et réalise les tests de réception.

Les ergols utilisés par les moteurs de remontée ont une masse différente. Chaque type d'ergol est réparti dans deux réservoirs, pour permettre une répartition symétrique de la masse. Ce schéma retenu pour l'étage de descente est abandonné dans l'étage de remontée : chaque type d'ergol sera stocké dans un seul réservoir. La distance entre chaque réservoir et l'axe de poussée sera différente, pour ne pas déséquilibrer le vaisseau. Cette disposition donne une apparence nettement dissymétrique à la silhouette de l'étage de remontée[9].

Pour économiser le poids et le volume de la cabine, les sièges des astronautes sont remplacés par de simples harnais qui maintiennent les astronautes dans les phases d'impesanteur ou de forte accélération : cette solution, viable dans le contexte de gravité généralement nulle ou faible de la mission, est acceptée par les astronautes ; elle permet au pilote, plus proche du hublot (« dans une position de conducteur de tramway », dit l'astronaute Conrad), d'avoir une meilleure visibilité sur l'extérieur[8].

Des essais dans un environnement simulant la gravité lunaire remettent en cause le dessin de l'écoutille avant ainsi que la méthode proposée pour la descente sur le sol lunaire (une corde). On donne alors une forme carrée à l'écoutille (elle était ronde à l'origine) et on l'agrandit fortement pour que les astronautes puissent passer sans encombre ; une plate-forme est ajoutée devant l'écoutille, ainsi qu'une échelle à son aplomb portée par une des jambes du train d'atterrissage[10].

Deux solutions sont étudiées pour le positionnement des équipements : à l'intérieur de la cabine pressurisée, à portée de main des astronautes, ou à l'extérieur. La solution retenue est un compromis : une partie des équipements est logée à l'extérieur de la cabine pressurisée (essentiellement sur la face arrière). Le vaisseau ne doit voler que dans le vide spatial : les ingénieurs en tirent les conséquences et éliminent dans la forme extérieure tout ce qui relève d'une recherche d'aérodynamisme et accroît le volume pressurisé. La forme résultante, peu esthétique, vaut au module lunaire les surnoms de « punaise » (bug) et « araignée » (spider).

Ces modifications, ainsi que d'autres non citées, donnent à la cabine des formes si torturées que, dans certains cas, les ingénieurs de Grumman choisissent d'assembler les éléments de la structure du LEM par rivetage (au lieu de la soudure), au grand mécontentement des représentants de la NASA, qui émettront longtemps des doutes sur l'étanchéité de la cabine pressurisée[9].

Début mai 1963, plusieurs caractéristiques importantes ne sont toujours pas définies et la masse du module lunaire continue de croître. Toutefois, l'évolution prévisible de la puissance de la fusée Saturn V donne de la marge, puisque celle-ci peut désormais emporter un module lunaire de 13 tonnes contre les 9 tonnes prévues au lancement de l'appel d'offres.

La configuration du train d'atterrissage est l'objet de nombreux débats, car les ingénieurs ne disposent jusqu'en 1966 d'aucune donnée précise sur la consistance du sol lunaire[N 5]. Dans le doute, la NASA modifie ses spécifications initiales en demandant à Grumman de faire passer la taille des semelles situées à l'extrémité des jambes du train d'atterrissage de 22 à 91 cm de diamètre. Mais dans cette nouvelle configuration, le LEM ne tient plus dans le carénage qui doit l'accueillir au sommet de la fusée Saturn V : il faut donc prévoir un train d'atterrissage articulé, qui ne sera déplié qu'une fois le module lunaire extrait de son carénage. Pour des raisons d'encombrement également, le nombre de jambes passe de cinq à quatre, après avoir envisagé de le réduire à trois. Cette dernière solution est écartée, car elle aurait condamné à mort les astronautes en cas de rupture d'une jambe à l'atterrissage[8].

Moteur de l'étage de remontée.

Le module lunaire doit disposer de deux moteurs-fusées de conception nouvelle (un par étage) et de seize petits moteurs de contrôle d'attitude, regroupés par grappes de quatre et situés sur l'étage de remontée.

Le moteur de l'étage de descente a des caractéristiques qui en font sans doute la plus grande innovation technique de tout le projet Apollo dans le domaine des moteurs : pour pouvoir poser le LEM sur la Lune, la poussée du moteur doit être à la fois orientable (de 6° maximum[11] par rapport à l'axe vertical), et surtout modulable entre 4,7 et 43,9 kN[N 6]^,[11]. Pour limiter le risque, Grumman demande à deux industriels de construire un prototype en se proposant de sélectionner à l'échéance le projet le plus abouti : la société Rocketdyne propose de moduler la poussée grâce à l'injection d'un flux d'hélium, tandis que Space Technology Laboratories (STL) choisit de faire varier le débit de carburant grâce à des vannes et un injecteur à superficie variable. Début 1965, les deux fabricants ont obtenu des résultats sensiblement identiques : Grumman sélectionne Rocketdyne, mais la NASA intervient et impose le choix de STL, pour que Rocketdyne puisse se concentrer sur les développements que cet industriel mène dans le cadre du programme Gemini[12].

Lorsque le projet Apollo est lancé, la NASA estime nécessaire que l'équipage puisse calculer les paramètres complexes du vol sans dépendre des moyens de calcul situés sur Terre : en orbite autour de la Lune, il faut en effet composer avec le temps de latence entre deux échanges Terre-Lune (3 secondes pour l'aller-retour), la nécessité de réagir rapidement dans la phase de descente vers le sol lunaire, les problèmes de communication qui peuvent survenir, etc[13].

Pour répondre à ce besoin, il est prévu que le module lunaire dispose d'un système de navigation et de pilotage complexe (le Primary Guidance, Navigation and Control System, ou PGNCS) construit autour d'une centrale à inertie et d'un ordinateur (le LGC, LEM Guidance Computer). Ce dernier prend en charge, grâce à des programmes de navigation élaborés, à la fois la détermination de la position du LEM dans l'espace, le calcul de la trajectoire à suivre et le pilotage automatique (force et direction de la poussée des moteurs).

L'ordinateur LGC0.

La NASA, qui suit directement cette fourniture, exige que le système fourni par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et installé dans le Module de Commande, soit repris dans le LEM malgré une évaluation négative de Grumman. Le MIT avait l'expérience d'ordinateurs embarqués à bord de sondes spatiales et plus récemment du missile Polaris[13]. La première version du LGC, fabriquée en 1963, est d'ailleurs une extrapolation de celui utilisé dans les missiles Polaris. Pour diminuer le poids et accélérer le temps de traitement, le MIT choisit de remplacer les transistors par des circuits intégrés. La fabrication des circuits intégrés à l'époque vient tout juste d'être lancée (1961) et leur fiabilité n'a pas encore pu être prouvée[N 7]. Le MIT achète à cette époque 60 % de la production mondiale pour les besoins des ordinateurs des vaisseaux Apollo[14]. La mise au point du système de Navigation et de Pilotage, fortement interfacé avec d'autres sous-systèmes du LEM, est longue et difficile : il faudra que la NASA s'implique fortement dans les relations entre le fabricant du LEM et son sous-traitant MIT pour que les principaux problèmes soient aplanis dans les délais impartis[15].

L'autonomie théorique procurée par le système de navigation et de pilotage sera fortement réduite lorsque les missions Apollo seront élaborées : c'est le contrôle au sol à Houston qui fournira en réalité les principaux paramètres, tels que la position du LEM ainsi que le vecteur de la poussée avant chaque allumage des moteurs. Houston dispose au moment des premiers vols vers la Lune de moyens de calcul plus puissants et, grâce à la télémétrie, connaît parfaitement la position des vaisseaux et leur trajectoire. Une fois une phase de vol engagée, c'est toutefois à l'ordinateur de bord d'appliquer les corrections nécessaires, en se basant sur ses capteurs et ses capacités de calcul. Par ailleurs, l'ordinateur joue un rôle essentiel pour le contrôle des moteurs (fonction autopilote) et gère de nombreux sous-systèmes, ce qui lui vaut le surnom de quatrième homme de l'équipage[13]. Sans l'ordinateur, les astronautes n'auraient pu poser le LEM sur la Lune, car lui seul pouvait optimiser suffisamment la consommation de carburant pour se contenter des faibles marges disponibles[16].

Il est prévu que le LEM dispose de deux radars : l'un utilisé pour l'atterrissage, l'autre pour le rendez-vous avec le CSM. La NASA va longtemps hésiter pour des raisons de poids et de performance, entre l'installation d'un radar de rendez-vous et un système purement optique[17].

Manuel de familiarisation distribué par le maître d'œuvre Grumman à ses employés (1964).

