L'Homme aux portes de l'espace

Introduction :

Le rêve d’explorer l'espace a inspiré les auteurs de science-fiction bien avant de pouvoir être concrétisé.
Pendant le XXième siècle furent développés les moyens de propulsion, pour permettre la construction de fusées.
La conquête spatiale a été l’un des enjeux majeurs de la seconde moitié du XXème siècle, car elle fut marquée à ses débuts par une forte rivalité entre les États-Unis d'Amérique  et l'URSS, pour des prestiges nationaux.
Ce rêve demeura irréalisable durant des siècles car aucun moyen ne permettait de se déplacer dans le vide sans support. Ce rêve se réalisa grâce aux nombreux progrès scientifiques.


 

 

Un dilemme pour l'élite scientifique
 
La propulsion à réaction

Par quel moyen parviendra-t-on à explorer l’espace?

La solution à ce problème semble tout d'abord si inimaginable que les auteurs des premiers récits de voyages spatiaux se contentent de suggérer des moyens fous comme des navires à voiles, des ballons ...
Dans De la Terre à la Lune, Jules Verne a imaginé un énorme projectile qui serait lancé vers la Lune par un gigantesque canon ! De la simple imagination ?
La solution à ce problème existant depuis plusieurs siècles a été trouvée par un savant russe
appelé Constantin Tsiolkovski .
Dans son ouvrage théorique L'exploration de l'espace cosmique par des engins à réaction (1903), il décrit une fusée à réaction qui emporterait son oxygène sous forme liquide, assez puissante pour se libérer de l'attraction terrestre et atteindre d'autres planètes. Il écrit la loi fondamentale du rapport de masse impliquant le découpage de la fusée en plusieurs étages.
La fusée serait en effet le seul moyen pour s’affranchir de la gravité terrestre pour voyager dans le vide spatial. 


 C’est la loi universelle de la gravitation :
Deux corps A et B, de masses Ma et Mb, séparés par une distance d, exercent l'un sur l'autre des forces attractives de même valeur.
C’est elle qui maintient les planètes en bon ordre autour du Soleil, c’est aussi elle qui fait en sorte que nous gardons nos pieds sur Terre.

Toutefois, Tsiolkovski vit dans un coin reculé de Russie, ses travaux passent inaperçus. Ce n’est que dans les années 1910 et 1920 que d’autres savants arrivent aux mêmes conclusions que lui. Toutefois, entre le concept théorique de la fusée et sa mise en pratique, il y a un gouffre.
L’américain Robert Goddard est le premier à le franchir en lançant en 1926 une fusée qui s’élève à douze mètres.

Un phénomène physique

La troisième loi de Newton, la loi des d'action-réaction est l'application directe de mettre en place ce procédé c'est à dire:

''Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'égale intensité, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B''



   

 

 

 

 

 

Application de la troisième loi de Newton et principe de la fusée

La propulsion par réaction est ainsi l’unique moyen actuel de voyager dans l'espace. Son fonctionnement repose sur un phénomène naturel ( la gravité terrestre ) énoncé par Newton, appelé principe de l'action et de la réaction.

La fusée s'appuie sur les gaz éjectés et fonctionne parfaitement dans le vide. La propulsion est d'autant plus forte que le débit est important et que la vitesse d'éjection est élevée.
La fusée à trois étages doit emporter son
combustible et son comburant. Ces derniers brûlent ensemble dans une chambre de combustion. La réaction créée par celle-ci permettra à la fusée de décoller. Les gaz acquièrent ensuite leur vitesse final d'éjection par détente et accélération dans une tuyère. Cette vitesse est d'autant plus grande que pression et température de combustion sont élevées.
Le moteur éjecte à très grande vitesse d’importantes quantités de gaz dans une direction donnée. Par réaction à la masse de gaz ainsi générée, le lanceur est propulsé dans la direction opposée. La force délivrée s’appelle la poussée, qui doit au minimum être supérieure au poids du lanceur.
On doit préciser notamment que tout objet sur Terre est attiré vers le sol due à la gravité. Les gaz chaud expulsés des moteurs d'une fusée exercent une poussée s'opposant à la gravité, ce qui propulse la fusée vers le haut.


 

 

 

Evolution de la fusée

Bien que le principe de la fusée fut connut des scientifiques, il faut réaliser un modèle. L'idée du vol spatial se concrétisera vers la fin de la seconde guerre mondiale grâce aux progrès scientifiques allemands dans le domaine aéronautique.

