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 (dans l’atmosphère terrestre au niveau de la mer, dont la pression moyenne est de 101 325 Pa) 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 9 384 mètres (5,8 miles) du pas de tir, ce qui donnerait 182 dB au niveau des moteurs, puisque le nombre de décibels 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, la température, le degré d’hygrométrie etc., à l’instant où la mesure a été enregistrée… Ainsi par exemple les sons se propagent 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 double ! Toutes les vibrations générées ne sont bien évidemment pas perceptibles par l’oreille humaine qui n’est sensible en moyenne qu’à des fréquences comprises entre 20 Hz (fréquence la plus grave) et 20 000 Hz (fréquence la plus aiguë).

Nous évoquons ici  « l’intensité sonore » réelle, et non pas telle qu’elle est perçue par une oreille humaine. (Pour cela on utilise des tableaux de pondérations physiologiques ; dB(A), dB(B), dB(C), selon la fréquence…)

Une onde de choc équivalente à 214,5 dB SPL 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 3 400 000 litres par minute pour la navette, 18 fois plus, 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 théoriquement 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 théoriquement 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 !

210 dB SPL = 632 455,5 Pa = 1 000 000 000 W/m2

Dans la video ci-dessous les ondes de choc successives sont clairement visibles (7 premières secondes). Merci à laserfloyd.

Gene Bylinsky à propos de la Saturne V

Le journaliste spécialisé dans la science et la technologie du magazine « Fortune », Gene Bylinsky (1930-2008) dans son remarquable article intitulé  « Dr. von Braun’s All-Purpose Space Machine » (La machine spatiale à tout faire du Dr von Braun) paru dans le numéro de mai 1967,  avait calculé que la Saturne V pouvait lancer l’équivalent de 1 500 Spoutnik I, 9 000 Explorer I, ou 42 capsules Gemini !

Dans cet article publié quelques six mois avant le tout premier lancement de la fusée « ultime » (le 9 novembre 1967 très exactement), le journaliste écrit que « la Saturne V sera probablement utilisée pour explorer Mars et les autres planètes du système solaire. Monstrueuse fusée  qui peut envoyer 140 tonnes en orbite terrestre, 47 tonnes vers la Lune, 20 tonnes vers Mars » !

En réalité, seulement 15 Saturne V seront fabriquées au coût unitaire de 120 millions de dollars (870 millions en USD constants), et seuls treize lancements auront lieu !

Malheureusement la Saturne V ne sera jamais « la machine spatiale à tout faire du Dr von Braun » !

Crédit photo de couverture : Barrett Gallagher

Un ingénieur de Boeing inspecte la tuyère d’un des cinq moteurs F1 du premier étage de la fusée Saturne V / NASA Assembly Facility, New Orleans

De l’explosion d’une Saturne V sur son pas de tir

A ce jour, plus de quarante ans après son dernier vol (14 mai 1973), la Saturne V reste la fusée opérationnelle la plus puissante jamais mise en activité en termes de capacité de satellisation en orbite basse terrestre (140 tonnes) et vers la Lune (49 tonnes). Un monstre développant une poussée au décollage de plus de 33 millions de newtons et emportant dans ses flancs la bagatelle de 2,5 millions de kg d’ergols. Si une Saturne V avait explosée, l’énergie libérée aurait équivalu à celle d’une petite bombe atomique d’une demi kilotonne soit 1/26 ème de la bombe d’Hiroshima.

C’est pourquoi la NASA diligenta des études pour évaluer les effets du plus effroyable des scénarios catastrophe : l’explosion d’une Saturne V sur son pas de tir !

Il s’agit là du pire scénario envisageable car c’est sur le pas de tir qu’elle présente  le plus de danger avec ses réservoirs pleins et que le système d’ejection doit sans coup férir être capable d’extraire le module de commande avec suffisamment de célérité et de puissance pour sauver les astronautes. (La puissance du moteur à poudre de la tour d’éjection (L.E.S. – Launch Escape System) est supérieure au moteur du lanceur Redstone qui envoya Alan Shepard, le premier astronaute américain dans l’espace : 654 000 newtons de poussée au niveau de la mer contre 347 000 N !)