La NASA est, dès le lancement du programme Apollo, très sensible aux problèmes de fiabilité. L'envoi d'astronautes sur la Lune est une entreprise beaucoup plus risquée que les vols spatiaux autour de la Terre. Pour les missions en orbite terrestre, en cas d'incident grave, le retour est assuré relativement facilement par une brève poussée des rétrofusées. Une fois en orbite lunaire ou, cas encore plus délicat, sur le sol lunaire, le retour des astronautes sur Terre nécessite que les principaux sous-systèmes du module lunaire ne connaissent aucune défaillance. Ces objectifs font du module lunaire un système complexe donc susceptible d'avoir un taux de panne élevé.

Comme sur le module de service, les ergols liquides retenus pour les moteurs sont hypergoliques, c'est-à-dire qu'ils s'enflamment spontanément quand ils sont mis en contact et ne sont pas à la merci d'un système d'allumage défaillant. Leur mise sous pression est effectuée classiquement grâce à de l'hélium, supprimant le recours à une fragile turbopompe. Il n'est à l'époque pas du tout envisagé de recourir aux carburants cryogéniques (Oxygène/Hydrogène), plus performants mais dont le stockage et la mise en œuvre auraient été beaucoup plus délicats.

Pour parvenir au taux de fiabilité visé, la NASA envisage d'abord de donner aux astronautes la possibilité de réparer les composants défaillants. Mais ce choix suppose de les former à des systèmes nombreux et complexes, d'emporter des outils et des pièces de rechange et de rendre accessibles les composants à réparer, ce qui les rend vulnérables à l'humidité et à la contamination. La NASA renonce à cette solution en 1964[17] et décide d'intégrer dans la conception du vaisseau des solutions de contournement fournissant une alternative pour chaque anomalie susceptible de se produire. En cas de panne de sous-systèmes complets jugés vitaux, des systèmes de secours doivent pouvoir prendre le relais dans un mode plus ou moins dégradé. Ainsi le système de navigation (ordinateur + système inertiel) dispose d'un système de secours développé par un autre constructeur, pour éviter qu'une même faille logicielle mette en panne les deux systèmes. Les quatre groupes de moteurs de contrôle d'attitude sont regroupés par paires indépendantes, chacune d'entre elles pouvant couvrir le besoin en mode dégradé. Le système de régulation thermique est doublé. Les circuits d'alimentation électrique sont également doublés. L'antenne de télécommunications en bande S peut être remplacée par deux antennes plus petites en cas de défaillance. Il n'y a néanmoins pas de parade à une panne de moteur : seuls des tests poussés avec un maximum de réalisme peuvent permettre d'atteindre le taux de fiabilité attendu. Des solutions techniques conservatrices mais éprouvées sont dans certains cas retenues : c'est le cas de l'énergie électrique (choix des batteries), des systèmes pyrotechniques (choix de systèmes existants standardisés et éprouvés), ainsi que l'électronique de bord (les circuits intégrés, bien qu'acceptés dans les ordinateurs, ne sont pas retenus pour le reste de l'électronique).

Selon Neil Armstrong, les responsables du projet avaient calculé qu'il y aurait environ 1 000 anomalies à chaque mission Apollo (fusée, CSM et LEM), chiffre extrapolé du nombre de composants et du taux de fiabilité exigé des constructeurs. Il y en aura, en fait en moyenne 150[N 8] ce qu'Armstrong attribue à l'implication exceptionnellement forte des personnes ayant travaillé sur le projet[18]. Aucune des pannes du LEM n'empêcha les équipages Apollo de remplir leurs principaux objectifs.

Pas moins de cinq maquettes plus ou moins complètes sont réalisées par Grumman entre 1963 et 1964 (la dernière M5 en octobre 1964), pour mettre au point et faire valider par la NASA les spécifications du Module Lunaire[19].

Quinze modules lunaires seront construits. Sur ce nombre, deux d'entre eux ne voleront pas (les LM-2 et LM-9), les trois derniers resteront inachevés, à la suite de l'interruption du programme Apollo (les LM-13, LM-14 et LM-15), trois seront utilisés pour les tests en vol (les LM-1, LM-3 et LM-4), enfin, le LM-7 ne s'est jamais posé sur la lune, à la suite de l'interruption de la mission Apollo 13. Par ailleurs, six LEM seront construits pour les tests au sol (LTA : Lunar Module Article) : le LTA-2 pour les tests de vibration, le LTA-10 utilisé pour les tests de compatibilité avec la fusée Saturn, le LTA-1 à usage interne, le LTA-8 pour les tests thermiques et d'exposition au vide et enfin les LTA-3 et LTA-5, sur lesquels sont effectués les tests structuraux combinés de vibrations, accélérations et essais moteurs[20]. Deux simulateurs statiques sont également fabriqués par Grumman[7].

Maquette du module lunaire LTA-2R en cours d'installation sur Apollo 6 pour tester en vol le comportement dynamique de sa structure.

Le LEM d'Apollo 15 sur la Lune avec le rover lunaire.

Début 1965[N 9], les principales interrogations concernant la conception sont levées. La fabrication de sous-ensembles du LEM et les tests sont lancés. Mais le projet se heurte à des problèmes de dépassement budgétaire, de management et de méthodologie de test.

Cette année-là, le programme Apollo dans son ensemble doit faire face à une décrue budgétaire programmée. Or, les coûts des différents modules sont en train d'exploser. La NASA renégocie avec Grumman un contrat comportant des clauses incitant le fabricant à rester dans l'enveloppe budgétaire attribuée au module lunaire qui est désormais, tous intervenants confondus, fixée à 1,42 milliard de dollars[20].

En 1965, les concepteurs du module lunaire n'ont encore qu'une idée imprécise du poids final de l'engin, mais la limite des 13,3 tonnes imposée par les capacités de la fusée Saturn V est rapidement dépassée. Des mesures ponctuelles, comme l'abandon du radar de rendez-vous au profit d'un système optique (mais un veto des astronautes imposera in fine l'installation du radar), n'étaient pas suffisantes. Le module lunaire, malgré un relèvement de la masse autorisée à 14,85 tonnes début 1965, est de nouveau en surpoids. Thomas J. Kelly, chef du projet chez Grumman, conscient que le LEM dans sa version finale, risque de ne pas répondre aux contraintes de masse, lance au cours de l'été 1965 un programme spécifique pour la chasse aux excédents de poids. L'allègement des structures ne va permettre d'économiser que 50 kg ; une masse de 1 100 kg est gagnée, en grande partie en remplaçant les boucliers thermiques rigides situés près des moteurs par un millefeuille constitué de couches alternées d'aluminium et de mylar. Mais ces allègements, en fragilisant la structure, rendront la construction et la manipulation du LEM très délicate[21].

Grumman rencontre de nombreux problèmes de fabrication qui affectent le planning de livraison : le suivi des nombreux sous-traitants n'est pas assez serré et les tests réalisés se révèlent insuffisants compte tenu de la complexité du véhicule. La mise au point du moteur de descente rencontre des problèmes graves (érosion du divergent), que le constructeur n'arrive pas à corriger. Fin 1966 les LM-1 et 2 sont en cours de tests chez le constructeur, tandis que les LM-3 à LM-7 en sont à différents stades de fabrication[22].

En 1967 et jusqu'à juin 1968, le moteur de l'étage de remontée, conçu par Bell, a des problèmes de stabilité qui incitent la NASA à faire développer un nouvel injecteur par la société Rocketdyne[23].

L'incendie de la capsule Apollo 1 (27 janvier 1967), provoqué par un court-circuit en atmosphère d'oxygène pur, n'entraîne pas de révision de la conception du module lunaire. En revanche, les exigences de qualité sont revues à la hausse par la NASA, ce qui nécessite la modification de certains composants. Le calendrier du projet Apollo est repoussé de 19 mois, ce qui permet au LEM de combler une partie de son retard[24].

Début 1968, des traces de corrosion sous contrainte sont découvertes dans la structure en alliage d'aluminium des LEM : des renforcements ponctuels et un changement d'alliage pour les LEM restant à construire sont décidés[23]. Toujours en 1968, le câblage électrique s'avère trop fragile et sujet à des ruptures[23].

Parallèlement au programme Apollo, la NASA lance plusieurs programmes qui doivent valider les choix effectués et permettre de préparer les futures missions lunaires. En 1965, trois satellites Pegasus sont placés en orbite par une fusée Saturn I pour évaluer le danger représenté par les micrométéorites ; les résultats seront utilisés pour dimensionner la protection des vaisseaux Apollo[25]. Les sondes Ranger (1961-1965), après une longue série d'échecs, ramènent à compter de fin 1964 une série de photos de bonne qualité, qui permettent de définir les zones d'atterrissage.

Le programme Lunar Orbiter, composé de cinq sondes qui sont placées en orbite autour de la Lune en 1966 et 1967, complète ce travail : une couverture photographique de 99 % du sol lunaire est réalisée, la fréquence des micrométéorites dans la banlieue lunaire est déterminée, ainsi que l'intensité du rayonnement cosmique. Le programme permet également de valider le fonctionnement du réseau de télémesure : les mesures effectuées permettent de déterminer que le champ de gravitation lunaire n'est pas homogène, contrairement à celui de la Terre, rendant dangereuses les orbites avec des périgées à basse altitude. Le phénomène, sous-estimé, abaissera à 10 km le périgée du LEM d'Apollo 15, dont l'équipage était endormi, alors que la limite de sécurité avait été fixée à 15 km[26].

