Alunissage et retour sur Terre
L’alunissage et le retour sur Terre consiste à passer de l’orbite terrestre à l’orbite lunaire, atterrir sur la Lune, et refaire le trajet en sens inverse pour regagner la Terre.
a) l'alunissage
Ce n’est qu’une fois que le vaisseau spatial entre dans le champ de gravité de la Lune que les propulseurs s’allument pour le ralentir et le placer en orbite autour de la Lune.
Un modèle lunaire est le véhicule spatial utilisé dans le cadre des programmes spatiaux Apollo pour faire descendre des hommes sur le sol lunaire. Les voyages lunaires habités sont composés de trois hommes, le dernier, dans le CSM, est donc entrain de manœuvrer le module lunaire contenant les deux autres astronautes. La Lune n’ayant pas d’atmosphère, des fusées sont utilisées pour ralentir la descente du module à environ 160 Km/h et assurer un alunissage parfait pour les passagers. De plus, la surface d’atterrissage prévue doit idéalement être dépourvue de grosses roches.
Schéma d’une LEM
http://alexandre.schwenck.pagesperso-orange.fr/images/lem4.gif
Le module lunaire d’Apollo a été conçu sur deux étages : un étage de descente pour atterrir sur la Lune, et un étage d’ascension pour ramener les astronautes en orbite lunaire. L’étage de descente, grâce à un moteur à poussées variables, va faire atterrir verticalement le vaisseau spatial. il est ensuite laissé sur la Lune. L’étage d’ascension possède son propre moteur contenant la cabine pressurisée où vivent les astronautes. Le module pèse aux alentours de 15 tonnes, ce qui représente une importante contrainte de masse.
Schéma illustrant un alunissage avec mise en orbite lunaire des missions Apollo
De 11 à 13 : corrections de trajectoire ; 14 et 15 : mise en orbite lunaire, 4j après le décollage ; 16, séparation CSM/LEM ; 17, période de révolution : 2h et 1,6 Km/s ; 19, alunissage
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Une fois posé, le module permet aux astronautes de rester sur place environ quatre jours.
Entre 1962 et 1972, 15 modules lunaires ont été construits, dont 10 ont volé et six ont atterri sur le sol lunaire.
De plus la gravité et la vitesse de libération de la Lune étant bien plus faibles que sur Terre, l’étage d’ascension va avec de faibles propulseurs retourner en orbite autour de la Lune avant de rejoindre le CSM.
b) La rentrée atmosphérique
En aérodynamique, la rentrée atmosphérique est la phase où un corps solide (naturel ou artificiel) dit corps de rentrée, entre très rapidement dans l’atmosphère à partir du vide spatial. Ce mouvement s’accompagne d’un très fort échauffement, il est notamment dû à la compression adiabatique de l’air devant le corps.
La détente et la compression adiabatiques sont des transformations thermodynamiques décrivant le comportement des fluides, notamment des gaz. Elles sont soumises à des variations de pression adiabatique : il n’y a pas d’échange de chaleur entre le système et le milieu extérieur.
Cet échauffement, dû au mouvement de la rentrée atmosphérique, s’explique par des frottements de l’air à des vitesses hypersoniques. Les vitesses hypersoniques sont dites vitesses hautement supersoniques. On considère qu'une vitesse est hypersonique à partir d'un Mach de 5 environ. Le nombre de Mach mesure le rapport entre les forces liées au mouvement et la compressibilité du fluide :
U est la vitesse de l'objet (par rapport à son environnement) et a est la vitesse de propagation ou célérité du son dans l'environnement considéré.
Or 21,9>5 mach donc la vitesse est dite "hypersonique".
La rentrée atmosphérique peut être balistique, lorsque le vaisseau n'est pas piloté mais tombe librement dans l'atmosphère. Dans le cas d’une navette spatiale, la rentrée est contrôlée si elle utilise sa portance d'une manière ou d'une autre pour s'orienter pendant la descente, comme par exemple : les capsules Gemini et Apollo. Lorsque le vaisseau est en orbite basse autour de la terre, sa vitesse de rentrée est d’environ 7 500 mètres par seconde, soit 27 000 kilomètres par heure. L’objectif est de le ralentir à moins de 100 mètres par seconde, soit 360 kilomètres par heure, avant l’ouverture des parachutes pour une capsule spatiale.
De plus, la température extrême d’environ 2 000° C sous le vaisseau ne doit pas atteindre les parties les plus importantes. Le ventre du vaisseau spatial doit être protégé par un bouclier thermique.
Enfin, l’atterrissage se fait en mer ou dans l’océan après le largage des capsules et le déploiement des parachutes. Pour les missions Apollo, le système de récupération Earth Landing System (ELS), qui est conçu pour un retour en mer, comprenait deux parachutes extracteurs, trois parachutes pilotes et trois parachutes principaux. Le couvercle de la partie avant du module était éjecté à 7 296 m d'altitude, suivi la seconde suivante par deux parachutes extracteurs en Nylon blanc de 5 m de diamètre. Ils permettaient d’orienter et de ralentir la cabine de 5 tonnes. Ainsi, la vitesse passait de 482 km/h à 281 km/h, et les parachutes principaux pouvaient se déployer en sécurité.
Schéma du largage de la capsule, atterrissage dans l’océan