Bien consciente du problème, la NASA a dès le départ sélectionné des sites de lancements suffisamment isolés et éloignés des infrastructures sensibles, comme par exemple le Centre de Contrôle des Lancements situé à 5,6 km du pas de tir 39A

En septembre 1963, la NASA effectua une étude préliminaire sur les dangers d’une explosion de Saturne V et les effets sur l’intégrité du vaisseau spatial Apollo, intitulée “Saturn 5 Booster Explosion Hazards and Apollo Survivability Analyses”.

Les auteurs ont ainsi calculé le poids des ergols dans chacun des trois étages et déterminé leur équivalent TNT, soit 222 tonnes de TNT dans le S-IC (premier étage), 253 tonnes dans le S-II (deuxième étage) et 68 tonnes dans le SIV-B (troisième étage).

Les trois étages ont donc une puissance explosive combinée théorique de 543 tonnes de TNT, c’est à dire légèrement plus qu’une demi-kilotonne, selon la terminologie propre aux armes nucléaires.

Puissance théorique car des données existantes concernant des explosions de fusées Atlas ou Titan sur leur pas de tir montraient que la totalité des ergols ne sont pas consummés dans l’explosion, une portion non négligeable est répandue sur le sol et se consumme longtemps après l’explosion initiale. Dans le cas de la Saturne V il est fort probable que le lourd kérosène du premier étage aurait ainsi brulé au sol. En pratique les auteurs estiment donc que la puissance de la déflagration n’aurait concerné qu’environ 60% des 543 tonnes, soit 326 tonnes de TNT. Rocco Petrone, le directeur des lancements au Centre Spatial Kennedy avait estimé qu’effectivement le chiffre réel se situait entre 300 et 400 tonnes.

 Une détonation équivalente à 300 tonnes de TNT aurait complètement détruit la tour de lancement, le transporteur mobile et la plus grande partie du pas de tir et aurait engendré des incendies dans la végétation environnante tuant la faune à des kilomètres à la ronde.

L’explosion d’une fusée soviétique N-1 sur son pas de tir le 3 juillet 1969 avait libéré une puissance équivalente à 250 tonnes de TNT détruisant complètement le pas de tir et brisant des fenêtres sur un rayon de 45 km.

L’étude scinde les dangers en six catégories : surpression, pression dynamique, feu, intensité acoustique, éclats et impulsion.

La surpression ou effet de souffle est l’onde de choc créée lorsque l’air autour de l’explosion est violemment déplacé. Les auteurs considèrent qu’il s’agit de la menace la plus serieuse pouvant affecter le module de commande lors d‘une explosion au niveau de la mer. A haute altitude c’est la pression dynamique générée par une explosion qui constitue le danger plus important (95 secondes après le décollage). Une onde de choc d’une force supérieure à  5 psi (pound per square inch) soit 34,47 KPa (Kilo Pascal) détruirait le vaisseau spatial Apollo.

Etant donné que le S-II a le plus grand pouvoir de destruction, c’est ce dernier qu’il faut prendre en considération pour déterminer à quelle distance le module de commande doit se trouver pour éviter cette onde de choc, qui bien évidemment diminue avec la distance. Ainsi la distance minimale d’éloignement du S-II est de 317 mètres, mais sachant que le module de commande est déjà éloigné de 43 mètres du centre théorique de l’explosion, le CM doit parcourir 274 mètres pour échapper à l’onde de choc mortelle.