La technique du rendez-vous spatial, à la base de la création du module lunaire, est testée en vol avec succès avec un étage Agena par l'équipage de Gemini 8 le 16 mars 1966. Le 2 juin de la même année, la sonde Surveyor 1 effectue le premier atterrissage en douceur sur la Lune, fournissant des informations précieuses et rassurantes sur la consistance du sol lunaire (le sol est relativement ferme).

Le LLRV est un simulateur volant qui reproduit le comportement du LEM en gravité lunaire.

La phase finale de l'atterrissage sur la Lune est un exercice difficile : pour des raisons de poids, la marge de carburant disponible est très faible (sur l'ensemble des missions Apollo, il restera entre 3 et 6 % de carburant dans les réservoirs du LEM à l'atterrissage, soit 2 minutes de vol au maximum[27]) et il faut trouver sur un sol lunaire constellé de cratères et de blocs de pierre, un terrain suffisamment plat pour que le LEM ne bascule pas au moment de l'atterrissage et qu'il puisse par la suite redécoller (ce qui nécessite moins de 20 % de pente). Les vitesses verticale et horizontale à l'atterrissage doivent être limitées, pour éviter que le train d'atterrissage ne se brise ou que le LEM bascule, ce qui aurait condamné les pilotes. On demande également au pilote d'effectuer un atterrissage précis : chaque mission a pour objectif de poser le LEM dans une zone sélectionnée à l'avance pour son intérêt géologique. Certaines des missions seront confrontées à deux autres problèmes : une luminosité gênant la reconnaissance des reliefs et, en phase finale (à compter de 30 mètres d'altitude pour Apollo 15), la poussière soulevée par le jet du moteur-fusée, qui empêche de distinguer les reliefs et de connaître la vitesse horizontale résiduelle à ce moment critique. Poser un tel engin du premier coup, sans faire d'erreurs et en ne l'ayant jamais réellement piloté, nécessitait un entraînement intensif sur Terre.

Aussi, trois types de simulateurs de vol sont mis à la disposition des astronautes, pour qu'ils puissent s'entraîner à manœuvrer le module lunaire dans des conditions s'approchant au maximum de celles rencontrées sur la Lune[28] :

• Un simulateur fixe, qui permet aux astronautes de maîtriser les procédures normales et d'urgence, ainsi que de s'entraîner à repérer et atterrir sur le site choisi pour la mission : à cet effet, le pilote dispose d'une vue filmée par une caméra qui survole une maquette en trois dimensions de la région du site.
• Une maquette de module lunaire, suspendue à un portique au-dessus d'un terrain configuré comme la surface de la Lune.
• Un engin volant complètement libre, le LLRV, dont le comportement reproduit celui du module lunaire, grâce à la poussée d'un turboréacteur monté sur cardan et piloté par un ordinateur à l'aide de commandes de vol électriques, qui annule en permanence cinq sixièmes de la gravité terrestre. Trois des cinq exemplaires du LLRV (surnommé « sommier volant ») seront détruits en vol au cours des vols de formation et de test, sans faire de victimes (Neil Armstrong échappera à la mort à une seconde près, lors d'un vol d'entrainement au cours duquel il dut s'éjecter, peu de temps avant son envol historique vers la lune).

La structure du module lunaire est, pour l'essentiel, réalisée avec un alliage d'aluminium choisi pour sa légèreté. Les pièces sont généralement soudées entre elles mais parfois également rivetées. La paroi extérieure de l'étage de remontée est constituée par une structure d'aluminium en nid d'abeille prise en sandwich entre deux feuilles d'aluminium de 0,305 mm, une épaisseur suffisante pour supporter l'atmosphère pressurisée de la cabine. L'isolation thermique est assurée par une feuille d'aluminium liée à des panneaux d'acier à structure en nid d'abeille remplie d'un matériau isolant en verre phénolique.

Le corps de l'étage de descente, qui pèse plus de 10 tonnes, a la forme d'une boîte octogonale d'un diamètre de 4,12 mètres et d'une hauteur de 1,65 mètre. Sa structure, constituée de deux paires de panneaux parallèles assemblés en croix, délimite cinq compartiments carrés (dont un central) et quatre compartiments triangulaires. Le corps de l'étage est enveloppé dans plusieurs pellicules de matériaux servant d'isolant thermique. Cette protection est renforcée près de la tuyère du moteur de descente.

La fonction principale de l'étage de descente est d'amener le LEM sur la Lune. À cet effet, l'étage dispose d'un moteur fusée à la fois orientable et à poussée variable. La modulation de la poussée permet d'optimiser la trajectoire de descente, mais surtout de poser en douceur le LEM, qui s'est fortement allégé en consommant ses ergols. Le comburant — du peroxyde d'azote (5 tonnes) — et le carburant — de l'aérozine 50 (3 tonnes) — sont stockés dans quatre réservoirs placés dans les compartiments carrés situés aux quatre coins de la structure. Le moteur se trouve dans le compartiment carré central.

Le deuxième rôle de l'étage de descente est de transporter tous les équipements et consommables qui peuvent être abandonnés sur la Lune à la fin du séjour, ce qui permet de limiter le poids de l'étage de remontée. Les quatre compartiments triangulaires délimités par la structure octogonale reçoivent :

• Les consommables utilisés durant la phase de descente et le séjour sur la Lune (oxygène, eau, batteries électriques) ;
• Les équipements scientifiques : les équipements embarqués dépendent des missions mais comprennent toujours au moins un ensemble ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package), qui regroupe des instruments qui partagent la même source d'énergie (un générateur thermoélectrique à radioisotope) et un système de télécommunications qui communique les données collectées au centre de contrôle sur Terre. Parmi les instruments, on trouve un sismomètre, un magnétomètre, un spectromètre, une station météorologique, des collecteurs de particules, etc.
• Les outils : marteau, foreuse…
• Les véhicules lunaires : brouette pour Apollo 14, puis rover lunaire à partir d'Apollo 15.

Pour se poser sur un sol lunaire, dont la consistance est mal connue au moment de la conception du LEM, l'étage de descente dispose d'un train d'atterrissage[N 10] comportant quatre jambes largement écartées pour procurer la meilleure stabilité à l'atterrissage. Chaque jambe se termine par une semelle d'un diamètre de 94 cm, qui doit limiter l'enfoncement du LEM même dans un sol très meuble. Des structures en nid d'abeille, situées au niveau des jambes et des semelles, s'écrasent au moment de la prise de contact avec le sol et jouent ainsi le rôle d'amortisseur : le train d'atterrissage est conçu pour supporter une vitesse horizontale de 1,22 m/s et une vitesse verticale de 2,43 m/s (3 m/s si la vitesse horizontale est nulle). La semelle de chaque pied est prolongée vers le bas par une tige longue de 1,50 mètre qui, au moment du contact avec le sol, allume un voyant sur le tableau de bord ce qui doit donner le temps au pilote d'éteindre le moteur avant le contact avec le sol. Le train d'atterrissage, stocké en position repliée au départ, est déployé lorsque le LEM est mis en orbite autour de la Lune[29].

L'étage de remontée du LEM d'Apollo 17 Challenger, peu avant l'accostage avec le module de commande America, après un séjour de trois jours sur la Lune.

L'étage de remontée pèse environ 4,5 tonnes. Sa forme complexe, qui résulte d'une optimisation de l'espace occupé, lui donne l'allure d'une tête d'insecte. Il est essentiellement composé de la cabine pressurisée, qui héberge deux astronautes dans un volume de 4,5 m³, et du moteur de remontée avec ses réservoirs d'ergols.

La trajectoire de retour vers le module de commande étant beaucoup plus simple, la poussée du moteur est constante. Les ergols — 910 kg de peroxyde d'azote et 1,4 tonne d'aérozine 50 — sont stockés chacun dans un unique réservoir mis sous pression par de l'hélium. L'architecture générale de l'étage est conçue de manière que le centre de masse et le centre de poussée du moteur soient très proches (moins d'un mètre) : le moteur est placé très haut (le sommet dépasse dans la cabine) et les réservoirs sont placés de part et d'autre de la cabine. Cette disposition limite le couple à exercer pour maintenir l'étage dans la direction voulue durant la phase propulsée. Le moteur n'est pas orientable, et les corrections sont réalisées par des moteurs de contrôle d'attitude (RCS, Reaction Control System) de 45 kg de poussée, regroupés en quatre grappes de quatre moteurs, situées à chaque angle de l'étage, et dont les actions combinées permettent d'agir selon les trois axes de lacet, de tangage et de roulis. Pour maximiser leur efficacité, ils sont écartés au maximum de l'axe de la poussée du moteur principal[30].

