L'exploration spatiale

Flèches de feu et fusées à poudre

La première fusée fut une flèche qui n'avait pas besoin d'arc. Les alchimistes chinois avaient consigné une recette de poudre noire dès 1044, dans le manuel militaire Wujing Zongyao, et en moins de deux siècles quelqu'un attacha un tube de bambou rempli de poudre à une hampe de flèche et laissa la combustion faire la poussée. Les chroniques du siège mongol de Kaifeng, en 1232, décrivent des lances à feu et des bombes « tonnerre qui ébranle le ciel » ; les historiens débattent du moment exact où la flèche de feu devint une vraie fusée, propulsée par ses propres gaz plutôt que simple porteuse de flamme, mais au XIVe siècle les armées chinoises, arabes et indiennes en lançaient par salves depuis des râteliers.

L'arme atteignit sa maturité dans le sud de l'Inde. Les armées d'Hyder Ali et de son fils Tipu Sultan, souverains de Mysore, alignaient des fusées à corps de fer plutôt que de papier ou de bambou : un tube d'environ 200 millimètres de long et de 40 à 50 millimètres de diamètre, fixé à une baguette de bambou pouvant atteindre un mètre, pour une portée d'un ou deux kilomètres. Le fer supportait une pression plus élevée que le carton, si bien que les fusées allaient plus loin et frappaient plus fort. Les récits britanniques évaluent le corps des fuséens de Tipu à plusieurs milliers d'hommes, et à Pollilur, en 1780, une salve aurait fait sauter un chariot de munitions de la Compagnie des Indes et contribué à mettre la colonne en déroute. Après la chute de Srirangapatna en 1799, des fusées de Mysore capturées furent expédiées à l'Arsenal royal de Woolwich.

Le saviez-vous ? Les célèbres fusées de William Congreve furent copiées sur les exemplaires de Mysore envoyés à Woolwich ; il améliora le corps et la baguette, mais l'idée d'une fusée en fer était indienne.

Les fusées Congreve entrèrent en service britannique en 1806. La version de 32 livres pesait environ 14,5 kilogrammes et portait à près de 2,7 kilomètres, plus loin que la plupart des canons de campagne de l'époque, et la Royal Navy en tira quelque 300 sur Copenhague lors du bombardement de septembre 1807, où la ville brûla trois jours durant. Sept ans plus tard, dans la nuit du 13 au 14 septembre 1814, le navire lance-fusées HMS Erebus tira des Congreve sur le fort McHenry, dans la rade de Baltimore. Francis Scott Key, qui observait depuis un navire parlementaire, écrivit « the rockets' red glare », la lueur rouge des fusées ; le vers devint l'hymne national américain. Le fort tint bon, ce qui en dit long : les fusées étaient terrifiantes et terriblement imprécises.

Cette imprécision explique pourquoi la fusée à poudre resta en panne pendant un siècle. Une fusée stabilisée par baguette oscille, sa poudre brûle de façon irrégulière et un vent de travers l'envoie n'importe où. Le modèle à rotation de William Hale, en 1844, qui évacuait une partie des gaz par des orifices inclinés pour faire tourner la fusée comme une balle de fusil, aida un peu, mais dans les années 1860 l'artillerie rayée atteignait ses cibles plus loin et avec bien plus de précision, et les troupes de fuséens furent discrètement dissoutes. La limite profonde était chimique : la poudre noire ne donne qu'une impulsion spécifique d'environ 80 secondes, le quart de ce qu'offre un moteur à liquides moderne, de sorte qu'aucune fusée à poudre ne pouvait emporter grand-chose, ni monter haut.

La fusée à poudre démontra le principe, puis passa cent ans comme fusée de détresse et comme lance-amarre pour les canots de sauvetage. Il fallut un nouveau carburant, et quelques rêveurs obstinés, pour en faire un véhicule.

Imaginer le voyage

Bien avant que quiconque puisse quitter la planète, on rédigeait déjà les comptes rendus du voyage. Lucien de Samosate, satiriste syro-grec du IIe siècle, envoie dans ses Histoires vraies un navire sur la Lune par un tourbillon et y trouve le roi de la Lune en guerre contre le roi du Soleil pour la colonisation de l'Étoile du matin ; il prévient que tout y est mensonge. Quatorze siècles plus tard, Johannes Kepler écrit le Somnium, un rêve dans lequel un démon emporte un voyageur sur la Lune pendant une éclipse. Kepler, qui venait d'établir les lois du mouvement des planètes, s'en sert pour décrire le ciel vu de la Lune, avec la Terre suspendue, immobile, tournant une fois par jour. Publié en 1634, quatre ans après sa mort, l'ouvrage passe pour la première science-fiction fondée sur une vraie astronomie.

