50 ans sur la Lune : SpaceX et le secret du moteur du LM

LM Moteur LMDE
Le module lunaire Eagle d'Apollo 11 avant sa decsente vers la surface. La tuyère du moteur LMDE est visible sous l'étage de descente. Crédit : Nasa.
EN ACCÈS LIBRE – La technologie du moteur qui a permis à Neil Armstrong de poser le LM-5 Eagle sur la Lune est la même que celle qui permet à SpaceX de récupérer le premier étage de ses Falcon 9, grâce à une filiation aimablement fournie par la Nasa.

Se poser sous la poussée d’un moteur fusée est un exercice périlleux. D’une part il faut compenser l’accélération de la pesanteur par la poussée du moteur, d’autre part il faut appliquer un excédent de poussée pour réduire la vitesse acquise. Or dans le même temps le véhicule consomme des ergols et donc s’allège, ce qui fait qu’à poussée constante l’accélération augmente. Il faut donc réguler la poussée en jouant sur le débit d’ergols.

Cerise sur le gâteau, il faut parvenir à couper la propulsion à vitesse nulle et altitude nulle – sinon c’est l’impact, la chute ou le rebond.

Tel était le défi proposé au moteur du module lunaire d’Apollo, qui devait donc allier fiabilité, poussée réglable et forte réactivité pour répondre aux commandes du pilote (en réalité le commandant, puisque l’astronaute désigné « pilote du LM » n’était au mieux qu’un copilote).

Le module lunaire d’Apollo 12 avant sa descente vers la surface. Crédit : Nasa

L’aiguille fait la différence

Dans un premier temps, deux motoristes sont sélectionnés en juillet 1963 pour développer ce moteur miracle, tous deux dans la banlieue de Los Angeles. Rocketdyne à Canoga Park est la filiale de North American qui développe déjà les moteurs des lanceurs Saturn. L’autre lauréat est la division STL (Space Technology Laboratories) de TRW à Redondo Beach, équipementier de la filière des missiles balistiques qui a aussi réalisé quelques-unes des premières sondes de la Nasa. La Nasa a fixé les spécifications du moteur qu’elle souhaite pour l’étage de descente du module lunaire : une poussée de 46,7 kN, modulable de 10 à 100 %, une durée de vie de 1 000 secondes avec des hypergols azotés : peroxyde d’azote et Aerozine 50, un mélange de diméthyl-hydrazine dissymétrique (UDMH) et d’hydrazine. De plus, le moteur doit être léger, fiable et suffisamment isolé pour ne pas réchauffer les réservoirs qui l’entourent, en particulier ceux d’hélium supercritique pour la pressurisation des réservoirs.

Rocketdyne propose de régler la poussée par injection d’hélium dans le flux alimentant la chambre de combustion. De son côté, TRW introduit un injecteur à aiguille (pintle) qui permet de régler très finement le débit des ergols selon la position d’une chemise coulissante autour d’une aiguille conique, au centre de la buse d’injection. Ce concept a été inventé à la fin des années 1950 par Gerard Elverum au Jet Propulsion Laboratory avant qu’il rejoigne TRW. C’est celui qui est retenu pour le Lemde (Lunar Excursion Module Descent Engine), rapidement rebaptisé LMDE.

LM Moteur LMDE
Un étage de descente de module lunaire d’Apollo en intégration en décembre 1966. La tuyère noire du LMDE était conçue pour se froisser à l’impact en cas de contact avec un obstacle au sol afin de ne pas transmettre de choc à la structure. Crédit : Nasa.

Après un développement à marche forcée d’août 1963 à avril 1969, avec des essais au banc à White Sands au Nouveau-Mexique et en vol sur les missions Apollo 5, 9 et 10, le LMDE assure six alunissages parfaits de juillet 1969 à décembre 1972. En avril 1970, il est utilisé par l’équipage d’Apollo 13 pour une manœuvre qui place le vaisseau sur une trajectoire de retour vers la Terre.

À la fin du programme Apollo, TRW fait breveter son injecteur à aiguille et commercialise une variante à poussée fixe du LMDE, le TR-201, qui propulse le second étage de 77 lanceurs Delta de McDonnell-Douglas de 1972 à 1988, en alternance avec l’AJ10 d’Aerojet, cousin du moteur du module de service d’Apollo.