Cabine pressurisée : les astronautes en position de vol et au repos.

La partie avant de la cabine pressurisée occupe la plus grande partie d'un cylindre de 2,34 mètres de diamètre et de 1,07 mètre de profondeur. C'est là que se tient l'équipage lorsqu'il n'est pas en excursion sur la Lune. Le pilote (à gauche face à l'avant) et le commandant de bord sont debout, tenus par des harnais qui les maintiennent en place en impesanteur et durant les phases d'accélération. Sur la cloison avant, chaque astronaute a devant lui un petit hublot triangulaire de 0,18 m²[N 11] incliné vers le bas, qui lui permet d'observer le sol lunaire avec un bon angle de vision, ainsi que les principales commandes de vol et cadrans de contrôle, regroupés par panneaux généralement affectés à un sous-système. Les commandes et contrôles communs sont placés entre les deux astronautes (par exemple la console d'accès à l'ordinateur de navigation), certaines commandes sont doublées (commandes pilotant l'orientation et la poussée des moteurs), les autres commandes sont réparties en fonction des tâches assignées à chaque astronaute. Les panneaux de commandes et coupe-circuit se prolongent sur les parois latérales situées de part et d'autre des astronautes. Le pilote a au-dessus de sa tête un petit hublot de 0,07 m², qui lui permet de contrôler la manœuvre de rendez-vous avec le module de commande. En haut du panneau central situé face aux astronautes se trouve le télescope utilisé pour faire le point avec les astres, et au ras du plancher, l'écoutille de forme carrée (96 × 96 cm) qui est utilisée pour descendre sur le sol lunaire[31].

L'arrière de la cabine pressurisée est beaucoup plus exigu (1,37 × 1,42 m pour 1,52 m de haut) : son plancher est plus haut de 48 cm et, de plus, encombré par un capot recouvrant le sommet du moteur de remontée. Les parois latérales sont occupées par les rangements et, à gauche, par une partie du système de contrôle environnemental. Dans cette niche, les astronautes rangent le deuxième système de survie portable (le premier se trouve couché sur le plancher de la cabine avant entre les deux astronautes), la nourriture, les scaphandres de sortie avec les bottes et les casques, les sacs de déchets corporels… Derrière la cloison arrière se situe un compartiment non pressurisé, dans lequel est logée une grande partie des composants électriques et électroniques. Au plafond, se trouve l'écoutille utilisée pour passer dans le module de commande : derrière cette porte, on trouve un tunnel court (80 cm de diamètre pour 46 cm de long) comportant un système de verrouillage utilisé pour solidariser les deux vaisseaux. Les forces en jeu au moment de l'accostage, qui pourraient déformer le tunnel, sont amorties par des poutres qui les répercutent sur toute la structure[31].

Les panneaux de commande comportent environ 170 interrupteurs, en majorité à deux ou trois positions, répartis entre plusieurs panneaux de contrôle et plus de 80 afficheurs, dont plus de vingt fournissant des informations quantifiées (quatre afficheurs numériques, dix-huit indicateurs à aiguille…)[32]. L'électroluminescence, une technologie alors balbutiante[N 12], est utilisée pour éclairer les tableaux de commande et de contrôle : les voyants sont plus lisibles et la consommation électrique est diminuée[10].

Le LEM ne dispose pas de sas, qui aurait ajouté trop de poids. Pour descendre sur le sol lunaire, les astronautes font le vide dans la cabine et, à leur retour, ils pressurisent la cabine avec les réserves d'oxygène. Pour descendre, ils se glissent dans l'écoutille : celle-ci donne sur une petite plate-forme horizontale qui débouche sur l'échelle, dont les barreaux sont situés de part et d'autre d'une des jambes de l'étage de descente.

Schéma de la partie avant de la cabine.

Schéma de la console de l'ordinateur principal de navigation (LGC).

Cabine : vue vers l'avant.

Sur ce LEM (Apollo 11), on distingue bien l'électronique installée dans le compartiment arrière.

Le Module Lunaire embarque deux systèmes, qui réalisent la navigation (le calcul de la position et la définition de la trajectoire) et le pilotage (la gestion des commandes de vol conformément à la trajectoire retenue) du module lunaire. Chacun de ces systèmes repose sur un ordinateur : ce sont le LEM Guidance Computer (LGC) et l'Abort Guidance System (AGS). Ce dernier est mis en œuvre en cas de défaillance du LGC.

Le LGC, en français l'ordinateur de guidage du LEM, est un ordinateur effectuant des traitements en temps réel. Il est multitâche (jusqu'à huit tâches exécutées en parallèle). La mémoire utilise des mots de seize bits : elle est composée de 64 ko (32 000 mots) de mémoire morte, contenant l'ensemble des programmes, et de 4 ko (2 000 mots) de mémoire vive (effaçable) utilisée par les traitements. Les deux types de mémoire sont constitués de tores magnétiques : les programmes sont implantés dans l'ordinateur à la fabrication. Le processeur est constitué d'environ 5 000 portes NOR, réalisées à l'aide de circuits intégrés. Il pèse environ 35 kg[33].

Le LGC reçoit ses principales informations du système inertiel (IMU) ainsi que des deux radars, lorsque ceux-ci sont activés. Utilisant des programmes de navigation pour chaque phase de la mission, il est capable de piloter en direction et en poussée les deux moteurs principaux ainsi que les seize moteurs d'orientation, pour que LEM suive la trajectoire qui a été calculée. Les astronautes utilisent une console (DSKY) pour entrer des instructions : lancement de programme de navigation, demande d'information, réinitialisation de la position, saisie des paramètres de vol à exécuter, etc.

Le système inertiel doit être régulièrement recalé en effectuant un relevé de la position du LEM dans l'espace. À cet effet, les astronautes disposent du télescope optique d'alignement (AOT, Alignment Optical Telescope). Cet instrument permet de relever la position des étoiles et est interfacé avec l'ordinateur embarqué. Deux méthodes peuvent être utilisées. Lorsque le LEM navigue seul, l'astronaute entre une référence d'étoile dans l'ordinateur : celui-ci fait alors pivoter avec ses moteurs d'orientation le vaisseau de manière que l'étoile passe devant l'optique du télescope[N 13]). L'étoile va successivement couper l'abscisse et l'ordonnée d'un réticule qui s'affiche dans l'optique. L'astronaute signale à l'ordinateur au moyen de deux boutons situés sur la monture du télescope le moment où les deux lignes sont successivement coupées. En relevant la position de deux étoiles, l'ordinateur peut recalculer la position du LEM, et si besoin recaler la centrale inertielle. Lorsque le LEM ne peut pas pivoter librement — lorsqu'il est posé sur la Lune ou lorsqu'il est accouplé au module de commande —, l'astronaute fait pivoter le réticule de manière à recouper les deux lignes d'un réticule dédié. Il relève à chaque fois l'angle que fait le réticule, puis saisit les informations dans l'ordinateur[34]^,[35].

Le module lunaire dispose par ailleurs de deux radars :

• Le radar de rendez-vous (Rendezvous Radar) est utilisé pour la manœuvre de rendez-vous avec le Module de Commande, après sa remontée depuis la Lune et sa mise en orbite basse. Un transpondeur radar embarqué à bord du module de commande envoie un signal en réponse à l'émission du radar, qui est analysé et fournit la distance, la vitesse et l'angle que forme le vaisseau cible avec l'axe du LEM. Le radar a une portée nominale de 75 km. L'antenne du radar peut être pointée manuellement vers la cible par un astronaute. Elle peut être également maintenue pointée vers la cible par un système automatique autonome (qui comprend un gyroscope) ou par l'intermédiaire de l'ordinateur de bord. À partir du moment où le radar a accroché le transpondeur, la distance, la vitesse relative et le gisement (angle en abscisse et ordonnée) du module de commande sont affichés sur le tableau de bord[36].
• Le radar d'atterrissage (Lunar Radar) détermine l'altitude au-dessus du sol lunaire et la vitesse de défilement du LEM par rapport au sol. Il est installé sur l'étage de descente. Le radar est activé lorsque le vaisseau est descendu à moins de 15 km d'altitude, mais ses données ne sont utilisées par l'ordinateur de navigation qu'à partir de l'altitude de 12 km. L'antenne du radar a deux positions, pour pouvoir fonctionner lorsque le LEM est en phase de freinage (l'axe vertical du LEM est alors parallèle au sol lunaire) et en phase d'approche finale (axe vertical du LEM plus ou moins perpendiculaire au sol lunaire). À l'atterrissage, lorsque le sol est à moins de 15 mètres, en l'absence de vitesse horizontale, il ne peut plus fournir d'information valable : l'ordinateur utilise alors les données fournies par le gyroscope. Les données du radar sont affichées sur le tableau de bord[37].

