LE LRV (LUNAR ROVING VEHICLE ou véhicule lunaire itinérant)

Fiche d'identité

Nom : Lunar Roving Vehicle (acronyme : LRV ou MLRV pour Manned Lunar Roving Vehicle), également appelé jeep ou rover lunaire.
Fonction : véhicule bi-place destiné à l'exploration de la surface lunaire.
Donneur d'ordres : le gouvernement fédéral américain via la NASA (National Aeronautics and Space Administration).
Constructeur principal : Boeing Co., Aerospace Group, basé au Kent Space Center (près de Seattle), État de Washington.
Nationalité : Américaine.

Masse : 207,29 kg à vide (masse terrestre), 697,17 kg à pleine charge (489,88 kg de charge utile).

Coût du projet : $38 000 000.

Nombre de véhicules construits : 4 de vol (1 pour le vol Apollo XV, 1 pour le vol Apollo XVI, 1 pour le vol Apollo XVII, un qui servit comme pièces de rechange après l'annulation des nouvelles missions Apollo), et 8 véhicules de tests.

Date d'utilisation :
• Première utilisation lors du vol Apollo XV, les 31 juillet, 1er et 2 août 1971.
• Vol Apollo XVI les 21, 22 et 23 avril 1972.
• Enfin, le vol Apollo XVII, les 11, 12, 13 décembre 1972.

Véhicule au design apparemment simple, il est en réalité complexe, et représente également la "voiture" la plus coûteuse de son époque, avec un coût d'environ 9 500 000 $ par unité.

SON RÔLE

Le LRV, utilisé lors des trois dernières missions Apollo (missions de type J, longue durée), est un véhicule électrique conçu spécifiquement pour fonctionner dans l'environnement lunaire (vide spatial, températures extrêmes, faible gravité). Il permet aux astronautes de parcourir la surface de la Lune, étendant ainsi le champ de leurs activités extravéhiculaires.

SA TECHNOLOGIE

En général :
Le LRV est constitué de cinq systèmes principaux : la mobilité, la station d'équipage, la navigation, la puissance électrique, et le contrôle thermique. Les systèmes secondaires incluent le matériel de déploiement, l'équipement de fixation au LM et l'équipement de support au sol.

Tout d'abord le châssis. L’armature de celui-ci est réalisée à partir de tubes rectangulaires en aluminium de faible épaisseur, avec des crans dans certaines zones afin de réduire la masse.
Il est divisé en trois sections (avant, centrale, arrière) qui supportent les systèmes et l’ensemble des équipements. Les sections avant et arrière peuvent se replier sur la section centrale pour faciliter le stockage et la fixation sur le quadrant 1 (côté) de l'étage de descente du LM.

• La section avant : elle abrite les deux batteries.
• La section centrale : elle accueille la station d'équipage, avec les deux sièges, la console de commande et de visualisation (tableau de bord) ainsi que son contrôleur manuel.
• La section arrière : elle est dédiée au rangement de la charge utile scientifique.

Système de mobilité

Il s'agit du système principal du LRV, intégrant les roues, la commande de traction, la suspension, la direction ainsi que les sous-ensembles des circuits de commande d’entraînement. Le véhicule ne dispose pas de volant classique : la conduite s’effectue à l’aide d’un manche en forme de T, plus adapté à une utilisation avec des gants pressurisés (la poignée était initialement identique à celle du LM). Ce contrôleur est positionné devant la console de commande et de visualisation, entre les deux membres d’équipage. Il permet de manœuvrer le LRV vers l’avant, l’arrière, à gauche et à droite. Le LRV présente un dégagement au sol de 35,5 cm, un empattement de 2,28 m (90 in) et peut effectuer un virage avec un rayon de braquage de 3,05 m. Il est capable de gravir des pentes jusqu’à 25°, de franchir des obstacles de 30 cm ou des crevasses de 70 cm, et de s’incliner latéralement ou longitudinalement jusqu’à 45° sans basculer.

LES ROUES

Pour répondre aux contraintes de masse et offrir la mobilité requise sur la surface lunaire, des roues d’un genre inédit ont été développées. En plus de jantes en titane et d’enjoliveurs en aluminium, elles ne comportent pas de pneus conventionnels : leur enveloppe extérieure est constituée d’un treillage métallique.