Une simple passion

L’Allemagne serait au XXième le siècle où débuteront les recherches sur les fusées. De nombreux amateurs expérimentent des fusées de petite taille, faisant ainsi parler d'eux dans les journaux.
Ceux-ci testent de nombreux moteurs fusées à poudre, ou encore des fusées à eau. Le fonctionnement du moteur-fusée est novateur, le principe est la projection d’un liquide ou d’un gaz produisant une force utilisée pour les fusées. Les courses et les tirs spectaculaires attirent l’attention de la population allemande impressionnée par cette technologie moderne. La popularité des ces tirs à essais pousse un groupe de passionnés à fonder, à Berlin en 1927, le groupe : " Verien für Raumschiffahrt ".
Ils expérimentent des prototypes de fusées et publient leurs observations et leurs analyses dans le journal.
Les travaux menés par ce groupe permettent de mettre au point de nouvelles armes et de contourner l’un des principaux interdits figurant dans le traité de Versailles disant que la fabrication d’armes ne peut être possible que par l’accord des 'Puissances Alliées'. Or les fusées ne sont pas désignées comme des armes de guerre. L’armée allemande envisage dès lors l’emploi des fusées comme missiles balistiques, l’idée est d’intégrer une bombe à l’intérieur même des fusées.
Le pouvoir allemand en fait en 1929 une organisation fédérale dont Von Braun un scientifique particulièrement doué en mathématique et en physique.
Lors de la crise économique la plupart des passionnés se retrouvent au chômage mais quelques-uns parviennent tout de même à garder leurs places dont Von Braun et Donrberger.
On parvint à convaincre l’État que l'Allemagne a besoin d'une nouvelle arme, une arme stratégique. Pour cela va se mettre en place un projet qui sera l'aménagement d'un grand centre, où l'on fera des essais de tirs à longues distance à l'abri des regards indiscrets.

Un centre de recherche

Septembre 1939 est aussi le début de la Seconde Guerre Mondiale, celle-ci opposant deux camps, les Alliés (Pologne, Grande-Bretagne et pays du Commonwealth, France, Danemark, Norvège, Pays-Bas, Belgique, Yougoslavie, Grèce, puis URSS, États-Unis, Chine, et la plupart des pays de l'Amérique latine) et l'Axe (Allemagne, Italie, Japon, Hongrie, Slovaquie, etc...)

Dès 1939 un centre très moderne est bâti pour y construire des fusées stratégiques avec des outils très sophistiqués.
Von Braun, nommé directeur du projet, arrive à mettre en place les caractéristiques de la nouvelle fusée stratégique baptisé A4. Le saut technologique à accomplir est énorme il faut concevoir un moteur 50 fois plus puissant de ce qu'il existait jusqu’alors, maîtriser la combustion d'un moteur de mélange oxygène et alcool liquide, assurer le guidage d'un objet qui se dirigera à plusieurs milliers de kilomètres heures.
L'équipe se mit à construire des fusée intermédiaire, modèle réduit de l'A4, que l'on nommera A5. Le système de guidage pose beaucoup de problèmes : il faut tenir compte de la rotation de la terre, la trajectoire de l'engin pendant son vol, maintenir la fusée sur son plan de tir, contrôler l’arrêt du moteur, mesurer sa vitesse avec sa précision extrême.
De nombreux progrès sont à acquérir.

 

 

 

L'A5 n'est pas prévu pour porter des charges explosives à cette période. Dès la première tentative l'essai de l'A5 est un succès. Elle atteint une apogée de 13km, mais ce n'est qu'un jouet technologique, pas encore une arme.
En 1942, l'équipe, malgré les restrictions de l'Etat, avance à grand pas. Celle-ci dispose à nouveau de fonds du gouvernement. La mise au point d'un moteur correcte demande 25 tonnes de poussée alimenté en oxygène ( liquide par des turbo bombe et en alcool ). Celui-ci fonctionne parfaitement à l'essai, elle atteint 14 mètre de haut pour 1m80 de diamètre, un extraordinaire puzzle de 22000 pièces qui fait appel à une technologie avancée.
Malgré sa silhouette imposante la fusée est étonnement légère ( 4 tonnes de métal ) mais elle abrite dans sa partie centrale deux réservoirs capables de contenir les 5 tonnes d'oxygène liquide et les 4 tonnes d’alcool que le moteur doit consommer en une petite minute.