Le XVIIe siècle ajouta les véhicules. L'Homme dans la Lune de Francis Godwin (1638) utilise un attelage d'oies dressées ; Cyrano de Bergerac, dans une satire publiée en 1657, tente des fioles de rosée chauffées par le soleil, puis, presque en passant, un châssis garni de pétards qui s'allument par étages. C'était une plaisanterie, et aussi la première fusée spatiale de la littérature.

Puis vint Jules Verne, qui fit ses calculs. Dans De la Terre à la Lune (1865), le Gun Club de Baltimore coule un canon de 274 mètres, la Columbiad, dans le sol du centre de la Floride et tire vers la Lune un projectile en aluminium portant trois hommes. Verne choisit la Floride pour sa proximité avec l'équateur ; il calcula une vitesse initiale d'environ 11 kilomètres par seconde, proche de la vraie vitesse de libération ; et dans la suite, la capsule amerrit dans le Pacifique pour être récupérée par un navire de guerre américain, l'USS Susquehanna. Un siècle plus tard, Apollo lança trois hommes depuis la Floride, dans une capsule en alliage d'aluminium, à un peu moins de 11 kilomètres par seconde, et les ramena par un amerrissage dans le Pacifique près d'un porte-avions. Le module de commande d'Apollo 11, Columbia, tenait en partie son nom du canon de Verne.

Le saviez-vous ? Le canon de Verne aurait tué son équipage dans le tube : atteindre la vitesse de libération en 274 mètres suppose une accélération de plus de 20 000 g, quand un humain entraîné en supporte environ 9.

H. G. Wells prit l'autre voie dans Les Premiers Hommes dans la Lune (1901), avec une substance qui écrante la gravité, la cavorite, et une Lune peuplée de Sélénites insectoïdes, et Georges Méliès fondit les deux livres dans Le Voyage dans la Lune en 1902, quatorze minutes de décors peints qui s'achèvent sur une capsule plantée dans l'œil de la Lune. C'est Wells, non Verne, qui toucha la génération suivante : Robert Goddard lut La Guerre des mondes adolescent, et Hermann Oberth lut Verne à onze ans et passa sa vie à en vérifier l'arithmétique.

Le schéma importe parce qu'il n'a cessé de se répéter. Konstantin Tsiolkovski écrivit des romans spatiaux à côté de ses équations ; Wernher von Braun écrivit un roman martien en 1949 ; Arthur C. Clarke proposa le satellite de télécommunications dans un magazine en 1945. La fiction n'a pas seulement prédit le vol spatial : elle a recruté ceux qui allaient le construire.

Tsiolkovski et l'équation de la fusée

Konstantin Tsiolkovski perdit l'essentiel de son ouïe à dix ans, à cause de la scarlatine, fut refusé à l'école et apprit seul la physique dans les bibliothèques de Moscou, se nourrissant de pain noir pour pouvoir s'acheter des livres. À partir de 1892, il enseigna l'arithmétique et la géométrie à Kalouga, ville de province à 150 kilomètres au sud-ouest de Moscou, et dans un atelier chez lui il calcula, sur le papier, comment quitter la Terre. Son carnet date le résultat clé du 10 mai 1897. En 1903, la revue Naoutchnoïe Obozrenie publia son article L'exploration de l'espace cosmique au moyen d'engins à réaction, et presque personne ne le lut.

Ce qu'il avait trouvé s'appelle aujourd'hui l'équation de la fusée : la variation de vitesse qu'une fusée peut atteindre est égale à sa vitesse d'éjection multipliée par le logarithme népérien de sa masse initiale divisée par sa masse finale. Écrite en entier : Δv = ve ln(m0/m1). Elle découle directement des lois de Newton, et un mathématicien britannique, William Moore, en avait établi une version dès 1810 pour les fusées Congreve, mais Tsiolkovski fut le premier à la pointer vers l'espace et à en voir les conséquences.

Le logarithme est la partie cruelle. La vitesse orbitale vaut environ 7,8 kilomètres par seconde, et la gravité et la traînée pendant la montée en ajoutent 1,5 ou presque : une fusée a besoin d'environ 9,4 kilomètres par seconde de Δv. Un moteur au kérosène éjecte ses gaz à près de 3 kilomètres par seconde. Divisez, prenez l'exponentielle, et la masse de départ doit valoir 23 fois la masse finale : 96 pour cent du véhicule sur le pas de tir doit être de l'ergol, et il reste 4 pour cent pour les réservoirs, les moteurs, la structure et la charge utile. Personne ne sait construire un réservoir aussi léger. Les réponses de Tsiolkovski, en 1903, sont les deux qui valent encore. Utiliser l'éjection la plus rapide possible, d'où sa proposition de brûler de l'hydrogène liquide avec de l'oxygène liquide, un couple qui ne vola qu'en 1963. Et jeter les réservoirs vides en chemin. Son article de 1929 sur les trains de fusées décrit des étages qui brûlent tour à tour et se détachent, de sorte que chaque étage suivant recommence l'équation avec un véhicule plus léger.

