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Le programme lunaire habité soviétique avait pour but d'envoyer un cosmonaute sur la Lune, de préférence avant les astronautes américains du programme Apollo pour les battre dans la course à l'espace lancée depuis 1955.
Le projet est victime des désaccords profonds entre les principaux responsables des programmes spatiaux soviétiques : Sergueï Korolev, d'une part, chargé de développer le programme lunaire et en particulier le lanceur géant N-1 (l'équivalent soviétique de la fusée Saturn V du programme américain Apollo), qui considère comme indispensable, pour une mission habitée, d'utiliser des carburants/comburants à la fois plus performants et non toxiques et, d'autre part, Valentin Glouchko, responsable presque unique jusque-là de la propulsion des fusées soviétiques, partisan d'utiliser comme carburant des ergols toxiques qu'il maîtrise bien. Valentin Glouchko s'allie au rival de Korolev, Vladimir Tchelomeï (responsable du projet Proton), pour proposer un projet plus gigantesque encore que le projet N-1, le projet modulaire UR-700, qui vise à permettre un atterrissage direct sur la Lune, sans passer par une mise en orbite lunaire préalable. Faisant appel à des moteurs RD-270 à carburants toxiques, le projet UR-700 ne voit jamais le jour et est arrêté en 1969.
Gravement handicapée par la mort de Korolev en 1966, la fusée N-1, de son côté, rencontre des problèmes de développement majeurs, et, malgré des moteurs très performants, est victime de défaillances fatales lors des quatre lancements effectués entre 1969 et 1972. Les responsables soviétiques décident de mettre fin au programme en 1973. Son existence qui était tenue secrète depuis le début des développements sera niée par la suite. L'existence du programme lunaire sera officiellement reconnue par les responsables soviétiques à la suite de la mise en place de la politique de la glasnost (transparence) en 1986.
Le projet lunaire habité échoua donc, d'une part, du fait de l'incapacité de l'URSS à fédérer les ressources sur un projet unique, et, d'autre part, du fait du retard pris sur le développement d'une propulsion faisant appel à l'hydrogène et l'oxygène comme carburant/comburant.
En revanche, le projet beaucoup moins ambitieux de Vladimir Tchelomeï, le UR-500 « Proton », conçu au départ comme un ICBM géant, capable d'un vol circumlunaire habité (mais non de se poser sur la Lune), connut tout d'abord des échecs, mais devint de plus en plus fiable à partir de . Les fusées Proton permirent à l'URSS de placer des satellites en orbite géostationnaire, et d'envoyer des sondes vers la Lune, Mars et Vénus. Dans les années 1990, les fusées Proton devinrent l'outil essentiel des lancements commerciaux effectués par la Russie. Mais elles ne permirent jamais l'envoi d'une mission habitée vers la Lune.
Sur la demande de Sergueï Korolev, directeur du bureau d'études OKB-1 de l'Institut de R&D no 88 (ОКБ-1 НИИ-88), la section 12 dirigée par M. V. Melnikov débute en 1957 des études sur un moteur ionique. L'on espère qu'à l'horizon 1959, il pourrait propulser le vaisseau habité TMK-E vers Mars (lequel aurait néanmoins nécessité 36 000 m2 de panneaux solaires). Aussi, Konstantin Feoktistov propose l'utilisation d'un réacteur nucléaire pour alimenter le moteur ionique. Le , le Comité central du Parti communiste de l'Union soviétique (PCUS) confie d'ailleurs par décret le soin à deux bureaux d'études différents (l'OKB-456 de Valentin Glouchko et l'OKB-670 de Mikhaïl Bondaryuk) de concevoir des moteurs-fusées propulsés par un réacteur nucléaire, toujours en vue d'une mission habitée vers Mars qui durerait du au . Pour ce faire, on pense que la N1 serait parfaitement adaptée. Le , ce rêve grandiose s'évanouit avec la décision de Korolev d'abandonner les études sur des fusées propulsées par énergie nucléaire.