Au cours des deux manœuvres de rendez-vous, au moment de l'approche finale, le pilote doit aligner exactement le module lunaire selon les trois axes avec le module de Commande. À cet effet, il dispose d'un système de visée optique, le COAS (Crewman Optical Alignment Sight). Cet instrument est monté sur le hublot supérieur destiné à la manœuvre. Il projette un réticule que le pilote doit superposer avec la cible située sur le Module de Commande[38].

Pour se signaler durant les manœuvres de rendez-vous avec le module de Commande, le LEM a des feux de position visibles à plus de 300 mètres : les conventions terrestres sont reprises : un feu rouge signale le côté bâbord, un vert le tribord et un feu blanc l'arrière ; par ailleurs deux feux, l'un blanc l'autre jaune, matérialisent sur la face avant l'axe horizontal[39]. Pour faciliter le repérage à grande distance par le module de commande, un feu scintillant (50 éclats par seconde) émet une lumière visible à près de 700 km (400 nautiques)[40].

L'AGS (Abort Guidance System, système de guidage d'abandon) est un système de navigation et de pilotage destiné à remplacer le système principal (LGC), en cas de défaillance de celui-ci durant les phases de descente sur la Lune ou de remontée. L'activation de l'AGS entraîne l'interruption de la mission et le largage de l'étage de descente si le LEM est en cours d'atterrissage. L'AGS est conçu par une société différente TRW[N 14]. Il est composé de :

• Un ordinateur AEA (pour Abort Electronics Assembly), doté d'une mémoire vive de 4 ko et d'une mémoire morte de 4 ko dédiée aux programmes (mot de 18 bits). La mémoire utilise la même technologie que l'AGS.
• Un système inertiel ASA (pour Abort Sensor Assembly), très compact (4 kg), composé de trois accéléromètres.
• D'une console d'affichage et de saisie DSE (pour Data Sensor Assembly) : plus rudimentaire que celle du LGC, elle permet d'afficher et de saisir des données dans l'AGS.

L'ensemble pèse 28 kg et consomme une centaine de watts quand il est utilisé. Pour son fonctionnement, l'AGS exploite les données des radars et de son système inertiel. Plus simple que le système principal, il dispose des fonctions suivantes : ramener le vaisseau en orbite basse, effectuer les manœuvres pour placer le LEM en orbite de transfert, corriger l'orbite, effectuer la manœuvre de rendez-vous avec le module de Commande. Les programmes sont différents de ceux du LGC, pour éviter qu'une même faille de programmation se retrouve dans les deux systèmes.

Au démarrage, l'initialisation des caractéristiques de la position et de la trajectoire est réalisée soit par transfert depuis l'ordinateur de navigation principal, soit par saisie à l'aide de la console dédiée. Il agit sur la poussée du moteur principal et les moteurs d'attitude, conformément au programme sélectionné, et restitue au pilote certaines informations (altitude, vitesse) sur le tableau de bord. L'AGS est également utilisé pour vérifier les calculs de l'ordinateur de navigation principal, lorsque celui-ci fonctionne. Il fournit des informations télémétriques périodiques au Contrôle au sol[41].

Une partie du système de contrôle environnemental est dans la cabine, comme ici le très célèbre filtre à CO₂ « bricolé », qui permit aux astronautes de la mission Apollo 13 de ne pas mourir asphyxiés par le dioxyde de carbone.

Vue arrière du LEM d'Apollo 11 : Buzz Aldrin est en train de sortir un sismomètre de l'une des baies de l'étage de descente.

Le système de contrôle environnemental est chargé de fournir des conditions vivables pour les deux astronautes (oxygène, température), de maintenir l'électronique dans une fourchette de températures acceptable, de dépressuriser et pressuriser la cabine, de fournir l'eau pour l'alimentation (hydratation des aliments solides et boisson), l'extinction d'un éventuel incendie, le système de contrôle thermique et enfin d'alimenter en eau et oxygène le Système de Survie Portable (PLSS), utilisé par les astronautes durant les sorties extravéhiculaires (EVA)[42].

Les réserves d'eau et d'oxygène sont, pour l'essentiel, situées dans l'étage de descente pour ne pas alourdir l'étage de remontée. (186 litres d'eau sur 225). Le module lunaire dispose d'un système d'alimentation en oxygène en circuit fermé, comportant des filtres pour absorber le dioxyde de carbone.

Le contrôle thermique est à la fois passif et actif :

• Pour assurer un contrôle thermique passif, l'ensemble de l'étage est recouvert de plusieurs pellicules de matériau réverbérant la chaleur, qui fait également office de bouclier contre les micrométéorites. La protection principale est constituée de 25 couches de mylar sur un support d'aluminium, qui est maintenue écarté de 4 cm de la structure par des petits plots en nylon[N 15]. Dans les endroits exposés aux flammes des moteurs, un « film-H », matériau offrant plus de résistance à la chaleur, est appliqué.
• Le contrôle thermique actif repose sur un circuit de refroidissement, dans lequel circule un mélange eau-glycol qui traverse les équipements générateurs de chaleur situés à l'intérieur et à l'extérieur de la cabine pressurisée, pour maintenir la température dans une fourchette permettant leur fonctionnement. La chaleur est dispersée en premier lieu grâce à des radiateurs ; la chaleur qui subsiste est évacuée par sublimation d'eau en gaz. Un circuit de refroidissement de secours permet de pallier une panne du circuit principal[43].

Grumman, après avoir dans un premier temps étudié l'utilisation de piles à combustible pour fournir l'électricité, opte pour des batteries classiques, plus simples à mettre en œuvre, afin de tenir l'échéance[44].

L'énergie électrique est fournie par quatre batteries (cinq à partir d'Apollo 15) situées dans l'étage de descente et deux batteries situées dans l'étage de remontée. Ces batteries, non rechargeables, fournissent en tout 2 280 Ah (2 667 Ah à partir d'Apollo 15) sous une tension de 28 volts, par le biais de deux circuits indépendants redondants. Les anodes, en zinc et argent, sont plongées dans un électrolyte d'hydroxyde de potassium. Le poids total des batteries est de 358 kg (420 kg à partir d'Apollo 15). Le courant est transformé en 110 V 400 Hz pour alimenter les différents sous-systèmes. Des batteries indépendantes déclenchent les systèmes pyrotechniques (séparation d'étage, déploiement du train d'atterrissage, percussion des réservoirs…) et sont présentes dans les systèmes de survie portables (PLSS)[45].

Le LEM dispose de deux systèmes de télécommunications :

• Un émetteur-récepteur qui fonctionne en bande S sur la fréquence de 2,2 GHz, pour les communications longue distance avec la Terre (cette bande est utilisée parce qu'elle n'est que faiblement affectée par l'atmosphère terrestre). La NASA a développé des appareils (Unified S-band System, USB) qui permettent de transmettre à l'aide d'une même antenne des paquets de données, émissions télévisuelles ou vocales ainsi que de localiser l'émetteur. Le débit dépend de la nature des données transmises ;
• Un émetteur-récepteur VHF avec deux canaux, utilisé pour les communications locales entre les deux vaisseaux et entre les astronautes durant les sorties extra-véhiculaires. Le système VHF a une portée de 1 400 km.

Ces systèmes de communication permettent également au Centre de Contrôle sur Terre de récupérer des données télémétriques, qui permettent de connaître la position et la trajectoire du LEM par trigonométrie, en utilisant plusieurs stations de réception sur Terre. Des télémesures de l'état des différents sous-systèmes du vaisseau et les données biométriques des astronautes sont également récupérées en permanence par le Centre de Contrôle ; ces liaisons permettent aussi de télécharger des données dans l'ordinateur de navigation du LEM et de contrôler les données qui y sont stockées. L'équipage du LEM utilise ces canaux pour transmettre des images vidéo (télévision).

Le LEM dispose de plusieurs antennes :

• Une antenne parabolique orientable de 66 cm de diamètre en bande S. Le maintien de l'orientation de l'antenne parabolique est réalisé automatiquement dès que l'émetteur terrestre a été accroché. Deux petites antennes coniques fixes omnidirectionnelles couvrant chacune 180° en bande S servent de système de secours ;
• Deux antennes VHF, couvrant chacune 180° utilisées en vol ;
• Une antenne omnidirectionnelle VHF, utilisée sur le sol lunaire pour les sorties extravéhiculaires ;
• Une deuxième antenne parabolique de 61 cm de diamètre en bande S est déployée sur le sol lunaire (elle est montée sur le rover lunaire à partir de la mission Apollo 15) ;

Pour recevoir et émettre, les astronautes disposent d'un casque audio qu'ils peuvent porter sous leur tenue de sortie extravéhiculaire[46].

Le LEM des missions J permit d'embarquer le rover lunaire (Apollo 15).

Début 1969, la NASA lance des études pour s'assurer que la fusée Saturn V peut placer en orbite une charge plus lourde, et que le module lunaire peut effectuer des missions plus longues sur la Lune (missions dites « missions J »). Les conclusions positives (Saturn V, après évolution, peut satelliser deux tonnes supplémentaires) donnent le coup d'envoi au développement d'une version un peu plus lourde de l'étage de remontée du LEM[47].

