Apollo 8 et la relativité générale

Lors de son tour d’Europe, avec sa femme et ses deux fils, du 2 au 21 février 1969, Frank Borman répétait souvent pour amuser la galerie, que ses coéquipiers d’Apollo 8 et lui-même méritaient des heures supplémentaires parce qu’ils avaient vieilli environ 300 microsecondes de plus que les habitants sur Terre.

Il se trouve que la NASA avait demandé au physicien Carroll Alley* (1927-2016) de l’Université du Maryland de calculer les phénomènes liés aux équations de la relativité générale formulées par Albert Einstein, auxquels seront soumis les astronautes. En effet, une horloge atomique qui s’éloigne de la Terre (de tout corps massif) prend de l’avance par rapport à celle qui reste sur la surface, du fait de la diminution du champ de gravitation; le temps s’écoule plus vite. La relativité prédit également qu’une horloge en mouvement ralentit par rapport à celle restée « immobile » au sol, impliquant cette fois que le temps s’écoule plus lentement (Paradoxe des jumeaux). Il convient donc de tenir compte de ces deux effets inverses !

Le Dr Carroll Alley en a ainsi conclu que la vitesse d’Apollo 8 est le facteur prédominant tant que le vaisseau se trouve à moins de 6 500 km de la Terre, jusqu’à cette distance le temps « ralenti », et les astronautes vieillissent moins rapidement que s’ils étaient restés sur Terre. Passé ces 6 500 km, les effets de la gravitation diminuent significativement et dès lors le temps à bord du vaisseau Apollo s’écoule plus rapidement que sur Terre. La différence entre les deux donne + 300 microsecondes.

En réalité les calculs d’Alley ne sont valables que pour William Anders qui effectuait là son premier vol, car en ce qui concerne Frank Borman et James Lovell il faut tenir compte du fait qu’ils ont effectué d’autres vols spatiaux, en orbite autour de la Terre. Ainsi les mêmes Borman et Lovell  à bord de Gemini VII ont passé deux semaines dans l’espace (du 4 au 18 décembre 1965), pendant lesquels le facteur prépondérant a bien évidemment été la vitesse, au cours de ce vol ils ont donc vieilli moins vite que les personnes sur Terre, de 400 microsecondes. James Lovell a également commandé la mission Gemini XII (du 11 au 15 novembre 1966) pendant laquelle il a rajeuni d’encore quelque 100 microsecondes.

En résumé, pour revenir à la boutade de Frank Borman, si William Anders a bien fait 300 microsecondes de travail supplémentaire, James Lovell et Frank Borman ont travaillé respectivement 200 et 100 microsecondes de moins que ce qui a été comptabilisé sur Terre, ils ont donc été trop payés par rapport à leur temps de travail effectif sur l’ensemble de leurs vols spatiaux !

 

* Il est le scientifique à l’origine des rétro réflecteurs déposés sur la Lune par les missions Apollo 11, 14 et 15, et toujours utilisés à ce jour.

 

Anecdote dans l’anecdote : Le système GPS (Global Positioning System) est l’application la plus connue de la relativité d’Einstein. Le GPS utilise une constellation de 32 satellites qui orbitent autour de la Terre à 20 200 kilomètres d’altitude, à une vitesse d’environ 14 000 km/h, pour calculer des centaines de millions de positions au sol chaque jour. Sachant qu’à cette altitude, la gravité terrestre est 17 fois moindre qu’au niveau du sol, au bout de 24 heures, une horloge atomique située à bord d’un satellite GPS aura 45 microsecondes d’avance sur la même horloge atomique au sol. La vitesse fait qu’une horloge en mouvement à 14 000 km/h ralentit légèrement, d’environ 7 microsecondes par jour. Il faut donc tenir compte de ces deux effets pour synchroniser les horloges à bord des satellites avec celles au sol pour corriger cette différence, soit + 45 microsecondes – 7 microsecondes = 38 microsecondes d’avance par jour, soit une erreur de 10 km !

Le discours d’investiture de Richard Nixon, et Apollo

Le lundi 20 janvier 1969, lors de son discours d’investiture, juste après avoir prêté serment, le nouveau Président des Etats-Unis, Richard Nixon (1913-1994) a notamment déclaré : « A ceux qui voudraient être nos adversaires, nous les invitons à une compétition pacifique, non pas pour conquérir des territoires ou étendre une domination, mais pour enrichir la vie de l’Homme. Alors que nous explorons les étendues de l’espace, allons sur ces nouveaux mondes ensemble, non pas pour les conquérir, mais comme une nouvelle aventure à partager… Il y a quelques semaines à peine, nous avons partagé la gloire de la première vision de notre Monde tel que Dieu le voit, comme une sphère isolée réfléchissant la lumière dans la nuit. Alors que les astronautes d’Apollo (N.D.T. Apollo 8) survolaient la grise surface de la Lune, la veille de Noël, ils nous ont décrit la beauté de la Terre, et d’une voix si claire malgré la distance nous séparant, nous les avons entendu évoquer la bénédiction de Dieu et sa bonté. A ce moment-là, cette vision de la Terre depuis la Lune a tellement bouleversé le poète Archibald MacLeish, qu’il a écrit :