Les ébauches de la future N1 débutent en 1959 sous la direction de Korolev au sein de l'OKB-1. En , les autorités militaires réunissent les trois constructeurs généraux, Korolev, son rival Vladimir Tchelomeï de l'OKB-52 et Mikhaïl Yanguel de l'OKB-586 afin de faire un bilan de l'avancement de leurs études. Korolev propose la famille de lanceurs N (abréviation du russe Nositel pour lanceur) ainsi que des versions améliorées de la Semiorka, Tchelomeï une famille évolutive : UR pour Универсальная ракета (Universalnaïa Raketa - « fusée universelle »), basée sur un 1er étage commun (qui donnera naissance aux projets UR-500 Proton[1] et UR-700[2]) et Yanguel les missiles balistiques R-26 et R-36 plus le lanceur SK-100. Finalement, Tchelomeï et Yanguel sont autorisés à développer des missiles balistiques, respectivement le léger UR-100 et le lourd R-36. Korolev reçoit des fonds pour développer le lanceur Molnia (8K78), une adaptation de la Semiorka, mais rien pour la N1, dont on ne perçoit pas encore l'utilité[3], [4].
Finalement, un décret de janvier 1960 autorise les études sur la N1[5] et Korolev exprime dans la Pravda « La possibilité d'une exploration directe de la Lune, tout d'abord par l'atterrissage de sondes scientifiques automatiques... et plus tard par l'envoi de chercheurs et la construction d'une station scientifique habitée sur la Lune. »[6] Dans une lettre du , Korolev demande la création d’une filière de production d’hydrogène liquide comme le font les États-Unis, puis en , le développement d’une famille de lanceurs lourds. Seule la dernière demande sera acceptée par un décret de juin 1960[7]. De 1960 à 1963 serait réalisé le lanceur lourd N1 d’une capacité de 40–50 tonnes en orbite basse terrestre (LEO) et de 12–20 tonnes en orbite d’évasion pour un 1er vol en 1965. Cette date est fixée en par un décret qui ordonne à Vladimir Tchelomeï d'abandonner ses recherches sur les sondes interplanétaires Kosmoplan et de se concentrer sur une version de son Raketoplan, le vaisseau lunaire LK-1.
Alors que le , le premier secrétaire du PCUS Nikita Khrouchtchev demande à son protégé Tchelomeï [8] d'engager la phase de définition d'un lanceur, le UR-500 Proton (Прото́н) et du vaisseau LK-1 en vue d'un vol habité circumlunaire (dont la date n'est pas fixée) [3], Korolev, qui est en désaccord avec l'utilisation d'ergols toxiques[3],[9], riposte en proposant une mission de débarquement lunaire basée sur un vaisseau concurrent, le Soyouz (Союз), apte à des rendez-vous en orbite et un module d'atterrissage. En février 1962, une réunion secrète a lieu à la station balnéaire de Pitsounda, sur la mer Noire, et ménage la chèvre et le chou en autorisant le développement du Proton de Tchelomeï comme de la N1 de Korolev[10]. En avril 1962 est approuvée la configuration générale de l'UR-500, qui tient compte des caractéristiques de l'UR-700, qui ne bénéficie d'aucune autorisation de développement. Enfin, le , Khrouchtchev demande à Korolev le développement d'une version améliorée de la N1 apte à lancer la station spatiale militaire de 75 tonnes Zvezda (OS-1) mais une charge utile lunaire n'est toujours pas évoquée[11]. Par ailleurs, Glouchko reçoit le feu vert pour étudier les moteurs RD-270 de la UR-700. Déjà mauvaises depuis les années 1930[1], les relations de Glouchko, qui bénéficie d'un quasi-monopole sur la construction de moteurs-fusées, avec Korolev se sont déjà détériorées au point que ce dernier lui préfère dès 1959 l'OKB-276 du constructeur de moteurs à réaction Nikolai Kouznetsov. Ces rivalités d'hommes minent l'effort spatial soviétique dans sa course à la Lune[12].
