S-IVB

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S-IVB
S-IVB-206 qui a été utilisé pour la mission Skylab 2.
S-IVB-206 qui a été utilisé pour la mission Skylab 2
Constructeurs Douglas Aircraft Company
Pays d'origine Drapeau des États-Unis États-Unis
Fusée Saturn IB (2ème étage)
Saturn V (3ème étage)

Taille

Hauteur 17,8 m (58,4 ft)
Diamètre 6,6 m (21,7 ft)
Masse 119 900 kg (253 000 lb)

Infos sur les moteurs

Moteurs 1 moteur J-2
Poussée 1 001 kN (225 000 lbf)
Autonomie 475 secondes
Carburant LOX/LH2

Construit par la Douglas Aircraft Company, le S-IVB (parfois appelé S4b) était le troisième étage du lanceur Saturn V et le deuxième étage du lanceur Saturn IB. Il était doté d'un unique moteur J-2 pour assurer sa mission. Pour les missions lunaires, ce dernier était mis à feu à deux reprises : d'abord pour l'insertion en orbite terrestre après coupure du deuxième étage S-II, et ensuite pour l'injection translunaire (sur trajectoire lunaire), afin d'envoyer les deux modules habités de la mission vers la Lune.

Historique[modifier | modifier le code]

Le S-IVB était une évolution de l'étage supérieur de la fusée Saturn I, le S-IV, et fut le premier étage de Saturn V à à avoir été conçu. Le S-IV utilisait une grappe de six moteurs, mais utilisait les mêmes ergols que le S-IVB, à savoir de l'hydrogène liquide (LH2) et de l'oxygène liquide (LOX). Il était également à l'origine destiné à être le quatrième étage d'une potentielle autre fusée appelée Saturn C-4, d'où son nom de S-IV.

Onze entreprises avaient soumis des propositions pour être le maître d'œuvre de l'étage, avant la date limite du 29 février 1960. L'Administrateur de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) T. Keith Glennan décida, le 19 avril, que Douglas Aircraft Company emporterait le contrat. Convair fut rejetée, Glennan ne voulant pas monopoliser le marché de fusées à hydrogène liquide, car Convair était déjà chargée de la construction de la fusée Centaur.

En fin de compte, le Marshall Space Flight Center décida d'utiliser les fusées C-5 (appelées plus tard Saturn V), qui avaient trois étages et seraient surmontées d'un S-IV revalorisé, appelé S-IVB, qui au lieu d'utiliser un groupe de moteurs n'aurait qu'un seul moteur J-2. Douglas avait obtenu le contrat pour le S-IVB en raison des similitudes entre ce drenier et le S-IV. Dans le même temps il fut décidé de créer la fusée C-IB (Saturn IB), qui utiliserait également le S-IVB comme deuxième étage et qui pourrait être utilisée pour tester le vaisseau Apollo en orbite terrestre, pendant que la fusée Saturn V était toujours en cours de conception.

Un S-IVB fut transformé en coque vide pour Skylab, la première station spatiale américaine. Pour d'autres projets, le S-IVB servait de base pour divers ateliers humides (des habitats spatiaux construits à partir d'étages de fusée consommés), comme celui d'une station américaine ou ceux du projet de survol habité de Vénus.

Pendant les missions Apollo 13, Apollo 14, Apollo 15, Apollo 16 et Apollo 17, le S-IVB fut envoyé sur la Lune pour s'y écraser. Cette manœuvre permit d'effectuer des mesures sismiques qui aideraient à établir les caractéristiques du noyau de la Lune.

L'Earth Departure Stage (EDS), proposition de deuxième étage des fusées Ares V et Ares I, avait en partie les mêmes caractéristiques que l'étage S-IVB. Les deux lanceurs du programme Constellation, qui fut annulé en 2010, auraient eu un moteur J-2 réévalué (série J-2X), exerçant les mêmes fonctions que celui de l'étage de la série 500 (mise en orbite de la charge utile, puis injection du vaisseau spatial dans l'espace trans-lunaire).

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Vue en coupe du S-IVB de Saturn V.

Douglas construisit deux versions distinctes du S-IVB, la série 200 et la série 500. La série 200 était utilisée par Saturn IB et différait de la 500 dans le fait que les étages ne possédaient pas d'inter-étage évasé et avaient moins d'hélium de pressurisation à bord, car ils ne seraient pas ré-allumés. Sur la série 500, l'inter-étage évasé était nécessaire pour rapprocher les étages inférieurs de Saturn V, de plus grand diamètre. La série 200 était également dotée de trois fusées à combustible solide pour séparer l'étage S-IVB de l'étage S-IB lors du lancement, contre deux seulement sur la série 500, et n'avait pas le propulseur linéaire APS, que la série 500 requérait pour les opérations préalables au redémarrage du moteur J2.