« De voir la Terre, comme elle est réellement, petite et bleue et magnifique, flottant dans ce silence éternel, c’est nous voir tels que nous sommes, tous des passagers de cette Terre, frères sur cette beauté lumineuse dans le froid éternel, des frères qui savent désormais qu’ils sont vraiment frères. »*

En ce moment de triomphe technologique, les hommes ont tourné leurs pensées vers leur foyer et l’humanité, réalisant depuis cette perspective lointaine que la destinée de l’homme sur la Terre n’est pas divisible, nous révélant que quelle que soit la distance que nous atteindrons dans le cosmos, notre destinée n’est pas dans les étoiles mais bien sur Terre, entre nos mains et dans nos cœurs. »

Lors de la parade** qui a suivie, figurait un char de la NASA (photo ci-dessus issue de la Nixon Presidential Library) sur lequel étaient disposés une maquette grandeur nature du Module Lunaire (avec deux astronautes factices pour donner l’échelle) et le vrai vaisseau Apollo 7. Les astronautes Walter Schirra, Donn Eisele, et Walter Cunningham précédaient le char dans une voiture décapotable. Il faisait 2°C ce jour là à Washington D.C.

Exactement six mois après l’investiture de Richard Nixon, Neil Armstrong et Buzz Aldrin marchent sur la Lune !

*Edité sur la première page du New York Times le jour de Noël 1968 « A Reflection : Riders on Earth Together, Brothers in Eternal Cold »

**C’est la première fois qu’un char NASA et des astronautes faisaient partie de cette parade. Lors de la deuxième parade de Nixon, le 20 janvier 1973, c’est une maquette du « rover lunaire » qui est présentée. A ce moment-là, le programme Apollo avait vécu !

Le bruit des moteurs de la Saturne V

Le décollage d’une Saturne V générait l’un des bruits (ou plutôt une onde de choc) les plus puissants au monde, qu’il soit naturel ou généré par l’Homme, d’après les études du Lamont Geological Observatory [désormais Lamont-Doherty Earth Observatory (LDEO)] qui est un laboratoire de recherche en sciences de la Terre de l’université Columbia situé à Palisades, dans l’État de New York. Le physicien William Donn (1918-1987) a calculé en 1967 que seule une explosion nucléaire génère un « bruit » d’origine humaine plus puissant.  Quant aux bruits naturels ce sont l’éruption du Tambora en 1815 qui a généré un « bruit » estimé à 320 dB SPL (Sound Pression Level ou Niveau de Pression Acoustique), et l’explosion de Tunguska survenue en Sibérie le 30 juin 1908, à 310 dB SPL, qui surclassent celui de la Saturne V. (Parmi les phénomènes naturels terrestres référencés dans l’époque Historique).

Le bruit de la navette spatiale au décollage était de 190 DB SPL au niveau des moteurs. Au-delà de 194 dB SPL on ne parle plus de pression acoustique mais d’onde de choc !

Au niveau des moteurs F1 le bruit maximal mesuré est de 214,5 dB SPL au Centre Spatial Kennedy, pour la version du F1 générant une poussée de 709 tonnes (6,95 MN) au niveau de la mer. Le bruit enregistré lors des premiers tests statiques sur le banc d’essai B-2 de la Mississippi Test Facility (Centre Spatial Stennis depuis 1988) est de 204 dB SPL (première version du F1 de 690 tonnes de poussée (6,77 MN) ce qui constitue encore un record à ce jour !

La NASA indique également une valeur de 91 dB à 9384 mètres (5,8 miles) du pas de tir, ce qui donnerait 182 dB au niveau des moteurs, puisque le nombre de décibels SPL décroit avec la distance, ainsi chaque fois que l’on double la distance en champ libre (sans obstacle) on retire 6dB (Dans une atmosphère homogène isentropique). 182 dB est une valeur théorique qu’il faudrait pouvoir corréler avec la pression atmosphérique, la vitesse et le sens du vent, le degré d’hygrométrie etc., à l’instant où la mesure a été enregistrée… Ainsi par exemple les sons se propageant plus loin par temps humide que par temps sec.

Des sources externes à la NASA indiquent même la valeur de 220 dB SPL… Pour l’instant je garde la valeur maximale NASA de 214,5 dB SPL.  Je rappelle que lorsque le niveau de bruit augmente de 3 décibels, la dose de bruit reçue par l’oreille double !