Le saviez-vous ? Tsiolkovski construisit en 1897 la première soufflerie de Russie, dans sa propre maison, et y testa des maquettes avec un ventilateur qu'il avait fabriqué lui-même.

Il dessina aussi la cabine pressurisée, le sas, le scaphandre, la serre en circuit fermé et la station orbitale, et écrivit de la science-fiction, Sur la Lune en 1893 et Hors de la Terre en 1920, pour porter ses idées à des lecteurs qui n'ouvriraient jamais une revue de physique. Dans une lettre de 1911, il écrivit la phrase que toutes les agences spatiales citent depuis : la Terre est le berceau de l'humanité, mais on ne passe pas sa vie dans un berceau. Il mourut à Kalouga en septembre 1935. Spoutnik fut lancé vingt-deux ans plus tard, l'année du centenaire de sa naissance, par une fusée à étages conçue par des ingénieurs nourris de ses brochures.

L'équation n'a pas changé. Chaque lanceur en service aujourd'hui, de Soyouz à Starship, est une dispute avec ce logarithme, et l'étagement reste la seule réponse qu'on ait trouvée.

Goddard et le carburant liquide

Le 16 mars 1926, dans un champ de choux enneigé de la ferme de sa tante Effie, à Auburn, dans le Massachusetts, Robert Goddard mit à feu une fusée alimentée à l'essence et à l'oxygène liquide. Elle brûla 2,5 secondes, monta à 12,5 mètres et retomba 56 mètres plus loin dans le champ gelé, à une vitesse moyenne d'environ 96 kilomètres par heure. Quatre personnes regardaient : Goddard, sa femme Esther avec une caméra dont la pellicule s'épuisa, son assistant Henry Sachs et un collègue de l'université Clark, Percy Roope. C'était le premier vol d'une fusée à ergols liquides, et cela ne ressemblait à rien : un châssis de trois mètres en tubes fins, avec un petit moteur en haut et les réservoirs en dessous. Goddard pensait qu'un moteur placé au-dessus des réservoirs stabiliserait l'engin, comme on tire une charrette ; il n'en est rien, comme il le découvrit vite. La date, les chiffres et la photographie de Goddard à côté du châssis viennent de son journal méticuleux.

Goddard, professeur de physique à l'université Clark de Worcester, poursuivait ce but depuis un jour de 1899 où, à dix-sept ans, perché dans un cerisier, il avait imaginé un engin capable de monter jusqu'à Mars. Il breveta la fusée à liquides et la fusée à étages en 1914, et son article de 1919 pour la Smithsonian, Une méthode pour atteindre des altitudes extrêmes, mentionnait en note qu'une fusée pourrait porter de la poudre éclair jusqu'à la Lune. Le New York Times publia le 13 janvier 1920 un éditorial raillant un homme à qui manquait « le savoir distribué chaque jour dans les lycées », puisque tout le monde savait qu'une fusée a besoin d'air pour s'appuyer. La troisième loi de Newton dit le contraire. Le journal publia un correctif le 17 juillet 1969, alors qu'Apollo 11 était en route vers la Lune.

Le saviez-vous ? Après un vol bruyant de 1929 à Auburn, qui attira pompiers et journalistes, un titre local annonça que la « fusée lunaire » de Goddard avait manqué sa cible de 238 799 milles et demi.

Les moqueries, et l'interdiction de nouveaux lancements dans le Massachusetts, le rendirent secret. Charles Lindbergh s'y intéressa et, à partir de 1930, la famille Guggenheim finança l'installation de Goddard à Roswell, au Nouveau-Mexique, où en une décennie de travail discret il résolut la plupart des problèmes de la fusée moderne : pilotage gyroscopique par déflecteurs mobiles dans le jet, turbopompes, refroidissement régénératif de la chambre, poussée orientable. En mars 1935, l'une de ses fusées passa le mur du son, et en 1937 une autre atteignit environ 2,7 kilomètres. Il déposa ou obtint 214 brevets, beaucoup à titre posthume par l'intermédiaire d'Esther, et ils couvrent presque chaque pièce d'un V2 ou d'une Saturn V.