Les auteurs ont également conclu que les fragments projetés par la déflagration, le feu, et l’onde sonore sont des paramètres non pertinents pour une explosion sur le pas de tir, dans la mesure où un éclat projeté lors de l’explosion doit traverser les étages, le module lunaire, le module de service, le bouclier ablatif du module de commande (excepté si la Saturne V bascule à l’horizontale). L’onde sonore quant à elle n’entrainerait aucun dommage. Bien que la boule de feu engendrée soit la plus grosse produite par une déflagration non nucléaire, la capsule ne passerait que 2 à 3 secondes dans le brasier dont la température, estimée à 1 370 °C, n’excéderait jamais celle pour laquelle le vaisseau spatial a été conçu, à savoir environ 2 800 °C qui est la température maximale  générée lors de la rentrée dans l’atmosphère.

Fin 1964, début 1965, deux ingénieurs du Centre des Vols Spatiaux Habités à Houston, ont commencé une étude intitulée « Estimation of fireball from Saturn vehicles following failure on launch pad » pour évaluer les effets d’une boule de feu engendrée par l’explosion sur le pas de tir d’une Saturne V ainsi que d’une Saturne 1B. Le 3 août 1965, Richard W. High and Robert F. Fletcher respectivement de la Flight Engineering Section et de la Mission Feasibility Branch publient leur rapport.

 Bien que des études antérieures sur les dangers d’une explosion aient toutes conclu à l’innocuité d’une boule de feu sur le Module de Commande lui-même, les ingénieurs de la NASA s’interessèrent aux effets de la chaleur irradiée par cette boule de feu sur les parachutes du module de commande.  En effet, échapper à l’explosion initiale pour être ensuite précipité au sol d’une hauteur d’un millier de mètres !

High et Fletcher utilisèrent à la fois des modèles mathématiques et des informations empiriques glanées lors d’explosions au niveau du sol, tel l’accident survenu le 2 mars 1965 à une Atlas-Centaur, pour calculer la taille, la durée, et l’émission thermique d’une boule de feu. Ils dûrent toutefois admettre que certaines de leurs conclusions n’étaient autres que de savantes suppositions.

Les deux ingénieurs partirent du principe que pratiquement tous les ergols seraient consummés par cette boule de feu, l’alimentant même après l’explosion initiale. Ils basèrent cette hypothèse sur la croyance que l’explosion initiale provoquerait la rupture de tous les réservoirs d’ergols et que tout résidu non brulé se consummerait par-dessous  et l’alimenterait.

En se fondant sur ce postulat, ils calculèrent qu’une boule de feu produite par l’explosion d’une Saturne V sur son pas de tir aurait un diamètre de 430 mètres, resterait 33,9 secondes à ce même diamètre, et estimèrent que la chaleur produite atteindrait 1 370 °C et serait ressentie à 1,5 km à la ronde. Elle atteindrait par ailleurs l’altitude de 100 mètres en 15 secondes. Ils calculèrent ensuite les températures générées en divers points sur un rayon de 600 mètres à partir du centre de la boule de feu. Ce sont ces informations cruciales qui furent utilisées pour concevoir le L.E.S.

Quelles circonstances pourraient provoquer l’explosion d’une Saturne V sur son pas de tir ?

De l’avis de tous les spécialistes l’occurrence la plus probable serait une collision avec la tour de lancement, qui entrainerait  inévitablement la rupture des réservoirs d’ergols qui, au contact des gaz d’échappement des moteurs engendrerait une explosion en une fraction de seconde.

La collision d’une fusée avec sa tour de lancement a toujours été une crainte majeure pour ses concepteurs, ainsi les ingénieurs ayant developpé la Saturne I avaient placé une caméra pointée vers le bas, sur la tour de lancement, pour détecter toute déviation latérale.

En 1964 David Mowery du Centre Spatial Marshall réalisa une étude pour déterminer les causes possibles d’une collision de Saturne V avec la tour de lancement.  Etude qui servira aux concepteurs du L.E.S. pour ajouter les capteurs et senseurs nécessaires permettant le cas échéant d’activer le système automatiquement.