Utilisée à compter de la mission Apollo 15 (première mission dite « J »), cette version du LEM est équipée de manière à pouvoir séjourner 67 heures sur la Lune (au lieu des 35 heures initiales) et transporter plus d'équipements scientifiques, ainsi que le rover lunaire. Les principales modifications sont :

• Une cinquième batterie dans l'étage de descente et un accroissement de la capacité par batterie de 400 à 425 Ah ;
• 500 kg de propergols supplémentaires dans l'étage de descente, pour prendre en compte l'alourdissement du LEM et donner plus de marge au pilote pour se poser. Les réservoirs sont allongés vers le bas de 10 cm ;
• Les réserves d'oxygène et d'eau sont accrues, pour faire face à la consommation supplémentaire des astronautes ;
• La protection thermique est améliorée, pour prendre en compte une durée d'exposition plus longue ;
• Le poids du matériel scientifique et d'exploration qui peut être logé dans les baies de l'étage de descente augmente de 180 kg, ce qui permet d'emporter le rover lunaire ;
• La tuyère du moteur de l'étage de descente est allongée de 25 cm, pour fournir une poussée plus importante ;
• Le revêtement de la chambre de combustion du moteur de descente est modifié pour réduire le phénomène d'ablation[48].

Le LEM dans son carénage : il en sera totalement extrait une fois effectuée la manœuvre d'accouplement avec le Module de Commande.

Les différentes configurations du module lunaire durant une mission Apollo.

Une fois placés en orbite basse, les vaisseaux Apollo (LEM et modules de Commande et de Service) ainsi que le troisième étage de la fusée effectuent une orbite et demie autour de la Terre, puis le moteur du troisième étage est rallumé pour insérer l'ensemble sur une orbite de transfert vers la Lune (c'est la manœuvre de TransLunar Injection, ou TLI). L'insertion se traduit par une augmentation de la vitesse de 3 040 m/s (10 000 km/h).

Le module lunaire est, depuis l’envol de la fusée Saturn V, stocké en position repliée dans un carénage — le SLA (Spacecraft Lunar Module Adapter) — situé entre le troisième étage de la fusée Saturn et les modules de Commande et de Service ceci afin d’alléger la puissance nécessaire à la tour de sauvetage : celle-ci ne peut arracher de la fusée que le vaisseau Apollo (CSM). Emporter le LEM et le CSM nécessiterait une taille trop importante de la tour de sauvetage[49].

Peu après la fin de la poussée, le Module de Commande et de Service (CSM) se détache du reste du train spatial puis pivote de 180° pour venir repêcher le LEM dans son carénage. Après avoir vérifié l'arrimage des deux vaisseaux et pressurisé le LEM, les astronautes déclenchent par pyrotechnie la détente de ressorts situés dans le carénage du LEM : ceux-ci écartent le LEM et le CSM du troisième étage de la fusée Saturn V à une vitesse d'environ 30 cm/s. Le troisième étage va alors entamer une trajectoire divergente[N 17] qui, selon les missions, le place en orbite autour du Soleil (orbite héliocentrique) ou l'envoie s'écraser sur la Lune.

Durant le trajet de 70 heures vers la Lune, des corrections peuvent être apportées à la trajectoire du CSM et du LEM pour optimiser la consommation finale de propergols. Initialement, le déroulement d’une mission Apollo prévoyait une quantité relativement importante de carburant pour ces manœuvres[N 18]. À l'usage, à peine 5 % de cette quantité sera consommée, grâce à la précision de la navigation. Le train spatial est mis en rotation lente, pour limiter l'échauffement des vaisseaux en réduisant la durée de l'exposition continue au Soleil. Cette manœuvre est appelée « refroidissement passif ».

Une fois arrivé à proximité de la Lune, le moteur du module de commande est allumé pour placer les vaisseaux en orbite en les freinant[N 19]. Si ce freinage n'est pas réalisé, la trajectoire permet aux vaisseaux de revenir se placer en orbite terrestre après avoir fait le tour de la Lune sans utiliser leurs moteurs (Cette disposition sauvera la mission Apollo 13). Un peu plus tard, le moteur du CSM est utilisé une deuxième fois pour placer les deux vaisseaux sur une orbite circulaire à 110 km d'altitude[50].

Pour économiser les propergols de l’étage de descente du LEM, la trajectoire de la descente est découpée en plusieurs phases : la première phase est l'abaissement de l'orbite, qui est suivi de la descente propulsée (Powered Descent), qui elle-même se décompose en une phase de freinage, une phase de repérage et une phase d’atterrissage.

La descente sur la Lune repose en grande partie sur le système de guidage, navigation et contrôle (PGNCS, Primary Guidance, and Control System), piloté par l'ordinateur embarqué (LGC). Celui-ci, d’une part va déterminer périodiquement la position et la trajectoire réelle du vaisseau, en utilisant d'abord la centrale inertielle puis le radar d'atterrissage (fonction de navigation), d’autre part, il va calculer la trajectoire à suivre en utilisant ses programmes, et piloter en fonction de tous ces éléments la poussée et l’orientation des moteurs (fonction de guidage). Le pilote du LEM peut certes corriger l’altitude en cours à tout moment et dans la dernière phase reprendre complètement la main sur les commandes des moteurs. Mais seul le système de navigation et de pilotage permet, en optimisant la trajectoire et la consommation des ressources, de poser le LEM avant d'avoir épuisé tout le carburant[51].

Le centre de contrôle au sol, situé à Houston, prend en charge l’initialisation du système de navigation : grâce aux données télémétriques fournies par ses échanges avec le vaisseau en bande S et ses programmes de simulation s’appuyant sur une modélisation détaillée de la surface et de la gravité lunaire, il peut calculer avec plus de précision que l’ordinateur du LEM les paramètres initiaux : la position et le vecteur vitesse du vaisseau spatial à l’allumage des moteurs, ainsi que le vecteur de la poussée à appliquer pour la première phase de la descente.

Les données calculées par le centre de contrôle sont introduites par les astronautes dans l’ordinateur de bord. Celui-ci va, au cours de la descente, exécuter successivement plusieurs programmes de guidage (un pour chaque segment de la trajectoire : abaissement d’orbite, freinage etc.) qui vont moduler la poussée et la direction du moteur de descente ainsi que les moteurs d’attitude[N 20]. L’ordinateur de bord actualise toutes les deux secondes sa position grâce aux mesures d’accélération de sa centrale inertielle (gyroscope) et aux mesures de vitesse de défilement du sol et d’altitude fournies par le radar dans les phases finales, lorsque le LEM est suffisamment proche du sol. À la demande des astronautes, l’ordinateur peut restituer les informations de navigation[52].

Déroulement de l'atterrissage sur la Lune.

L'objectif de cette phase est d'abaisser l'altitude du LEM de 110 km à 15 km au-dessus du sol lunaire. À cet effet, son orbite circulaire est transformée en une orbite elliptique de 15 km sur 110 km. Cette phase permet de réduire la distance à parcourir jusqu’au sol lunaire à un faible coût en propergols (elle ne nécessite qu'une brève impulsion du moteur). La limite des 15 km a été retenue pour éviter que la trajectoire finale ne s'approche trop du relief.

Deux des trois astronautes de l'équipage prennent place dans le Module Lunaire pour descendre sur la Lune. Ils initialisent le système de navigation avant d’entamer la descente. Le LEM et le CSM se séparent avant que le moteur ne soit mis en marche (jusqu’à Apollo 12).

Le changement d’orbite est initié lorsque le vaisseau spatial se situe aux antipodes (à une demi-orbite) du point où démarrera la phase suivante. Une fois que la distance entre le LEM et le module de commande est suffisante (une centaine de mètres), une petite accélération est d’abord imprimée par les moteurs contrôlant l'attitude pour plaquer le carburant du moteur de descente contre les vannes de distribution, puis le moteur de descente est allumé brièvement pour freiner le LEM d'environ 25 mètres par seconde (90 km/h)[53].

À partir d’Apollo 14, pour économiser les propergols de l’étage de descente, c’est le moteur du Module de Commande et de Service qui est sollicité pour abaisser l’orbite. Le CSM accompagne donc le LEM dans son orbite elliptique et s’en sépare avant que la descente propulsée ne démarre.

Cette phase est caractérisée par une action continue du moteur de descente. Elle démarre lorsque le LEM a atteint le point le plus bas de son orbite elliptique. Elle se décompose elle-même en trois phases : la phase de freinage, la phase d'approche et la phase d'atterrissage.