  

 

 

 

 

Remarque:

En effet on distingue deux type de moteurs fusées :
un type utilise des combustibles ( appelés ergols ) solides, le deuxième des combustibles liquides.

Les petites fusées comme ( l'A3 et l'A4 ) utilisent souvent ce genre de moteurs fusées, les plus grands combinent ergols liquides et solides.
Les propulseur d'appoint sont des moteurs additionnels servants à fournir une poussée supplémentaire au décollage, ils sont ensuite largués.
Les propulseur d'appoint à ergol solides sont comme des feux d'artifice : ils ne s'éteignent qu'une fois que tout le combustible est brûlé.
Les
ergols solides sont aussi appelés "poudres". En fait, ce sont des mélanges constitués de grains de sels minéraux à caractère oxydant et réducteur. Ils délivrent, en peu de temps, une forte poussée à partir d’une masse et d’un volume réduit et sont ensuite largués.
Les moteurs à ergols liquide sont plus compliqués, le combustible et le comburant doivent être stockés dans des réservoirs séparés puis mis en contact dans une chambre de combustion. C'est là que le combustible brûle, ce qui produit des gaz d’échappement chauds.


L'essai d'un V2, deux ans plus tard, se révèle être un succès, lors du test elle atteint une apogée de 91 km, ce qui se révèle être un grand un progrès scientifique.

Donberger déclare  qu'avec leur fusée ils ont atteint l'espace en démontrant que la propulsion à réaction était utilisable pour les voyages spatiaux en ce 3 octobre 1942 .Ce jour est celui d'une ère nouvelle, c'est le début du vol dans l'espace, mais tant que la guerre dure, leur tâche la plus pressante est de construire une fusée pour combattre.Mais comme il le dit, la priorité est de concevoir une arme stratégique. Pourtant à cette période-là, l'Allemagne connut ses premiers échecs militaires, le besoin d'une arme est d'autant plus urgente. La fusée devient donc un programme prioritaire.

Les Anglais, très tardivement, se rendent compte de la menace proche. La R.A.F ( force aérienne royale en anglais ) finit par repérer le site en prenant des photographies aériennes
de Peenemünde. Ils sont surpris de la grande avancée technologique qu'a prise l'Allemagne. Avec l'interprétation des photographies, les Anglais comprennent qu’une nouvelle menace pèse sur l’Angleterre. Ils décident de bombarder le site pour éteindre toutes menaces.
Les dégâts sont spectaculaires mais les chaîne de production de fusées A-4 sont intactes ainsi que ses ingénieurs. Albert Speer ( architecte allemand ) ordonne que la fabrication des fusées A-4 soit mise en sécurité au centre de l’Allemagne. Une usine souterraine baptisée Mittelwerk est aussitôt aménagée en août 1943 et sa direction confiée à Heinrich Himmler et ses SS. Les prisonniers sont exploités et durement traités. Les constructions sont faites à l'abri de tous les regards. Les Anglais pensent que la menace s'est dissipée.
Quelques temps plus tard, un rapport secret est rapporté à l'Angleterre disant qu'il est fort possible que l'Allemagne soit en train de fabriquer des bombes volantes. La Grande-Bretagne doit prendre une décision rapidement. Simultanément, la R.A.F. bombarde 
les sites de lancement V-1 et V-2 repérés. Ils ne se termineront que fin avril 1944.


Von Braun se rend aux Américains en voyant l’effondrement du troisième Reich (1945). Avec son prodigieux savoir, celui-ci fit rapidement la conquête des vainqueur en évoquant les projets futuriste de Penemünde, les fusées intercontinentales, des navettes habitées pour le vol orbital.
Les Américains s'empressent de récupérer une centaine de V2 avant que la base ne soit récupérer par les Soviétiques qui, de leur côté, mirent la main sur des centaines ingénieurs du programme de fusée.

 


 


Une grande rivalité durant la Guerre Froide

L'idée du vol spatial se concrétise vers la fin de la seconde guerre mondiale.

La guerre froide ( 1947-1989) fut une grande période de rivalité entre les États-Unis et l'URSS. A cette époque, la course vers la lune était un moyen de départager les deux côtés. Les deux puissances s'opposaient ouvertement sans pour autant provoquer une guerre directe (d'où provient le terme de Guerre Froide).