Par ailleurs, le , soit 3 ans après le discours du président des États-Unis John Fitzgerald Kennedy[13], Nikita Khrouchtchev décide les programmes Proton (Прото́н) / Zond (Зонд, « sonde ») de survol inhabité de la Lune et N1-L3 de débarquement d’un cosmonaute, bien que « les militaires fussent plus intéressés par les missiles balistiques que par la Lune et au milieu des rivalités, d'une organisation chaotique et d'un budget étriqué, l'effort soviétique se solda par des échecs cuisants. »[14]. Le ministère des Constructions mécaniques générales (MOM), comprenant 2 millions de salariés environ à la fin des années 1980, « créé dès 1965 pour gérer l’ensemble des activités de recherche et de production, avait aussi pour mission, en devenant l’interlocuteur obligatoire des principaux responsables d’entreprises et de programmes, les constructeurs généraux, de limiter les rapports directs que ceux-ci avaient établis avec les responsables politiques. Car, comme l’a montré le programme lunaire, ces relations avaient entraîné rivalités et gaspillage des ressources. »[15].
De 1962 à 1967, Tchelomeï et Glouchko espèrent griller la priorité à Korolev et à son projet N1/L3 avec le lanceur modulaire UR-700 et le train lunaire LK-700, conçus pour un atterrissage direct en mai 1972. Avec un argument : du moment que Korolev refuse le design modulaire pour sa N1, elle doit être construite sur le site de lancement sans que son 1er étage puisse être essayé statiquement avant le vol. À l'inverse, les éléments de l'UR-700 peuvent être testés à l'usine Khrounichev de Moscou, transportés par rail[16] et être rapidement assemblés au cosmodrome de Baïkonour. Tchelomeï présente son projet d'UR-700 à Khrouchtchev lors d'une rencontre à Baïkonour le , à laquelle participe également Korolev. Décision est prise d'examiner la contre-proposition, qui est cependant mise de côté durant un an après le limogeage du Premier secrétaire et son remplacement par Léonid Brejnev.
Les travaux sur l'ébauche de l'UR-700 sont autorisés en octobre 1965[17], bien que Tchelomeï y travaille depuis 1962[18]. En septembre 1966, la VPK (commission militaro-industrielle) décide de comparer sérieusement l'UR-700 et le N1[19]. Le lanceur mesure 76 mètres, pèse 4 823 tonnes pour une charge utile de 151 tonnes en orbite terrestre basse (LEO) et de 50 tonnes en orbite de transfert lunaire. Il concurrence directement la Saturn V[20].
Il comprend 3 étages fonctionnant au carburant diméthylhydrazine (NH2-N(CH3)2) et au comburant peroxyde d'azote (N2O4) :
Le troisième étage, basé sur le premier étage de Proton, place le train lunaire LK-700 sur une orbite d'attente à 200 km de la Terre. Le LK-700 est équipé de 4 étages compartimentés presque identiques, et d'un étage avec le module d'atterrissage et la capsule lunaire. Les trois étages extérieurs sont mis à feu pour placer le train lunaire sur une orbite translunaire. L'étage intérieur central est utilisé pour des corrections de trajectoire pendant le voyage, placer le train sur son orbite lunaire, et continue à fonctionner jusqu'à arriver juste au-dessus de la surface. Le vaisseau accomplit la dernière étape en douceur en se posant, alors que les trains servent de plate-forme de lancement, lorsque le module propulse la capsule LK-700 pour son retour vers la Terre.
Le lanceur Proton mesure 44 mètres de haut (sans sa charge utile de 5,7 tonnes vers la Lune), possède un diamètre maximal de 7,4 mètres et pèse 680 tonnes.