La phase de freinage vise à réduire la vitesse du vaisseau de la manière la plus efficace possible : celle-ci va passer de 1 695 m/s (6 000 km/h) à 150 m/s (550 km/h). Le moteur est allumé à 10 % de sa puissance durant 26 secondes, le temps que le moteur s'aligne grâce à son cardan sur le centre de gravité du vaisseau, puis il est poussé au maximum de sa puissance. Le module lunaire, qui au début de la trajectoire est pratiquement parallèle au sol, va progressivement s’incliner, tandis que sa vitesse de descente, nulle au départ, augmente jusqu’à 45 m/s en fin de phase[54]. Lorsque le LEM se trouve à une altitude inférieure à 12 ou 13 km, le radar d'atterrissage accroche le sol et se met à fournir des informations (altitude, vitesse de déplacement) qui vont permettre de vérifier que la trajectoire est correcte : jusqu'alors celle-ci était extrapolée uniquement à partir de l'accélération mesurée par la centrale à inertie. Une différence trop importante entre les données fournies par le radar et la trajectoire visée ou le non fonctionnement du radar sont des motifs d'interruption de la mission[55].

La phase d'approche démarre à 7 km du site visé, alors que LEM est à une altitude de 700 mètres. Elle doit permettre au pilote de repérer la zone d'atterrissage et de choisir le lieu précis (dégagé) où il souhaite atterrir. Son point de départ est désigné sous le terme de « porte haute » (high gate), expression empruntée à l'aéronautique.

Le module lunaire est progressivement redressé en position verticale, fournissant au pilote une meilleure vision du terrain. Celui-ci peut ainsi localiser le point d'atterrissage auquel conduit la trajectoire grâce à une échelle gravée sur son hublot graduée en degrés (Landing Point Designator, ou LPD)[N 21] : l'ordinateur fournit à la demande l'angle sous lequel l'astronaute peut voir le lieu d'atterrissage sur cette échelle. Si celui-ci juge que le terrain n'est pas propice à un atterrissage ou qu’il ne correspond pas au lieu prévu, il peut alors corriger l'angle d'approche en agissant sur les commandes de vol par incrément de 0.5° dans le sens vertical ou 2° en latéral[56].

Lorsque le module lunaire est descendu à une altitude de 150 mètres, ce qui le place théoriquement à une distance de 700 mètres du lieu visé (point désigné sous le terme de low gate), démarre la phase d'atterrissage. Si la trajectoire a été convenablement suivie, les vitesses horizontale et verticale sont respectivement alors de 66 km/h et 18 km/h. La procédure prévoit que le pilote prenne la main pour amener le module lunaire au sol mais il peut, s'il le souhaite, laisser faire l'ordinateur de bord, qui dispose d'un programme de pilotage pour cette dernière partie du vol[N 22]. En prenant en compte les différents aléas (phase de repérage allongée de deux minutes, modification de la cible de dernière minute de 500 mètres pour éviter un relief, mauvaise combustion finale, jauge de propergol pessimiste), le pilote dispose d'une marge de trente-deux secondes pour poser le LEM avant l'épuisement des ergols. La dernière partie de la phase est un vol plané à la manière d’un hélicoptère, qui permet à la fois d’annuler toutes les composantes de vitesse mais également de mieux repérer les lieux. Des sondes situées sous les semelles du train d’atterrissage prennent contact avec le sol lunaire lorsque l'altitude est inférieure à 1,3 mètre et transmettent l’information au pilote. Celui-ci doit alors couper le moteur de descente pour éviter que le LEM ne rebondisse ou ne se renverse[57].

Le séjour sur la Lune est rythmé par les sorties extra-véhiculaires (une sortie pour Apollo 11, mais jusqu’à trois sorties pour les dernières missions). Avant chaque sortie, les astronautes doivent faire le plein en eau et oxygène de leur système de survie portable, puis enfiler leur tenue. Ils font ensuite le vide, avant d’ouvrir l’écoutille qui donne accès à l’échelle.

Les outils et les instruments scientifiques sont sortis des baies de stockage de l’étage de descente, puis sont déployés non loin du LEM ou à plus grande distance. À partir d’Apollo 14, les astronautes disposent d’une brouette puis, dans le cadre des vols suivants, du rover lunaire, qui leur permet de s’éloigner d’une dizaine de kilomètres du LEM en transportant de lourdes charges. Le Rover occupe une baie entière du module lunaire : il est stocké en position repliée sur une palette, que les astronautes abaissent pour libérer le véhicule. Le rover est déployé par un système de ressorts et de cordes, agissant via des poulies et actionnés par les astronautes.

Avant de quitter la Lune, les échantillons géologiques placés dans des conteneurs sont hissés jusqu’à l’étage de remontée grâce à un palan. Le matériel qui n’est plus nécessaire (survie portable, appareils photos…) est abandonné pour alléger au maximum l’étage de remontée[N 23].

Schéma de la manœuvre de rendez-vous après le séjour sur la Lune.

Répétition de la manœuvre de rendez-vous au-dessus de la Lune : le LEM « Snoopy » photographié par le pilote du CM (Apollo 10).

La phase de remontée doit permettre au LEM de rejoindre le module de commande, resté en orbite. Cet objectif est atteint en deux temps : l’étage du LEM décolle du sol lunaire pour se mettre en orbite basse puis, à l'aide de poussées ponctuelles du moteur-fusée, il rejoint le module de commande.

Avant le décollage, la position précise du LEM au sol est entrée dans l'ordinateur, afin de déterminer la meilleure trajectoire. L'instant du départ est calculé de manière à optimiser la trajectoire de rendez-vous avec le module de Commande. L'étage de descente reste au sol et sert de plate-forme de lancement. La séparation des deux étages est déclenchée avant le décollage par de petites charges pyrotechniques, qui sectionnent les quatre points solidarisant les deux étages ainsi que les câbles et tuyauteries.

Le Module Lunaire suit d'abord une trajectoire verticale jusqu'à une altitude d'environ 75 mètres, pour se dégager du relief lunaire, puis s'incline progressivement pour rejoindre finalement à l'horizontale le périlune (point bas) d'une orbite elliptique de 15 × 67 km.

Un rendez-vous est alors effectué entre le CSM (piloté par le troisième membre d'équipage, le seul de la mission à ne pas aller sur la Lune) et le LEM en orbite lunaire. Une fois les pierres lunaires transférées, le LEM est libéré et lancé sur une trajectoire qui l’amènera à s’écraser sur la Lune. Le module de commande et le module de service peuvent entamer leur retour vers la Terre.

Le 22 janvier 1968, avec neuf mois de retard sur le planning prévu, le LEM est testé pour la première fois en vol, au cours de la mission Apollo 5. Pour réduire les coûts, le module lunaire (LEM-1) est dépourvu de train d'atterrissage (il n'est pas prévu de le tester). Les hublots sont obturés par des panneaux en aluminium, car au cours de tests de pression réalisés un mois auparavant un hublot s'était brisé. Une fois le LEM placé en orbite, le moteur de descente est allumé à plusieurs reprises. Puis le moteur de remontée est mis à feu pour simuler une procédure d'urgence. Tous les tests se déroulent de manière satisfaisante[59].

L'équipage d'Apollo 9 teste le fonctionnement du LEM en orbite au-dessus de la terre.

Le 3 mars 1969 la mission Apollo 9 décolle pour un test complet du module lunaire avec son équipage. Après avoir été mis en orbite terrestre, les astronautes vont répéter toutes les manœuvres qui devront être réalisées durant la mission lunaire. L'accostage du LEM par le module de commande puis l'extraction de son carénage sont exécutés pour la première fois. Deux des astronautes se glissent alors dans le tunnel reliant le module de commande au LEM et mettent en marche les sous-systèmes du LEM, avant d'allumer le moteur de descente sans toutefois se détacher du Module de Commande.

Le lendemain, l'équipage du LEM se sépare du CSM, déploie le train d'atterrissage et met à feu le moteur de descente en testant plusieurs niveaux de poussée. Puis après avoir largué l'étage de descente, il simule la remontée depuis le sol lunaire et la manœuvre de rendez-vous : il entame la poursuite du vaisseau Apollo, dont il s'était écarté de près de 200 km, en utilisant le moteur de remontée. Le test, qui comportait un certain risque si les moteurs du module lunaire s'étaient avérés défaillants (le LEM n'aurait pas résisté à une rentrée dans l'atmosphère terrestre), est un succès complet[60].

À partir de ce vol, les modules lunaires recevront un nom de baptême — pour Apollo 9, ce sera « Spider » — qui permettra de distinguer, au cours des échanges radio avec le support au sol, l'équipage du LEM de celui du Module de Commande et de Service.

La mission Apollo 10 s'envole le 26 mai 1969. Ce vol aurait pu être l'occasion du premier atterrissage sur la Lune, mais les responsables de la NASA préfèrent effectuer un dernier test pour vérifier le fonctionnement du système de navigation et du radar d'altitude autour de la Lune. Le déroulement de la mission va être une répétition presque complète d'un vol lunaire. La descente vers la Lune n'est interrompue qu'à 14,4 km du sol. Après un bref emballement du moteur de descente, dû à une erreur de manipulation, « Snoopy » (le LEM) effectue une manœuvre de rendez-vous parfaite avec « Charlie Brown » (le module de commande)[61].