Le S-IVB transportait 73 280 l (19 359 gallons US) de LOX et 252 750 l (66 770 gallons US) de LH2[1]. Comme souvent dans le domaine des étages de fusée, la plus grande partie de sa masse totale était due aux ergols contenus à l'intérieur de ses réservoirs : lors de la mission Apollo 11, la masse d'ergols contenue était de 107 095 kg, ce qui représente 89,9 % du poids total de l'étage, qui était de 119 119 kg. L'oxygène liquide représentait 73,3 % de cette masse (87 315 kg) et l'hydrogène liquide 16,6 % (19 780 kg). L'étage vide ne représentait que 10,1 % de la masse totale, avec un poids de 11 273 kg[2].

La propulsion est confiée à un moteur J-2, d'une poussée maximale de 1 033 kN dans le vide. Afin de pouvoir envoyer les astronautes vers la Lune, il dispose d'une particularité étonnante pour son époque, il peut être ré-allumé en vol. Cependant, à l'inverse de ses homologues qui occupent le deuxième étage au nombre de cinq, il n'est pas orientable, cette tâche étant confiée aux quatre moteurs périphériques. Un accent particulier est mis sur sa fiabilité : de décembre 1963 à janvier 1966, des tests menés permettent de vérifier que le moteur respecte largement son cahier des charges. Un moteur est rallumé 30 fois et fonctionne au total 2 774 secondes, alors qu'en vol il n'a besoin de fonctionner que 500 secondes et d'être rallumé une seule fois[3].

Fonctionnement au cours d'une mission[modifier | modifier le code]

L'étage S-IVB d'Apollo 7 en vol orbital autour de la Terre, au-dessus de Cap Canaveral. Apollo 7 utilisa un lanceur Saturn IB, et non Saturn V, sachant que l'étage S-IVB était quasiment identique sur ces deux lanceurs. On distingue également la coiffe ouverte.

Le troisième étage fonctionnait pendant les 150 s suivant la séparation avec le deuxième étage.

Contrairement à la précédente séparation d'étages, il n'y avait pas d’opérations spécifiques de séparation pour l'inter-étage, de dernier restant attaché au second étage (bien qu'il fût construit comme une composante du troisième). 10 min et 30 s après le décollage, Saturn V était à 164 km d'altitude et à 1 700 km de distance au sol du site de lancement. Quelques instants plus tard, après des manœuvres de mise en orbite, le lanceur était sur une orbite terrestre de 180 km sur 165 km. C'était relativement bas pour une orbite terrestre et la trajectoire ne pouvait pas rester éternellement stable à cause des frottements résiduels avec les hautes couches l'atmosphère. Pour les deux missions qui se déroulèrent en orbite terrestre, Apollo 9 et Skylab, le lanceur injecta les vaisseaux sur une orbite beaucoup plus élevée. Une fois sur cette orbite de parking, le S-IVB et le vaisseau spatial, restés attachés, bouclaient deux orbites et demi autour de la Terre. Durant cette période les astronautes effectuaient des contrôles des équipements du vaisseau et du dernier étage du lanceur, afin de s'assurer que tout était en parfait état de marche et préparer le vaisseau pour la manœuvre d'injection « translunaire » (Trans-Lunar Injection - TLI).

La manœuvre TLI intervient environ deux heures et demie après le lancement : le moteur du troisième étage est rallumé pour propulser le vaisseau spatial vers la Lune. Cette poussée dure six minutes, ce qui porte la vitesse de l'ensemble à plus de 10 km/s (vitesse de libération), leur permettant ainsi d'échapper à l'attraction de la Terre pour se diriger vers la Lune. Quelques heures après la manœuvre TLI, le module de commande et de service Apollo (CSM) se sépare du troisième étage, pivote de 180 degrés, puis s’arrime au module lunaire (LEM) qui était situé sous le CSM pendant la phase de lancement. Enfin le nouvel ensemble formé par le CSM et le LEM se détache du troisième étage.

Le troisième étage pouvait présenter un danger pour la suite de la mission, puisque les vaisseaux Apollo suivaient la même trajectoire inertielle. Pour éviter tout risque de collision, les ergols restants dans les réservoirs du troisième étage étaient évacués dans l'espace, ce qui par réaction modifiait sa trajectoire. À partir d'Apollo 13, les contrôleurs le dirigèrent vers la Lune. Des sismographes déposés sur la Lune par de précédentes missions pouvaient détecter leurs impacts au moment où ils s'écrasaient sur la Lune. Les données enregistrées lors de ces crashs volontaires ont contribué à l'étude de la composition intérieure de la Lune. Avant Apollo 13 (sauf Apollo 9 et Apollo 12), les troisièmes étages étaient placés sur une trajectoire passant à proximité de la Lune qui les renvoyaient vers une orbite solaire.