Il comprend 3 étages fonctionnant au carburant diméthylhydrazine (NH2-N(CH3)2) et au comburant peroxyde d'azote (N2O4) :
Le lanceur Proton dont le premier tir réussi eut lieu en 1965 était encore utilisé en 2023.
(Зонд)
Début octobre 1968, le général Kamanine estime (ou espère) qu'Apollo 8 n'a aucune chance de succès car Saturn V n'a volé que deux fois (avec un demi-échec) et que les États-Unis n'ont encore jamais envoyé de vaisseau autour de la Lune. Le , en vue de battre ces derniers sur le fil, l'URSS doit obligatoirement utiliser la fenêtre de tir du 8-. Le 1er vol habité d’un 7K-L1 est fixé au puis repoussé au , tandis que les équipages Valeri Bykovski-Nicolaï Roukavichnikov et Pavel Popovitch-Vitali Sevastianov (équipage de secours), sélectionnés le , s'entraînent à la Cité des étoiles. Alors qu'un Proton et un Zond sont prêts dans le hall d'assemblage, tous les quatre s'envolent vers le cosmodrome et attendent huit jours un ordre de lancement qui ne viendra pas.
Dès le , Kamanine diagnostique les raisons de l'échec soviétique du vol circumlunaire habité : dissensions entre l'Armée de l'air (VVS) et ses opposants, dispersion des moyens entre entités responsables chacune d'une partie du vol habité : Forces des missiles stratégiques (RSVN), Marine (VMF), État-major et armée de l'Air qui, selon lui, devrait être seule chargée des vols habités. Kamanine note également que l'État a dépensé 10 milliards de roubles dans le programme N1 sans effet visible et dénonce plus généralement le concept des vols habités automatiques et se prononce en faveur de vols pilotés, citant les exemples du Soyouz, qui ne seront habitables qu'en 1968[28], tandis que les capsules Gemini (de Gemini 3 en 1965 à Gemini 12 en 1966) ont volé dix fois et les capsules Apollo (Apollo 7 et Apollo 8 en 1968) deux fois. En conclusion, il estime que ce système a donné 2 à 3 ans d'avance aux États-Unis au détriment de l'URSS. À la suite des 20 orbites lunaires effectuées par Apollo 8 les 24-, il déclare « Aujourd'hui, quand les trois astronautes d'Apollo 8 survolent la Lune, le monde entier peut voir à quel point nous sommes en retard en matière de vols pilotés. Leur vol est vraiment un événement historique : c'est un grand jour pour toute l'humanité. Nous éprouvons toutefois une certaine amertume en pensant à nos possibilités manquées. »[29].
Le programme Proton/Zond ne s'arrête pas pour autant, mais les efforts se concentrent désormais sur le programme N1-L3[30].
L'existence du lanceur N-1 n'est révélée que durant la glasnost par les Izvestia. À la même période, la revue spécialisée Znanye Cosmonavtika Astronomiya en publie des plans, issus du journal de Vassily Michine, le successeur de Korolev, vendu 190 000 dollars aux enchères, en 1993, aux États-Unis[29].
Fin 1964, Korolev propose un lanceur de 2 200 tonnes pour une charge utile de 72 tonnes. Finalement, le projet N1 retenu en 1967 (un an après la mort de Korolev) mesure 112,5 mètres de haut, pèse 2 700 tonnes pour une charge utile de 95 tonnes. De dimensions similaires à la fusée lunaire Saturn V, la N1 est plus puissante (4 620 tonnes de poussée au décollage, contre 3440 pour Saturn V)[8].
Elle comprend 4 étages fonctionnant au kérosène RP-1 (le carburant) et à l'oxygène liquide (LOX) (le comburant)[31], facile d'emploi mais moins performant que le couple hydrogène/oxygène liquides :
Ils comprennent :
Selon l'OKB-1 (aujourd'hui RKK Energia), tous les essais statiques des moteurs sont couronnés de succès.