Chacun tente de démontrer sa supériorité.

La guerre froide emmène avec elle la course à l'espace, le premier des deux blocs ayant atteint l'objectif final est déclaré vainqueur. Deux superpuissances se lancent dans la course à l’armement, mais on doit aussi noter que la France s'est aussi intéressée à la conquête spatiale, en effet celle-ci a construit la fusée Ariane, et se place troisième puissance mondiale après les deux puissances.


 

Une ascension sous la pression

 

Sergueï Korolev, sous identité secrète, a été repéré pour ses talents d'ingénieurs afin d'organiser le projet spatial des Soviétiques. Il va lui falloir deux ans pour achever les plans de missiles. Au cours de ces deux années, l'URSS fera de nombreux essais qui leur permettront d’améliorer la conception du missile. Le but de Korolev serait tout d'abord d'envoyer un satellite en orbite autour de la Terre. Il rêve même d'un vol spatial habité ! Korolev sait tout de même qu'il a un rival, Von Braun. Ce dernier doit faire face à un problème : aucun crédit ne lui est affecté. Ainsi il décide de diffuser, à la population américaine par Walt Disney, la nouvelle frontière à franchir : l'espace. Il finit par conquérir son public, mais Von Braun, hanté par son passé nazi ( il a en effet durant la Seconde Guerre mondiale opté pour le travail forcé des détenus pour la construction de missiles ), demande rapidement la nationalité américaine qui le considère comme un atout pour les Américains. Il l'obtient en espérant avoir acheté son billet pour l'espace.

Un évènement majeur se produit en 1957 : l’envoi du premier satellite en orbite : Spoutnik 1, une sphère d’aluminium de 84 kilos, dont le signal sonore ( bip bip régulier ) fut capté par les radios du monde pendant une vingtaine de jours.

A peine un mois plus tard, en novembre 1957, c’est encore les Soviétiques qui font l’actualité, le premier envoi d'un être vivant : la chienne Laïka. La preuve qu'un être vivant pouvait survivre à une mise en orbite autour de la Terre et subir les effets de l'impesanteur est faite. La mission Spoutnik 2 prépara le terrain pour le vol spatial de l'homme, en fournissant aux scientifiques les premières données sur les réactions de l'organisme dans l'espace.
Les Américains ignorent les projets soviétiques ( l'identité de
Korolev étant secrète ). Mais avant qu'ils n'aient eu le temps d'améliorer quoi que soit, Korolev enverra une sonde sur le sol lunaire, nommé Luna 2.
En 1961 les Soviétiques sont prêts à envoyer un homme dans l'espace avec une R7 : Youri Gagarine.
Le projet fut un succès absolu. Gagarine entre dans l'Histoire de l'Humanité. Ce fut le premier homme à être mis en orbite, le premier à voir notre Terre depuis l'espace.

Voici un tableau comparatif du V2 au R7 :


Ce tableau met en évidence les nombreux progrès scientifiques qui ont été fait en une trentaine d'années. On remarque que la puissance de la R7 est énorme comparée aux missiles V2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'envoi du premier homme dans l'espace porte un coup dévastateur à l'Amérique qui se rend compte de l'avancée soviétique. La NASA parvint finalement elle aussi d'envoyer un homme dans l'espace. Le président John Fitzarld Kennedy annonce « Le monde a les yeux tournés vers l'espace c'est pourquoi nous irons sur la lune d'ici dix ans et encore bien d'autres choses non parce qu'elles sont faciles mais parce qu'elles sont difficiles».
Pourtant Korolev va marquer encore un point en envoyant un homme dans l'espace, appelée une sortie extravéhiculaire
.
Les Américains commencent à prendre de l'avance. Korolev à présent malade ne dispose de rien qui pourrait rivaliser. Celui-ci trouve la mort en 1966. Son identité est alors révélée au monde entier. Ce n'est pas pour autant que les deux camps arrêtent la conquête spatiale. Peu de temps après, Gagarine meurt dans un accident d'avion. Cette mort aussi proche de celle Korolev porte un coup dévastateur au programme spatial soviétique.
Les Américains prennent une avance de plus en plus importante. En 1969, ceux-ci sont les premiers à observer le sol lunaire. Ils y observeront un surprenant spectacle, « le clair de Terre » illuminant la surface désolée de la lune.

Ce clair de terre rappelle à l'humanité émerveillé entière que la Planète bleue est bien minuscule dans le cosmos.