Apollo 9, quant à lui, fut dirigé directement vers une orbite solaire. L’étage S-IVB d'Apollo 12 connut un destin tout différent : Le 3 septembre 2002, Bill Yeung découvrit un astéroïde suspect à qui il donna le nom provisoire de J002E3[4]. Il se révéla être en orbite autour de la Terre, et il fut rapidement découvert par analyse spectrale qu'il était couvert d'une peinture blanche de dioxyde de titane, la même que celle utilisée pour Saturn V. Les contrôleurs de mission avaient prévus d’envoyer le S-IVB d'Apollo 12 en orbite solaire, mais l'allumage moteur après la séparation du vaisseau Apollo dura trop longtemps et le troisième étage passa trop près de la Lune et finit sur une orbite à peine stable autour de la Terre et de la Lune. On pense qu'en 1971, suite à une série de perturbations gravitationnelles, le S-IVB se plaça sur une orbite solaire puis revint sur une orbite terrestre 31 ans plus tard. En juin 2003, ce troisième étage quitta l’orbite terrestre.

Étages construits[modifier | modifier le code]

Les trois versions du SIV.
Trois versions du SIV/SIVB
Serie 200
Numéro de série Utilisation Date de lancement Localisation actuelle
S-IVB-S Étage de test statique « cuirassé »
S-IVB-F Étage de test pour les installations
S-IVB-D Étage de test « dynamique » remis au Marshall Space Flight Center en 1965 U.S. Space & Rocket Center, Huntsville, Alabama
S-IVB-T Annulé en décembre 1964
S-IVB-201 AS-201 26 février 1966
S-IVB-202 AS-202 25 août 1966
S-IVB-203 AS-203 5 juillet 1966
S-IVB-204 Apollo 5 22 janvier 1968
S-IVB-205 Apollo 7 11 octobre 1968
S-IVB-206 Skylab 2 25 mai 1973
S-IVB-207 Skylab 3 28 juillet 1973
S-IVB-208 Skylab 4 16 novembre 1973
S-IVB-209 Skylab rescue vehicle Kennedy Space Center
S-IVB-210 Apollo Soyuz Test Project 15 juillet 1975
S-IVB-211 Inutilisé U.S. Space & Rocket Center, Huntsville, Alabama
S-IVB-212 Converti en Skylab 14 mai 1973
Serie 500
Numéro de série Utilisation Date de lancement Localisation actuelle
S-IVB-501 Apollo 4 9 novembre 1967
S-IVB-502 Apollo 6 4 avril 1968
S-IVB-503 Détruit le 20 janvier 1967 Explosion au cours des essais au banc Beta 3 du Sacramento Test Operations (SACTO)[5]
S-IVB-503N Apollo 8 21 décembre 1968 Orbite solaire
S-IVB-504 Apollo 9 3 mars 1969 Orbite solaire
S-IVB-505 Apollo 10 18 mai 1969 Orbite solaire
S-IVB-506 Apollo 11 16 juillet 1969 Orbite solaire
S-IVB-507 Apollo 12 14 novembre 1969 Orbite solaire. Aurait été découvert comme astéroïde en 2002 et reçut la désignation J002E3[4]
S-IVB-508 Apollo 13 11 avril 1970 Surface de la Lune*
S-IVB-509 Apollo 14 31 janvier 1971 Surface de la Lune*
S-IVB-510 Apollo 15 26 juillet 1971 Surface de la Lune*
S-IVB-511 Apollo 16 16 avril 1972 Surface de la Lune*
S-IVB-512 Apollo 17 7 décembre 1972 Surface de la Lune*
S-IVB-513 Apollo 18 (annulée) Johnson Space Center
S-IVB-514 Inutilisé Kennedy Space Center
S-IVB-515 Converti en Skylab B National Air and Space Museum

(* Voir la liste des objets artificiels sur la Lune pour localisation.)

Explosion au sol[modifier | modifier le code]

Le 20 janvier 1967, l'étage S-IVB 503, positionné sur le banc de tests Beta 3, explose juste avant l'allumage de son moteur, détruisant l'étage. L'enquête révélera qu'une des 8 sphères d'hélium chargée de la pressurisation des réservoirs de carburant à explosé (utilisation de mauvais matériaux pour réaliser les soudures)[5].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « SP-4206 Stages to Saturn » (consulté le 27 juillet 2014)
  2. (en) « Ground ignition weights » (consulté le 27 juillet 2014)
  3. (en) Roger E. Bilstein, « 5. Unconventional cryogenics : RL-10 and J-2 », SP-4206 Stages to Saturn, NASA,‎ 1996 (consulté le 27 juillet 2014)
  4. a et b (en) « Mystery object orbits Earth », NASA science news,‎ 20 septembre 2002 (consulté le 27 juillet 2014)
  5. a et b (en) « Les autres bancs d'essais Saturn - SACramento Test Operations (SACTO) », CapCom Espace (consulté le 27 juillet 2014)
  • (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « S-IVB » (voir la liste des auteurs)
  • (en) Marshall Space Flight Center, Apollo systems description : Saturn launch vehicles (Technical memorandum X-881), vol. 2,‎ 1er février 1964 (lire en ligne), chap. 4 (« section XXI - Structures »), p. 21-178, consulté le 27 juillet 2014.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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