Pourtant, son influence sur ceux qui construisirent ces machines resta mince, parce qu'il publiait si peu. Les ingénieurs allemands de Peenemünde travaillaient à partir du livre d'Oberth et de leurs propres essais ; quand ils virent plus tard ses brevets, Wernher von Braun déclara que Goddard avait été en avance sur eux tous. Goddard mourut en août 1945, trois mois après la chute du dernier V2.

Le Goddard Space Flight Center de la NASA, dans le Maryland, porte son nom. Le champ de choux est aujourd'hui un terrain de golf avec une petite stèle, à peu près l'attention qu'il reçut de son vivant.

Oberth et les sociétés de fuséologie

La fusée entra dans les années 1920 sous forme de livre. Hermann Oberth, Saxon de Transylvanie qui avait lu Verne à onze ans, présenta en 1922 à Heidelberg une thèse sur les fusées, qui fut refusée ; il la publia à compte d'auteur en 1923 sous le titre Die Rakete zu den Planetenräumen, La Fusée vers les espaces planétaires, 92 pages denses prouvant qu'une fusée à ergols liquides pouvait quitter la Terre, transporter des hommes et survivre au voyage. Le livre s'épuisa et accomplit ce que les pionniers précédents n'avaient pas réussi : il créa un lectorat, qui en une décennie s'organisa en clubs sur trois continents, et les clubs tiraient des fusées.

La Verein für Raumschiffahrt allemande, la Société pour la navigation spatiale, fut fondée à Breslau en juillet 1927 et disposa dès 1930 d'un foyer : le Raketenflugplatz, un ancien dépôt de munitions à Berlin-Reinickendorf, loué par Rudolf Nebel. Klaus Riedel construisait les moteurs, Willy Ley rédigeait la publicité, et un étudiant en ingénierie de dix-neuf ans nommé Wernher von Braun vint donner un coup de main. Leurs fusées Mirak et Repulsor, guère plus qu'un moteur et deux réservoirs, atteignaient un kilomètre environ ; en 1932, la société comptait 87 vols et 270 essais statiques. Johannes Winkler, premier président de la VfR, avait fait voler la première fusée à liquides d'Europe, la HW-1, près de Dessau le 14 mars 1931. Puis l'armée allemande vint frapper à la porte, le club se dissout en 1934, et von Braun partit travailler pour elle.

Le saviez-vous ? Le compte à rebours fut inventé par un cinéaste : Fritz Lang ajouta « zehn, neun, acht... » à La Femme sur la Lune en 1929 pour le suspense, et les vrais lancements l'adoptèrent.

Oberth lui-même avait passé 1929 comme conseiller scientifique du film de Lang, qui montrait une fusée à deux étages, des couchettes d'accélération et l'apesanteur à bord, et il promit au studio une vraie fusée pour la première. Il fut blessé lors d'un essai et la fusée ne vola jamais, mais le film toucha un public que le livre ne pouvait atteindre. À New York, l'éditeur de science-fiction David Lasser et le journaliste G. Edward Pendray fondèrent l'American Interplanetary Society le 4 avril 1930 ; leur deuxième fusée s'éleva de Staten Island le 14 mai 1933 jusqu'à environ 75 mètres avant que son réservoir d'oxygène n'éclate. À Moscou, le Groupe d'étude de la propulsion par réaction, le GIRD, se forma en 1931 autour de Friedrich Zander, de Mikhaïl Tikhonravov et d'un concepteur d'avions de 24 ans, Sergueï Korolev. Leur GIRD-09, brûlant de l'essence gélifiée avec de l'oxygène liquide, monta à environ 400 mètres au-dessus de Nakhabino le 17 août 1933, première fusée soviétique à liquides ; cet automne-là, le GIRD et le laboratoire de Valentin Glouchko à Leningrad fusionnèrent en un institut d'État. La British Interplanetary Society, fondée à Liverpool en 1933 par Philip Cleator, ne pouvait tirer aucune fusée à cause de l'Explosives Act de 1875 ; elle conçut donc sur le papier, et produisit en 1939 la première étude sérieuse d'un atterrisseur lunaire.

Le schéma se répète dans les quatre villes : un livre, un club, un terrain, une fusée rudimentaire, puis l'État. Les amateurs prouvèrent que les fusées à liquides étaient réelles et formèrent ceux qui allaient les industrialiser. Oberth vécut jusqu'à quatre-vingt-quinze ans, assez pour voir décoller Apollo 11 aux côtés de son ancien élève von Braun.

Depuis, chaque lancement commence par le dix de Fritz Lang.