Projets à foison mais sans suite

Avec le lancement par le président Ronald Reagan, en 1984, de l’Initiative de défense stratégique, la fameuse « guerre des étoiles », la technologie d’injecteur à aiguille de TRW est testée à toutes les sauces pour le pilotage fin des projets d’intercepteurs exo-atmosphériques.

Toutefois, il faut attendre 1991 pour que de vraies avancées soient accomplies avec les travaux réalisés conjointement par TRW et McDonnell-Douglas pour adapter la technologie aux moteurs cryotechniques. Ces travaux sont réalisés sous l’égide de la Nasa. Ils amènent au développement en 2002 de deux moteurs à combustion étagée : le TR-106 cryotechnique, de 2 900 kN de poussée, et le TR-107 de 4 900 kN de poussée, fonctionnant au kérosène et à l’oxygène liquide.

De son côté, en 1997, le centre spatial Marshall de la Nasa utilise la même architecture dérivée du LMDE pour développer un moteur à bas coût, le Fastrac. Ce dernier fonctionne également au kérosène et à l’oxygène liquide, mais avec une poussée bien plus raisonnable de 270 kN. Trois moteurs sont mis au banc pour 48 essais, et une application pour la propulsion du démonstrateur hypersonique X-34 d’Orbital ATK est prévue.

X-34
Le démonstrateur X-34 tracté sur la piste du lac Rogers, au centre spatial Dryden de la Nasa, pour des essais de son système de navigation. Crédit : T. Tschida – Nasa.

Ces développements s’inscrivent alors dans le cadre de la Space Launch Initiative (SLI), l’une des nombreuses tentatives de développer des technologies pour un système capable de prendre la suite de la Navette. Le SLI est abandonné en 2001 au profit du programme Orbital Space Plane, annulé à son tour après l’accident de Columbia en février 2003. Ce drame a pour conséquence la décision de mettre les Navettes à la retraite à la fin de l’assemblage de la Station spatiale internationale (ISS) et de renoncer à développer un éventuel successeur. Pour ne pas passer pour le fossoyeur du programme spatial, surtout en pleine année électorale, le président George W. Bush lance alors le programme Constellation pour le retour sur la Lune. Annulé en 2010 par Barack Obama, celui-ci préfigurait l’actuel programme Artemis.

Transfert de technologies

Entre-temps, en juillet 2002, TRW passe sous le contrôle de Northrop Grumman. Deux mois plus tôt, Tom Mueller, responsable du développement des moteurs TR-106 et TR-107, a rejoint Elon Musk comme membre fondateur de SpaceX. Il y met en œuvre ses idées et développe la famille des moteurs Merlin pour les lanceurs Falcon. Il y intègre l’injecteur à aiguille ainsi que des avancées réalisées sur le TR-107 et sur le Fastrac.

En août 2006, la sélection de SpaceX par la Nasa pour le programme Cots (Commercial Orbit Transportation Services), destiné à développer un service de desserte commerciale de l’ISS, lui permet de mettre en chantier le lanceur Falcon 9 et la capsule Dragon. Surtout elle donne à la firme d’Elon Musk un accès aux brevets et aux technologies développées par l’agence, dont les algorithmes de pilotage autonome développés pour le démonstrateur Delta Clipper de McDonnell-Douglas. Propulsé par des moteurs cryotechniques RL10, celui-ci a volé de 1993 à 1995 sous les couleurs de la Darpa, puis en 1996 sous celles de la Nasa pour explorer les technologies de vol et d’atterrissage propulsé autonome avec un minimum de maintenance.

La combinaison de toutes ces capacités a permis à SpaceX de développer le lanceur Falcon 9 et de le doter d’une capacité de récupération et de réutilisation du premier étage, grâce à ses moteurs Merlin 1D à poussée modulable jusqu’à 845 kN.

La technologie de l’injecteur à aiguille n’a toutefois pas été retenue pour le nouveau moteur Raptor de 2 000 kN qui doit équiper le lanceur Super Heavy et son étage supérieur Starship, grâce auxquels Elon Musk espère un jour se poser sur la Lune, voire sur Mars.

Moteur Merlin
Un moteur Merlin en essai au banc à McGregor (Texas). Crédit : SpaceX.

Retour à notre série : Apollo, un héritage industriel cinquantenaire.

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