 

 

 


 

Une nuit historique

Le 21 juillet 1969, lors de la mission Apollo 8, Neil Armstrong est le premier homme à poser le pied sur la lune. Comme il le dit « Un petit pas pour l'Homme mais un bond géant pour l'humanité ».

L'Homme regarde en direct cet évènement historique.
Ceci est un tournant décisif pour le monde entier, on passe à une vision abstraite de l'espace à une vision concrète. Ce jour restera mémorable pour toute l'humanité.

 

 

 

Dans le langage courant rare sont ceux qui font la distinction entre le poids et la masse d'un objet. Mais c'est une erreur car le poids et la masse sont deux grandeurs différentes.
La masse d'un objet mesure simplement la quantité de matière contenue dans cet objet c'est à dire la masse des particules qui constituent cet objet ( d'atomes, molécules ). Cette masse reste la même à n'importe quel endroit. Son unité est le kilogramme.
Le poids mesure la force d'attraction qu'exerce un astre sur un objet et cette force d'attraction sera d'autant plus grande que cet astre aura une masse élevée. Ce qui signifie que le poids d'un objet varie dans l'univers et dépend de l'astre où il se trouve.
Son unité est le Newton.
Masse et poids sont donc des grandeurs différentes mais sont quand même reliées l'une à l'autre par la relation suivante :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lors de l'expédition lunaire Apollo 15 de 1971, deux astronautes David Scott et James Irwin séjournèrent sur la Lune durant 64 heures.
Ils proposèrent de faire l'expérience suivante en l'hommage de Galilée :
David Scott tient dans sa main droite un marteau et dans sa main gauche une plume.
Il lâcha un marteau (1,32kg) et une plume de faucon (0,03kg) simultanément, de la même hauteur.

Voici la vidéo de l’expérience faite :

On remarque que le marteau et la plume arrive au même instant sur le sol. Logiquement un objet plus massif devrait tomber plus rapidement qu'un léger ! Non ?

L'expérience démontre qu’en l’absence d’atmosphère, la gravité agit de façon égale sur tous les corps.
Comment expliquer cela ?

La force du marteau exercée sur lune est plus grande que la force de la plume, pourtant ces deux corps tombent au même instant.
Sur Terre, ce phénomène s'explique par le fait que celle-ci possède une atmosphère et donc une résistance à l'aire,  cela fait que deux corps de masses différentes auront une chute de vitesse différente.
A la différence de la Terre, la Lune est dépourvu de toute atmosphère et donc de résistance à l'aire.
On peut en déduire qu'en absence d’atmosphère, la gravité agit de façon égale sur tout corps. Sur la Lune on appelle ce phénomène le « Principe d’équivalence » : la gravité accélère de la même façon tous les objets, quelle que soit leur masse ou le matériau dont ils sont faits.


 

 

Au cours de cette mission le bloc américain a démontré sa puissance incontestable face au bloc soviétique. Les Etats-Unis ont gagné et prennent l’avantage sur l’URSS. Cet avantage sera d’ailleurs définitif : tandis que les missions Apollo 12 à 17 réitèrent le même exploit (à l’exception d’Apollo-13, victime d’un problème technique), les Russes ne poseront jamais le pied sur la Lune. De surcroît, le contexte de détente ne justifie plus véritablement ces missions au coût exorbitant : pour Apollo, les Etats-Unis ont dû investir des milliards de dollars. Subissant la crise économique des années 1970, ceux-ci freinent leurs ambitions, en annulant les quatre dernières missions d’Apollo.
Malgré une rivalité qui demeure dans les missions d’exploration non habitée, la détente est illustrée par la coopération Apollo-Soyouse initiée en 1972, celle-ci consiste en un rendez-vous orbital des deux vaisseaux.

 

Conclusion :

La conquête spatiale fut un enjeu majeur durant le XXième siècle, elle concrétisa de nombreux rêves. Elle permit de passer d'une vision abstraite de l'espace à une vision concrète de celui-ci.
L'Homme s'est désormais approprié l'espace.
Pourtant la conquête spatiale de nos jours est encore d'actualité, en effet en 1984 plusieurs astronautes réussissaient la toute première sortie dans l’espace sans être reliés au vaisseau. E
n 1998 fut créé une station spatiale internationale nommé ISS, ou encore la conquête de Mars en y envoyant des robots pour étudier la planète Mars.