Le V2

À 15 h 58, le 3 octobre 1942, une fusée A4 s'éleva du banc d'essai VII de Peenemünde, sur l'île baltique d'Usedom, monta à 84,5 kilomètres et retomba en mer à 190 kilomètres de là. Deux tentatives de l'été avaient échoué ; celle-ci réussit, et Walter Dornberger, l'officier de l'armée qui dirigeait le programme, dit ce soir-là à ses ingénieurs qu'ils avaient ouvert la porte du voyage spatial. La machine qu'il décrivait est celle que l'histoire appelle le V2, pour Vergeltungswaffe, « arme de représailles », nom que le ministère de la Propagande lui accola en 1944.

Elle mesurait 14 mètres de haut, 1,65 mètre de diamètre et pesait 12,5 tonnes pleine, dont 8,8 tonnes d'ergols : un mélange d'éthanol à 75 pour cent et d'eau, et de l'oxygène liquide, alimentés par une turbopompe entraînée par la vapeur du peroxyde d'hydrogène. Le moteur fournissait environ 25 tonnes de poussée, 245 kilonewtons, pendant quelque 65 secondes, au terme desquelles le missile filait à environ 1 600 mètres par seconde, quatre fois et demie la vitesse du son. Trois gyroscopes mesuraient son attitude ; des gouvernes en graphite dans le jet et de petites gouvernes sur les quatre ailerons le pilotaient ; un accéléromètre ou un faisceau radio coupait le moteur à la vitesse prévue. L'ogive contenait 738 kilogrammes d'amatol. Sur un tir opérationnel, la trajectoire culminait vers 88 kilomètres et le vol complet jusqu'à une cible à 320 kilomètres durait environ cinq minutes, l'arrivée se faisant à vitesse supersonique, sans avertissement. Chacun de ces chiffres figure dans les archives d'essais de Peenemünde tombées aux mains des Alliés en 1945.

Le saviez-vous ? Un tir vertical d'essai, le 20 juin 1944, atteignit 176 kilomètres : premier objet fabriqué par l'homme à franchir la ligne de Kármán et à entrer dans ce qu'on définit aujourd'hui comme l'espace.

Les chefs du programme étaient Dornberger et Wernher von Braun, directeur technique à trente ans. Après le bombardement de Peenemünde par la RAF en août 1943, la production passa sous terre, au Mittelwerk, des tunnels creusés dans la colline du Kohnstein près de Nordhausen, où les détenus du camp de concentration de Mittelbau-Dora assemblaient les missiles dans le froid, la poussière et la faim. Environ 6 000 V2 furent construits. Les historiens estiment qu'environ 20 000 détenus moururent à Dora et dans ses annexes, davantage que les quelque 9 000 personnes tuées par le V2 sur ses cibles, et les chiffres ne sont pas contestés : plus de gens moururent à construire le V2 qu'il n'en tua.

Les attaques commencèrent le 8 septembre 1944, sur Paris le matin et sur Chiswick, dans l'ouest de Londres, à 18 h 43, où trois personnes moururent à Staveley Road. Sur environ 3 170 fusées tirées en opérations, Anvers en reçut près de 1 600 et Londres près de 1 350, dont un seul impact sur un Woolworths de New Cross qui tua 168 clients. Près d'un tiers des lancements échouèrent. Le dernier tomba le 27 mars 1945. Comme arme, ce fut un échec stratégique, qui coûta plus à l'Allemagne qu'aux Alliés ; comme machine, ce fut l'ancêtre de tous les missiles balistiques et de tous les lanceurs construits dans les quinze années suivantes, par les deux superpuissances.

Le V2 est le point où les deux récits du vol spatial se rejoignent, l'ingénierie et le bilan moral, et aucun ne peut se raconter sans l'autre.

Paperclip et la moisson soviétique

Le V2 ne s'arrêta pas en 1945 ; il fut partagé. Dans les dernières semaines de la guerre, les armées américaine, britannique et soviétique coururent vers le Mittelwerk, ses missiles et les hommes qui les comprenaient, et les parts que chacune prit fixèrent le rythme de la décennie suivante. Le 2 mai 1945, Magnus, le frère cadet de Wernher von Braun, descendit à bicyclette une route de Bavière pour trouver un soldat américain et livrer l'équipe ; von Braun avait déjà choisi son geôlier, en déplaçant vers le sud quelque 500 ingénieurs et 14 tonnes de documents, devant l'Armée rouge. L'armée américaine atteignit les tunnels du Mittelwerk, près de Nordhausen, le 11 avril et, avant de céder la zone aux Soviétiques le 1er juin, sa Special Mission V-2 en sortit l'équivalent d'une centaine de missiles en pièces, dans 341 wagons.