Buzz Aldrin descend l'échelle du module lunaire (Apollo 11), après avoir refermé en partie l'écoutille.

Le module lunaire de la mission Apollo 11 est le premier à se poser sur la Lune. Le 20 juillet 1969, Edwin Aldrin (pilote) et Neil Armstrong (commandant) entament la descente vers le sol lunaire. Durant la phase d'approche finale, la sérénité de l'équipage est ébranlée par des alarmes répétées de l'ordinateur qui, saturé, ne peut plus exécuter toutes les tâches qui lui ont été assignées. Or, ce système joue un rôle essentiel pour déterminer la trajectoire qui permet de se poser avec les faibles marges de carburant disponibles. Accaparé par ces alarmes, qui pourraient signifier la fin prématurée de la mission, le pilote effectue un repérage visuel du terrain trop tardif. Lorsqu'il s'aperçoit que la trajectoire mène le LEM droit sur une zone encombrée de rochers, il est déjà trop bas pour la corriger. Il reprend manuellement les commandes (le LEM était jusqu'alors en pilote automatique) et survole à la manière d'un hélicoptère la zone dangereuse en entamant dangereusement les dernières réserves de carburant, alors que le volume de carburant restant passe à 60 secondes, puis 30 secondes. Finalement, lorsqu'il pose le module lunaire, il ne reste plus que 20 secondes de carburant dans les réservoirs alimentant le moteur de l'étage de descente[62].

L'enquête révélera que la surcharge de l'ordinateur était due à l'envoi de demandes de traitement par le radar de rendez-vous à fréquence très rapprochée. Il y avait en fait deux erreurs : d'une part la procédure indiquait à tort de laisser le radar de rendez-vous allumé et, d'autre part, il y avait un défaut de conception dans l'interface entre l'ordinateur et le radar de rendez-vous. Les simulations réalisées n'avaient pas permis de détecter l'anomalie, car l'ordinateur de rendez-vous n'était pas branché pour les atterrissages. Le problème sera corrigé pour les missions suivantes. Par ailleurs, des mesures seront prises (modification des programmes de calcul de trajectoire et accroissement des corrections de trajectoire intermédiaires) pour que les pilotes disposent de plus de marge en carburant[63]. Le reste de la mission se déroulera sans incident majeur.

Alors que le LEM et le CSM de la mission Apollo 13 sont en route pour la Lune, le réservoir d'oxygène n^o 2 du CSM 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 du CSM 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 alors jouer un rôle crucial dans le sauvetage de l'équipage de la mission Apollo 13, en servant de canot de sauvetage, exercice auquel les équipages étaient entraînés. 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 (en particulier l'eau et 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, permettant à l'équipage de revenir sain et sauf sur Terre[64].

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

Peu avant que le LEM aborde sa descente vers le sol lunaire, le contrôle à Houston se rend compte, en examinant les données périodiquement transmises par télémesure, que l'interrupteur qui permet de déclencher l'abandon de l'atterrissage en cas de problème grave est positionné sur « ON ». Dès que la descente aura été amorcée, l'ordinateur de bord interprétera l'information comme une demande d'abandon et larguera l'étage de descente, interrompant la mission. Le problème vient d'un faux contact, mais le circuit concerné ne peut pas être réparé. Il ne reste que deux heures pour trouver une solution : les développeurs sur Terre finissent par trouver une méthode pour tromper l'ordinateur et font rentrer une longue liste de commandes par les astronautes. La manipulation a une contrepartie : si la mission doit être effectivement interrompue, les automatismes ne pourront plus jouer et les astronautes devront détailler chaque étape en saisissant les instructions. Heureusement, après une ultime frayeur (refus temporaire du radar d'atterrissage de fonctionner) l'atterrissage se déroule parfaitement[65].

Buzz Aldrin (Apollo 11) tournant le dos au pupitre du pilote

À compter d'Apollo 15, les modules lunaires séjournent plus longtemps sur la Lune et sont donc plus lourds. La tuyère du moteur de descente est rallongée d'une trentaine de centimètres et est du coup susceptible de toucher le sol lunaire : pour éviter qu'une surpression se forme à l'atterrissage dans la cloche de la tuyère et ne renverse le module lunaire, la consigne avait été donnée d'arrêter le moteur-fusée dès le premier contact des sondes prolongeant vers le bas le train d'atterrissage, soit à environ 1,3 mètre du sol[N 25]. Cette consigne existait déjà, mais David Scott, qui le pilote, l'applique pour la première fois avec la plus grande rigueur. Il fait l'atterrissage le plus dur de tous les modules lunaires. Le LEM qui avait, au moment de l'arrêt du moteur, une vitesse verticale résiduelle de 0,5 km/h, arrive sur le sol lunaire à près de 7 km/h (les autres LEM s'étaient posés avec une vitesse verticale de 2 à 3 km/h). Par manque de chance, le module lunaire atterrit à cheval sur le relief d'un petit cratère que le pilote n'avait pas pu apercevoir, à cause du nuage de poussière soulevé par le moteur, et les jambes du train d'atterrissage ne se posent pas en même temps, accroissant le choc (le LEM accusera une inclinaison de 11° une fois posé)[66].

Plusieurs variantes du LEM prévues pour une phase ultérieure de l'exploration lunaire ne verront pas le jour :

• Le LEM « cargo » est un module lunaire non habité utilisé pour transporter environ 5 tonnes de matériel sur la Lune. Le fret remplace l'étage de remontée, tandis que l'étage de descente est équipé de moteurs de contrôle d'attitude ainsi que d'un ordinateur de navigation et de guidage[69].
• Le LEM « taxi » est un LEM disposant d’un étage de remontée. Il peut être envoyé sur la Lune peu après qu'un LEM « abri » y a été lancé[70].
• Le LEM « abri », utilisé de manière combinée avec le LEM « taxi », a son étage de remontée remplacé par des consommables et du matériel scientifique. Les consommables dont il dispose permettant des séjours de 14 jours sur la Lune pour un équipage de trois astronautes. Il atterrit sur la Lune en pilotage automatique[71].
• Le LEM « Lab » voit son étage de remontée, son moteur et ses réservoirs remplacés par environ 10 tonnes de matériel scientifiques pour des observations et des expériences en orbite terrestre[72]. Le LEM « Lab » devint progressivement l'Apollo Telescope Mount (ATM), une structure non pressurisée porteuse d'un télescope pour l'observation du soleil. Prévu initialement pour être mis en orbite seul, il est finalement développé comme un module annexe de la station Skylab[73].

Vue d'artiste d'un des concepts du module lunaire Altair.

En janvier 2004, le président des États-Unis, George W. Bush, lance le programme Constellation, dont l'objectif est de ramener des hommes sur la Lune vers 2020. Le projet prévoit la construction d'un module lunaire baptisé Altair, lointain descendant du LEM. Altair reprend de nombreuses caractéristiques de son prédécesseur : c'est un vaisseau conçu uniquement pour descendre sur la Lune, y séjourner et remonter en orbite. L'équipage revient ensuite à Terre à bord d'un vaisseau resté en orbite lunaire : l'Orion. Il est composé d'un étage de descente (qui reste sur le sol lunaire) et d'un étage de remontée, qui se pose verticalement sur un train d'atterrissage analogue à celui du LEM. Il comporte deux ouvertures, dont une utilisée pour accéder au sol lunaire. Mais certains aspects du programme Constellation sont très différents du programme Apollo : Altair est envoyé dans l'espace par une fusée dédiée et est assemblé avec Orion en orbite terrestre. Trois fois plus lourd que le LEM, il est propulsé par des moteurs cryogéniques (descendants de ceux utilisés par la fusée Saturn). Il doit embarquer l'ensemble de l'équipage de la mission (quatre astronautes). La cabine pressurisée comprend un sas et un coin toilette.

Finalement, ce projet est abandonné en 2010, pour des raisons économiques. D'autres projets spatiaux sont mis en avant à la place de cette mission.

Aujourd'hui, plusieurs exemplaires du module lunaire sont conservés dans différents musées : ce sont des exemplaires n'ayant jamais volé, des modèles utilisés pour les tests de résistance ou des modèles utilisés pour les entraînements.

Toutes les références correspondent à des textes en anglais sauf mention contraire.

• Grumman (constructeur du LM)
• Liste des modules lunaires Apollo
• Lunar Roving Vehicle (véhicule embarqué sur les LM d'Apollo 15 à 17)
• Module de commande Apollo
• Module de service
• Programme Apollo

• (en) Schémas des composants du module lunaire (NASA) [PDF]
• (en) La version cargo du module lunaire (jamais développée)
• (en) Le module lunaire par un ancien employé de Grumman
• (fr) De la Terre à la Lune, site de référence francophone : présentation du LEM

• Portail de l’astronautique
• Portail de l’exploration
• Portail de la Lune
• Portail des États-Unis