La Saturne V était maintenue sur le pas de tir par quatre bras « hold-down arms » pesant chacun 18 tonnes, jusqu’à ce que les cinq moteurs F1 atteignent leur poussée optimale.  Pour des raisons structurelles ces bras ne pouvaient pas libérer la Saturne V instantanément, aussi les ingénieurs du Marshall dûrent développer un système permettant de « lâcher » la fusée graduellement. La pression de maintien d’environ 350 tonnes pour chaque bras diminuait linéairement jusqu’à zéro en 0,6 secondes. Ce système devait fonctionner à la perfection car le moindre écart pouvait créer un déséquilibre fatal. C’est également pour cela que les moteurs sont allumés à 300 millisecondes d’intervalle dans l’ordre 1-2-2, d’abord le moteur central (105) puis par paire opposée (101+103 et 102+104), afin de réduire les contraintes.

Au total, Mowery a répertorié 7 causes  susceptibles de dévier la trajectoire de la Saturne V lors du décollage. :

  • Une variation de plus ou moins 15% de la pression exercée par un bras de maintien
  • Une variation dans la poussée d’un moteur supérieure ou égale à 4%
  • Un mauvais alignement des moteurs
  • Un déport du centre de gravité du lanceur
  • Le vent
  • Une panne moteur
  • Un moteur dont on ne peut plus contrôler l’orientation

Pour diriger la Saturne V,  la poussée des moteurs montés en périphérie (101, 102, 103 et 104) est orientable de 6° sur chaque axe (X et Z). Le blocage de l’orientation d’un moteur pendant le temps que met la Saturne V pour dépasser la tour de lancement peut précipiter le lanceur sur cette dernière.

De même, une panne moteur (au moins deux moteurs) peut provoquer une collision avec la tour.

Mowery en arrive à la conclusion qu’un défaut d’alignement du lanceur, ou le vent, ou les deux combinés, ne peuvent pas aboutir à une catastrophe (Le phénomène étant compensé par l’orientation adéquate des moteurs). La Saturne V a été conçue pour être lancée avec un vent maximal au niveau du sol (mesuré à 18 mètres de hauteur) d’environ 40 km/h.  (22 nœuds)

En conclusion, le risque le plus important pour une Saturne V reste donc une panne du système d’orientation des moteurs, ou une panne moteur (au moins deux) pendant le laps temps que met la Saturne V pour dépasser la tour de lancement (en moyenne 10 secondes) qui mesure 116,16 mètres de haut. Les ailerons de stabilisation, A et B ne se trouvent qu’entre 12 et 14 mètres de la structure métallique !

La NASA a lancé 13 Saturne V sans aucune panne catastrophique. Il y a bien eu des problèmes  moteurs  occasionels mais jamais rien de suffisamment grave pour mettre en péril la mission.

Lors du premier lancement d’une Saturne V (SA-501) le 9 novembre 1967, Rocco Petrone était assis dans le Centre de Contrôle des Lancements situé à quelque 5,6 km du pas de tir, avec une main juste à côté du bouton qui permet de libérer les protections des baies vitrées en cas d’explosion…  Il confiera plus tard, qu’il a toujours été convaincu qu’en cas d’explosion d’une Saturne V, il resterait là, sans rien faire, à regarder (!)

 

Cette « anecdote » est une traduction extrêmement libre d’un article écrit par le Dr Dwayne A. Day paru en 2002 dans l’excellentissime magazine quadrimestriel  Quest (Volume 9, Numéro 4),  intitulé  « Saturn’s fury : effects of a Saturn V launch pad explosion » (pages 4 à 8).  Article publié également le 3 avril 2006 sur le site  The SPACE REVIEW à cette adresse http://www.thespacereview.com/article/591/1

L’article comporte une petite erreur de conversion, puisque l’auteur convertit  1 198 000 livres en 599 tonnes, alors qu’en réalité il s’agit de 543 tonnes. J’ai par ailleurs ajouté quelques précisions qui ne figurent pas dans l’article initial.