L'opération Paperclip, le programme qui amena des scientifiques allemands aux États-Unis, conduisit 118 membres de l'équipe des fusées à Fort Bliss, au Texas, fin 1945, von Braun parmi les sept premiers arrivés. Au polygone de White Sands, au Nouveau-Mexique, ils remontèrent des V2 pour des équipes américaines ; le premier lancement, le 16 avril 1946, échoua, le second, le 10 mai, atteignit 112 kilomètres. Le 24 octobre 1946, un V2 emportant une caméra 35 millimètres monta à 105 kilomètres et rapporta les premières photographies de la Terre depuis l'espace, des images granuleuses montrant la courbure de la planète. Soixante-sept V2 volèrent de White Sands jusqu'en 1952, emportant des instruments et, deux fois, des singes.

Le saviez-vous ? Le premier lancement depuis Cap Canaveral, Bumper 8, le 24 juillet 1950, était un V2 coiffé d'un second étage WAC Corporal ; un Bumper précédent avait atteint 393 kilomètres en février 1949, un record qui tint des années.

La Grande-Bretagne, sans budget pour un programme de missiles, mena plutôt l'opération Backfire : à Cuxhaven, en octobre 1945, des équipes allemandes sous supervision britannique lancèrent trois V2 vers la mer du Nord afin que la procédure soit filmée et documentée. L'Union soviétique, arrivée dans un Mittelwerk vidé, assembla ce qu'elle put avec les Allemands restés sur place, dont Helmut Gröttrup, chef du groupe de guidage du V2. Dans la nuit du 22 octobre 1946, lors de l'opération Osoaviakhim, les troupes de sécurité soviétiques réveillèrent quelque 2 200 spécialistes allemands et leurs familles et les mirent dans des trains vers l'est. Le groupe de Gröttrup passa six ans sur une île du lac Seliger, consulté mais tenu à l'écart du vrai travail. L'équipe de Sergueï Korolev lança son premier V2 de fabrication allemande depuis le nouveau polygone de Kapoustine Iar le 18 octobre 1947, fit voler la copie soviétique, la R-1, le 10 octobre 1948, et l'allongea en R-2, de portée double, dès 1950. Les Allemands rentrèrent chez eux à partir de 1951 ; les Soviétiques n'avaient plus besoin d'eux.

Le bilan est déséquilibré mais pas simple. Les Américains eurent les chefs et la paperasse ; les Soviétiques eurent l'usine, les ingénieurs de production et une décennie de dure pratique, et furent quand même les premiers en orbite. Les fusées des deux nations dans les années 1950, Redstone comme R-5, étaient des V2 qui avaient grandi.

Une moitié de programme de missiles capturé, il s'avéra, suffisait à lancer une course à l'espace.

Comment fonctionne une fusée

Une fusée est une machine qui jette de la masse par l'arrière aussi vite que possible. La troisième loi de Newton fait le reste : chaque kilogramme de gaz brûlant projeté vers l'arrière pousse le véhicule vers l'avant avec une force égale, dans l'air comme dans le vide, et le vide vaut même mieux, puisqu'aucune atmosphère n'appuie sur la sortie de la tuyère. La poussée est le débit massique multiplié par la vitesse d'éjection. Le premier étage de Saturn V brûlait environ 13 tonnes d'ergols par seconde et les éjectait à près de 2,6 kilomètres par seconde, soit à peu près 34 méganewtons, assez pour soulever 2 900 tonnes à 1,2 fois leur poids.

Le second nombre qui compte est l'impulsion spécifique, la vitesse d'éjection divisée par l'accélération de la pesanteur, mesurée en secondes : combien de secondes un kilogramme d'ergol peut fournir un kilogramme de poussée. Elle dépend de la chimie. Les propergols solides, comme dans les propulseurs de la navette spatiale, donnent environ 240 secondes et une poussée énorme ; le kérosène et l'oxygène liquide, comme dans le F-1, environ 300 dans le vide ; les hypergoliques, qui s'enflamment au contact, utilisés par Proton et la plupart des moteurs de manœuvre, un peu plus ; le méthane et l'oxygène du Raptor de SpaceX autour de 350 ; l'hydrogène et l'oxygène liquides du RS-25 de la navette environ 452, le meilleur résultat de tout moteur chimique, au prix d'un carburant si léger que ses réservoirs sont immenses.