Le vaisseau lunaire LOK (Lunniy Orbitalny Korabl) ou L1K ou 7K-L3 est la version la plus lourde du vaisseau Soyouz puisque, avec une masse de 9 850 kg, il pèse 4 tonnes de plus que le Soyouz A (1963) et 3 de plus que le Soyouz 7K-OK (1967-1971). Il est également plus long (10,06 m) et plus large (2,93 m de diamètre).
Il comprend :
Les modules lunaires soviétiques ont donné lieu à de nombreuses ébauches, comme la version initiale L3 (1963) puis le LK de Sergueï Korolev (qui est finalement retenu en 1964), les LK-3 (1962) et LK-700 (1966) de Tchelomeï, les L3M (2 versions) de Korolev (1972) et LEK (1969-1974), les KLE (1964-1974) et Lunokhod de Tchelomeï ; le module DLB de Barmine (1962-1974), les LZM et LZhM de Korolev (1975), une autre version du Lunokhod et le LEK (1975) de Glouchko pour la base lunaire Vulkan. LK (Lunniy Korabl).
La mission est prévue pour durer 11 ou 12 jours. Elle comprend les séquences suivantes :
Tel n'est pas le cas des 4 lancements du site 110[40] du cosmodrome de Baïkonour de la fusée lunaire N1, qui sont des échecs tous dus à une défaillance du 1er étage :
Une réunion houleuse de la commission chargée d'analyser l'échec du 1er lancement a lieu les - entre officiels et constructeurs généraux du programme, où tous les problèmes - dit-on - auraient été identifiés et corrigés. Vladimir Barmine refuse que les moteurs soient éteints avant 15-20 secondes de vol afin de prévenir une destruction du pas de tir, mais le temps presse et cette mesure n'est décidée que pour le 3e vol. Mstislav Keldysh, soutenu par le ministre de la MOM Georgi Tyulin, déclare que si le 2e vol échoue, la N1 devra effectuer un autre vol d'essai sans le LOK et prédit que, même en cas de succès, le LOK et le LK ne seront pas optimaux à temps pour gagner la course contre les États-Unis. Michine, le premier adjoint de Korolev n'est pas d'accord et veut que le LOK fasse partie du 3e vol et exige que le train lunaire L3 complet serve à l'atterrissage lors du 4e vol. Konstantin Bushuyev déclare qu'un vol circumlunaire est pour l'heure impossible. Ivan Serbin, un officiel soviétique, rappelle que les ordres du Comité central du PCUS concernaient un 2e vol circumlunaire. Finalement, Leonid Smirnov, président de la commission militaro-industrielle VPK du Comité central, conclut sur la mission prévue pour l'anniversaire de la Révolution d'Octobre au cours de laquelle 3 vaisseaux Soyouz seraient simultanément en orbite terrestre, 2 s'amarrant tandis que le 3e filmerait l'événement[42] ;
Par contre, les essais par d'autres lanceurs auront été plutôt des succès :
Michine avait travaillé sur le projet amélioré N1F (qui consiste en un remplacement des moteurs des 3 étages par, respectivement, des NK-33, NK-43 et NK-31) en vue du lancement d'une station spatiale, la future Saliout (Салют)[45].
En , autorisation est donnée 10 ans après la demande de Korolev de développer pour la N1F un étage supérieur à plusieurs moteurs-fusées cryotechniques (hydrogène liquide/oxygène liquide) nommé bloc Sr. En , l'OKB-276 de Kouznetsov est chargée de développer la N1F d'une capacité de 105 tonnes en LEO. L'ébauche du programme est validée en [46] puis en [47]. Le programme est étudié dès le . Le Lunar Expeditionary Complex (LEK) comprend toujours un vaisseau Soyouz intégré dans une coiffe pressurisée (dite OB), qui permet le passage direct sans sortie extravéhiculaire du module orbital BO au module d'atterrissage L3M. D'une masse de 23–25 tonnes, d'une hauteur de 9,3 m, d'une envergure maximale de 9,4 m et d'un diamètre de 4,4 m, il peut largement accueillir 3 cosmonautes pour une durée de 90 jours. La séquence de descente et de remontée est la même que pour le LK.