 

Fiabilité de la fusée Saturn V

Une blague qui a fait le tour de tous les centres de la NASA racontait que des responsables du quartier général étaient allés au Marshall et ont demandé à Wernher von Braun à combien il estimait la fiabilité de la Saturne V. Von Braun se retourne alors vers quatre de ses « lieutenants » et leur demande :
« Y a-t-il une raison pour laquelle elle ne fonctionnerait pas ? »
chacun répond : « Nein », « Nein », « Nein », « Nein »
Von Braun dit alors aux personnes du quartier général : « Messieurs, j’ai une fiabilité de ,9999. » (en anglais nine nine nine nine, four nine ! )

 

Des caméras sur la Saturn V

Dès le début du programme spatial, des appareils photos et cameras furent placés à bord des engins spatiaux afin de permettre aux ingénieurs cloués au sol de voir « de visu » comment se comportent les systèmes qu’ils ont conçus.
Ces connaissances furent cruciales et permirent d’optimiser les vols d’essais de la fusée Saturn V lors des missions Apollo 4 en novembre 1967 et Apollo 6 en avril 1968.
Des essais préliminaires eurent lieu pour la première fois en janvier 1964 lors d’un vol d’essai de la Saturn I.
Les plongeurs récupérèrent sept des huit « boites » contenant les caméras, bien que ces dernières fussent endommagées lors de l’impact avec l’océan, les images enregistrées s’avérèrent extrêmement utiles, et l’on s’en servit comme un outil d’analyse du vol à part entière.
Les « boites » contenant les caméras comprennent trois compartiments, le premier contient une lentille en quartz, le deuxième la camera et son boitier de contrôle, le troisième renferme les éléments permettant la récupération de la capsule, en l’occurrence,  des dérives permettant la stabilisation de l’ensemble, un ballon gonflable en forme de parachute pour ralentir le tout et assurer une meilleure flottabilité, une balise radio, une balise visuelle, un colorant pour signaler l’endroit de l’amerrissage, ainsi que…du répulsif pour requin !
Le répulsif est libéré en même temps que le colorant, au moment de l’impact. Ce répulsif a été ajouté au système de récupération car on avait retrouvé sur une « capsule » échouée sur la plage, des traces « suspectes », vraisemblablement faites par un requin qui avait essayé de l’avaler.

 

John McBrearty, un ingénieur système de la NASA faisait partie de l’équipe responsable de l’installation des « cameras S-II » sur les vols Apollo 4 et 6, avec Lloyd Stephens de North American, ils avaient mis au point les procédures de tests, forts de l’expérience accumulée grâce aux essais effectués sur des vols d’essais de la Saturn I.
Il raconte : « Les cameras étaient alimentées par des batteries Ni-Cad, deux mois avant le vol d’Apollo 4, des tests indiquèrent qu’une batterie perdait de la puissance, puis quelques temps avant le lancement une deuxième connu le même problème… Les deux batteries furent démontées et testées au laboratoire d’analyse des systèmes défaillants (Failure Analysis Laboratory). Il s’avéra qu’elles avaient une fuite d’électrolyte.
Afin de pouvoir utiliser les caméras lors du prochain vol il a fallu que nous démontions les batteries, nettoyions les circuits imprimés, remplacions et réinstallions le tout.
Fort heureusement, tout fut réalisé dans les temps, à seulement deux heures du lancement !
Nous avions travaillé 36 heures sans interruption »
Comme prévu les deux caméras se mirent en action à 60 kilomètres au-dessus de la Terre alors que la fusée filait à 10 000 km/h. Le système pyrotechnique fit son travail, les deux étages se séparèrent ainsi que l’anneau inter-étage, les caméras 16mm enregistrèrent toute la séquence sur pellicule couleur Ektachrome 100 à raison de 100 images par seconde.
Les caméras furent ensuite envoyées au Centre Spatial Marshall afin que les pellicules soient développées et leur contenu analysé.
 « Les images spectaculaires enregistrées  valaient bien le formidable travail effectué par notre équipe » John McBrearty.

 

Les images vues sur des documentaires d’Apollo 11 montrant la spectaculaire séparation du premier et deuxième étage proviennent en réalité des missions Apollo 4 et 6.