Faire entrer les ergols dans la chambre est la partie difficile. Une chambre fonctionne à 70 bars dans le F-1 et à plus de 250 bars dans le RD-180 russe ; les turbopompes, turbines entraînées par des gaz chauds, doivent donc pousser plus fort que cela : celle du F-1 délivrait 41 mégawatts, autant que les moteurs d'un grand navire. L'origine de ces gaz chauds définit le cycle du moteur. Un moteur à générateur de gaz, comme le F-1 ou le Merlin, brûle un peu d'ergol dans une chambre séparée et rejette l'échappement à l'extérieur, simple et légèrement gaspilleur. Un moteur à combustion étagée, comme le RS-25 ou le RD-180, renvoie cet échappement dans la chambre principale pour le brûler à nouveau, gagnant en rendement et en complexité. Le Raptor fonctionne en combustion étagée à flux intégral, chaque gramme d'ergol passant d'abord par une turbine.

Le saviez-vous ? La tuyère en cloche fut inventée en 1888 par l'ingénieur suédois Gustaf de Laval pour les turbines à vapeur ; sa forme convergente-divergente accélère les gaz au-delà de la vitesse du son.

La tuyère transforme la pression en vitesse. Le gaz atteint Mach 1 au col étroit et continue d'accélérer à mesure que la cloche s'élargit, pour sortir à Mach 3 ou plus ; un moteur du vide a une cloche plus grande parce qu'aucun air ne repousse le jet. Tout cela sert à combattre des pertes : l'orbite basse exige 7,8 kilomètres par seconde de vitesse mais environ 9,4 de Δv total, la différence étant mangée par la gravité pendant la montée, la traînée et le pilotage, raison pour laquelle les fusées s'inclinent dès qu'elles l'osent.

Le F-1 donnait 6,77 méganewtons au niveau de la mer, le RD-180 3,83, le RS-25 1,86, un Raptor 3 environ 2,75 ; les plus grosses fusées actuelles en montent simplement davantage. Chacun est une explosion contrôlée tenue stable pendant des minutes, et qu'ils fonctionnent est le miracle discret de toute l'affaire.

Atteindre l'orbite

Une orbite est une chute qui manque sans cesse sa cible. Isaac Newton en fit le dessin dans les années 1680 : un canon sur une haute montagne tire de plus en plus vite, chaque boulet retombant plus loin, jusqu'à ce que l'un aille si vite que le sol se dérobe sous lui aussi vite qu'il tombe, et qu'il revienne frapper l'artilleur par-derrière. Rien ne retient un satellite en l'air. La Station spatiale internationale, à 400 kilomètres d'altitude, tombe en permanence ; elle se déplace simplement de côté à 7,7 kilomètres par seconde, et la planète se courbe pour s'écarter de son chemin. L'apesanteur à bord est celle d'un ascenseur dont le câble a cédé.

L'altitude est bon marché et la vitesse coûte cher. Atteindre 100 kilomètres, la ligne de Kármán que l'organisme des records prend pour frontière de l'espace, demande environ 1,4 kilomètre par seconde à la verticale ; l'orbite demande 7,8 à l'horizontale, et cette vitesse représente 95 pour cent de l'énergie. Voilà pourquoi une fusée ne monte que brièvement avant de basculer en virage gravitationnel, troquant l'altitude contre la vitesse dès que l'air dense est derrière elle.

Le saviez-vous ? La rotation de la Terre offre gratuitement 465 mètres par seconde à un lancement vers l'est depuis l'équateur : le port spatial européen de Kourou, à 5 degrés nord, peut placer une ou deux tonnes de plus en orbite géostationnaire que Baïkonour, à 46 degrés.

Ce bonus de rotation explique la carte. Kourou en Guyane, Cap Canaveral à 28 degrés, Sriharikota à 13, Wenchang à 19 : les sites de lancement se serrent près de l'équateur et tirent vers l'est au-dessus de la mer. Baïkonour, à 46 degrés au Kazakhstan, ne tire de la rotation que 320 mètres par seconde, et Plessetsk, à 63 degrés, environ 210 ; et l'ISS orbite à 51,6 degrés d'inclinaison parce que c'est l'angle le plus bas que Baïkonour puisse atteindre sans faire tomber d'étages vides sur la Chine.

L'orbite choisie dépend du métier. L'orbite basse, sous 2 000 kilomètres, sert aux stations et à la plupart des satellites ; l'orbite héliosynchrone, trajectoire quasi polaire vers 700 kilomètres qui survole chaque lieu à la même heure locale, sert à l'observation de la Terre ; l'orbite géostationnaire, à 35 786 kilomètres au-dessus de l'équateur, est celle où la période de 24 heures du satellite égale la rotation terrestre et où il reste suspendu au-dessus d'un point. L'orbite soviétique Molniya, ellipse de 12 heures inclinée à 63,4 degrés, s'attarde au-dessus de l'Arctique, invisible des satellites géostationnaires. L'atteindre se fait en deux temps : le lanceur place le satellite sur une longue ellipse de transfert et, à son extrémité, le moteur du satellite l'arrondit, le transfert de Hohmann que Walter Hohmann calcula en 1925, pour environ 2,4 kilomètres par seconde de plus.