Alors que deux N1F sont prêtes à être lancées (la première au 4e trimestre 1974), Michine est remplacé par Glouchko, qui annule le les 5e et 6e lancements de la N1 (no 8L et 9L), tout comme la totalité du programme lunaire N1-L3, sans qu'aucun décret de la VPK l'y autorise[48]. Ironiquement, le , Glouchko plaide (sans succès) auprès de la même commission en faveur de la base lunaire permanente Vulkan de Michine, qui devait être lancée par des N1 !
Le coût du programme N1-L3 est chiffré en janvier 1973 à 3,6 milliards de roubles, dont 2,4 milliards pour la N1 seule. En 1976, le montant de 6 milliards de roubles est inscrit à pertes et profits.
Aucun des 24 cosmonautes lunaires[49] n'approchera la Lune.
Après ce fiasco, « le gouvernement [...] décida de cacher ce qui avait eu trait au programme lunaire [...]. On détruisit tout ce qui pouvait l'être : documents, films et même les deux derniers exemplaires de la fusée. » À Leninsk, la ville-dortoir du cosmodrome de Baïkonour, on peut encore voir un garage construit avec des éléments du 3e étage de la N1, des parties de la coiffe du L3 recyclées à divers usages plus ou moins variés (embarcations, pare-soleil, auvent de porcherie, etc)[50].
Tout ce programme était couvert, comme bien d'autres projets scientifiques ou militaires, par le secret d'État le plus absolu. Aucune communication officielle sur l'existence des efforts soviétiques pour atteindre la Lune ne fut effectuée, et l'échec de ceux-ci fut enterré au nom de la raison d'État au point que le célèbre journaliste américain Walter Cronkite annonça gravement à son public au cours des années 1970 que l'argent utilisé par le programme Apollo a été gaspillé, car « les Russes n'avaient jamais été dans la course » [51].
Ce n'est qu'avec la glasnost à la fin des années 1980 que l'on commence à voir paraître quelques informations sur le sujet et il a fallu attendre la chute de l'URSS pour que les dossiers s'ouvrent complètement.
Les moteurs NK-33 et NK-43 à flux intégré sont encore les plus puissants jamais produits. Malgré l'ordre de destruction, 46 d'entre eux sont stockés - jusqu'en 2009 - dans un hangar des usines de Kouznetsov (aujourd'hui Dvigateli NK) à Samara pour une future utilisation[29].
Le , un moteur NK-33 est testé avec succès sur les bancs d'essai d'Aerojet à Sacramento et est renommé en AJ26-58/-59 [52]. En , l'AJ26-58/-59 est proposé pour équiper le lanceur réutilisable Kistler k-1 de Rocketplane Kistler, qui en commande 76 après 5 tests réussis au banc (136 tonnes de poussée durant 450 secondes). Le lanceur K-1 aurait dû utiliser 3 AJ26-58/-59 sur son 1er étage et un AJ26-60 sur le 2e mais la NASA annonce en la fin du financement de ce projet[53]. Par ailleurs, l'agence spatiale japonaise JAXA s'est intéressée à l'AJ26-58/-59 pour propulser le 1er étage d'une version évoluée de son lanceur à poudre J-1 [54], tout comme Kelly Space & Technology de San Bernardino pour son avion spatial EXPRESS, avant de lui préférer le RD-120[55].
En 2009, l'usine Motorostroytel de Kouznetsov, de Samara, prévoit d'engager la fabrication de ces moteurs d'ici 2014 et de les utiliser sur le lanceur américain Antares[56], mais un échec de ce lanceur en 2014 fait abandonner ce projet[57].
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