Une onde de choc équivalente à cette valeur entraine une hausse de température qui fait fondre le béton et enflamme de l’herbe à environ 1,5 km de distance. Aussi, lors du décollage il est impératif d’atténuer ces ondes sonores en inondant continuellement le pas de tir avec d’énormes quantités d’eau ; la « réverbération » de ces dernières détruirait la base du lanceur, 190 000 litres d’eau étaient déversés sur le pas de tir chaque minute (contre 3 406 870,61 litres par minute pour la navette car la charge utile et les astronautes étaient plus proches du sol et l’engin beaucoup plus « trapu »)

  • A 20 mètres des moteurs un observateur serait soumis à 177 dB SPL, soit l’équivalent de l’explosion d’environ 500 g de TNT à 5 mètres de distance, une onde de choc de plus de 160 km/h vous heurte, la mort instantanée assurée…
  • A 100 mètres les 163,5 dB SPL vous empêchent de respirer, vos tympans « explosent », vous n’y voyez rien, vos organes internes sont compressés, vous ne pouvez pas déglutir à cause des vibrations…  C’est la mort en quelques minutes.
  • Entre 500 mètres et 1 km, (entre 150 dB et 145 dB SPL), vos tympans sont perforés, votre thorax compressé, vous avez du mal à déglutir, votre vision est brouillée… Vous avez de grandes chances de garder de très graves séquelles d’une telle expérience !
  • A 2 km et ses 137 dB SPL vos oreilles sont toujours gravement endommagées, lorsque l’onde de choc vous atteint, vous avez l’impression d’être plaqué au sol par un joueur de rugby… Hormis vos oreilles, votre corps ne subit pas de dommages permanents.
  • A 5 250 mètres qui est la distance entre le complexe de lancement 39 et le VAB ou le LCC, le bruit est de 128 dB SPL ! c’est comme si vous mettiez votre tête dans une corne de brume de paquebot ou dans l’avertisseur sonore d’un train.
  • A quelque 6 km, où se trouve l’emplacement d’où le public peut voir le décollage, le niveau de bruit s’élève encore à 127 dB SPL.   Le premier vol de la Saturne V

Le lancement où le bruit, ou du moins son ressenti, a été le plus « assourdissant » fut celui d’Apollo 12 en raison d’un plafond très bas, certaines ondes sonores ont été réverbérées ou « rétrodiffusées » par les couches nuageuses de températures différentes. Notamment les infrasons qui peuvent entrer en résonnance avec certains organes digestifs, cardio-vasculaires, respiratoires, et les globes oculaires…

Lors des premiers tests des cinq moteurs F1, la NASA a enregistré 160 plaintes de « riverains »…  Il y avait pourtant une « zone tampon acoustique » circulaire de 506 km2…

Tout cela pour dire que la NASA a bien évidemment dû tenir compte de ces facteurs pour déterminer l’emplacement des pas de tir par rapport aux structures et bâtiments du centre Spatial Kennedy, et surtout la distance à laquelle les médias, les spectateurs, peuvent assister aux lancements sans protection particulière ! La valeur retenue pour cette étude est de 210 dB SPL au niveau des moteurs !

Apollo 14, les voeux de réussite du Président Nixon

Le 30 janvier 1971, la veille du lancement, le Président Richard Nixon qui se trouve alors à Caneel Bay dans les Îles Vierges américaines, envoie ses vœux de réussite personnalisés aux trois astronautes d’Apollo 14, Alan B. Shepard, Edgar D. Mitchell, et Stuart A. Roosa. Le message pour Shepard est le suivant: « Le courage et la détermination dont vous avez fait preuve pour surmonter le sort et revoler mérite notre admiration unanime, ici comme à l’étranger. Que cette mission importante soit confiée à notre premier Homme dans l’espace nous rend particulièrement fier et confiant dans sa réussite. »

Les journaux américains commentent les problèmes d’amarrage d’Apollo 14

« Alors que le monde attend fébrilement l’issue du problème d’amarrage, il y a un fort sentiment de déception à l’idée que tous les efforts, l’entrainement et la préparation pour cette mission soient mis en péril. »  Dans le New York Times du 1er février 1971.

Le même jour, l’éditorial du Washington Evening Star, qualifie Apollo 14 de mission sous pression. Une mission dont certains aspects présentent des caractéristiques qui méritent d’être relevées. Il s’agit de la première mission Apollo dont l’équipage est composé d’astronautes qui n’ont jamais été en orbite terrestre, et commandée par un vétéran qui cumule un total de 15 minutes dans l’espace. La mission est  sous la responsabilité du plus vieil Homme à aller dans l’espace, le premier américain à avoir volé sur une fusée, et le seul astronaute à avoir réintégré les rotations de vol après une longue période d’inactivité forcée due à des problèmes médicaux. C’est la première mission Apollo dont le lancement a été reporté en raison de conditions météorologiques. C’est la première mission qui doit faire face à un incident sérieux dès le premier jour. C’est une mission dont l’issue, de l’avis de beaucoup de personnes haut placées au sein de l’agence spatiale, décidera du futur des vols habités. »