Ce qui monte redescend, lentement. Même à 400 kilomètres, il reste assez d'air pour faire descendre l'ISS d'environ 2 kilomètres par mois, si bien qu'on la rehausse quelques fois par an ; Spoutnik dura 92 jours, Skylab tomba sur l'Australie-Occidentale en 1979 et Mir fut dirigée vers le Pacifique en 2001. Au-dessus d'environ 1 000 kilomètres, un satellite restera des siècles, ce qui est le début du problème des débris spatiaux. L'orbite n'est pas un lieu mais une vitesse, et chaque lancement est une dispute sur la façon de l'acheter au meilleur prix.

Korolev et von Braun

La course à l'espace fut menée par deux ingénieurs qui ne se rencontrèrent jamais et n'auraient pas pu être présentés l'un à l'autre. L'un était un nom que le monde entier connaissait : Wernher von Braun, baron, présentateur de télévision, père de la Saturn V. L'autre était un secret d'État. Jusqu'au lendemain de sa mort, en janvier 1966, les journaux soviétiques n'appelèrent Sergueï Korolev que le Constructeur en chef, et quand le comité Nobel demanda qui honorer pour Spoutnik, Nikita Khrouchtchev répondit que le mérite revenait au peuple soviétique tout entier.

Korolev, né à Jitomir en 1907, était un concepteur d'avions qui dirigea le premier vol d'une fusée à liquides du GIRD en 1933. En juin 1938, pendant les purges staliniennes, il fut arrêté sur des accusations fabriquées, battu jusqu'à avoir la mâchoire brisée, et condamné à dix ans. Il passa l'hiver 1939-1940 dans la mine d'or de Maldiak, à la Kolyma, où le scorbut lui prit presque toutes ses dents et faillit lui prendre la vie ; les lettres de sa mère et l'intervention du constructeur d'avions Andreï Tupolev le firent transférer dans un bureau d'études pénitentiaire, une charachka, où il travailla sous garde jusqu'en 1944. Envoyé en Allemagne en 1945 pour étudier le V2, il tira de la copie R-1 la R-5, premier missile nucléaire soviétique, puis la R-7, fusée de 280 tonnes et 32 moteurs qui vola le 21 août 1957, lança Spoutnik six semaines plus tard et Gagarine en 1961, et dont les descendantes emmènent encore des équipages vers la station. Il dirigea le programme à force de charme, d'intimidation et d'un cœur usé par les camps, et mourut sur une table d'opération à 59 ans.

Le saviez-vous ? La forme de la R-7, un corps central flanqué de quatre propulseurs, vient de ce que Korolev devait emporter une bombe à hydrogène de trois tonnes avant que les physiciens ne la miniaturisent ; cette surpuissance devint la fusée spatiale.

Von Braun, né à Wirsitz en 1912, adhéra au parti nazi en 1937 et à la SS en 1940, où il devint commandant ; les archives montrent qu'il visita le Mittelwerk et connaissait les conditions des détenus. Il dit ensuite qu'il n'aurait rien pu faire ; les historiens jugent qu'il choisit de ne pas essayer. Une brève arrestation par la Gestapo en 1944, pour avoir parlé de vol spatial plutôt que d'armes, et sa reddition aux Américains permirent de le réinventer. Aux États-Unis, il construisit le Redstone, le Jupiter et le Juno I qui mit Explorer 1 en orbite le 31 janvier 1958, après l'explosion en direct du Vanguard de la Marine. Il vendit l'espace au public dans Collier's et dans trois émissions Disney à partir de 1955, dont la première, Man in Space, rassembla environ 40 millions de téléspectateurs. De Huntsville, en Alabama, il dirigea la Saturn V et la regarda voler treize fois sans échec.

Chacun savait l'autre là et vivait la course comme un duel : les ingénieurs de Korolev étudiaient les plans de Saturn dans la littérature américaine ouverte ; von Braun fit pression sur Washington après Spoutnik en désignant un rival qu'il ne pouvait nommer. La mort de Korolev laissa la fusée lunaire soviétique en des mains plus faibles ; von Braun quitta la NASA en 1972, quand la lignée Saturn fut abandonnée, et mourut en 1977.

La course opposa deux hommes autant que deux systèmes, et celui qui l'a gagnée reste le plus difficile à juger.