Cette résille (ou treillage, remplaçant le caoutchouc) forme la carcasse externe, autrement dit la nappe ceinture du pneu proprement dit. Elle est constituée de 800 brins de fil d'acier hypereutectoïde, zingué et tissé à la main. Chaque brin mesure 81,3 cm de long pour un diamètre de 0,8 mm. Ils présentent une ondulation régulière tous les 4,7 mm et sont inspectés par radiographie avant leur montage.

Le saviez vous ?? Les ingénieurs qualifient l’aspect de cette structure de pantographe, en raison de sa ressemblance avec l'instrument de dessin. L’effet visuel est produit par le tissage alterné des fils (dessus, dessous, dessus, dessous..).

Sur cette carcasse sont rivetées des plaquettes en titane qui composent la bande de roulement. Celles-ci dessinent un motif en chevrons couvrant 50 % de la surface de contact afin d’assurer la transmission de l’effort de traction.
À l’intérieur du pneu se trouve une butée (bump-stop) : une armature rigide de 64,8 cm de diamètre qui limite l’enfoncement de la carcasse extérieure en cas de fortes charges d’impact. Cette pièce, fabriquée en titane, est positionnée au-dessus de la jante et reliée à celle-ci par 20 bandes cintrées qui font office d’amortisseurs (voir schéma). Chaque pneu est conçu pour fonctionner normalement même si jusqu’à 10 % des fils de la résille sont rompus. L’ensemble, protégé par un enjoliveur en aluminium 2024, préserve le moyeu en aluminium filé lors des franchissements d’irrégularités du terrain. Chaque roue pèsent 5,4 kg sur la Terre et est conçue pour parcourir au moins 180 kilomètres. Elle mesure 81,3 cm de diamètre pour 22,9 cm de large. Le coût unitaire est estimé à 85 000 dollars.

	Concept de roue selon Buzz Aldrin à l'attention du docteur M.G. Bekker

Pour limiter la projection de poussière, des garde-poussière orange sont fixés aux roues afin d’éviter que les astronautes ne soient aspergés par les jets balistiques de régolithe.

Le saviez-vous? Le premier brevet de roue métallique a été déposé en 1858 par un mécanicien anglais, Thomas Rickett.

LA SUSPENSION

Le système de suspension est conçu pour absorber les irrégularités du relief lunaire. Le châssis est suspendu à chaque roue par une paire de bras triangulaires parallèles (suspension à double triangulation) comportant un amortisseur hydraulique à huile de silicone pour limiter les mouvements verticaux. Les charges sont transmises au châssis par l'intermédiaire de chaque bras de suspension à une barre de torsion distincte pour chaque bras. Les barres de torsion supérieures servent principalement à déployer les roues à partir de l'état arrimé. Déployées, elles supportent environ 15 % de la charge de chaque roue, tandis que les barres de torsion inférieures supportent les 85 % restants.
Le débattement vertical et la vitesse de déplacement des roues sont limités par un amortisseur linéaire entre le châssis et chaque bras de suspension supérieur. L'amortisseur limite le débattement vertical des roues à 15,2 cm (6 in) de rebond et à 10,2 cm (4 in) de rebond dans des conditions de charge nominales. La déflexion du système de suspension et des pneus permet d'obtenir une garde au sol de 35,6 cm (14 in) lorsque le LRV est entièrement chargé et de 43,2 cm (17 in) lorsqu’il est vide. La chaleur générée par l'énergie d'amortissement est transférée à l'huile de silicone (47 cc) dans l'amortisseur. La chaleur est ensuite conduite de l'huile vers les parois de l'amortisseur pour être dissipée. L’ensemble de la suspension peut pivoter d’environ 135° pour permettre le pliage et le stockage du véhicule dans la structure du LM.

LES MOTEURS

Les quatre roues motrices et directrices 2 à 2 sont actionnées individuellement par un moteur électrique situé dans leur moyeu. Ce moteur à courant continu à balais développe 0,18 kilowatt (1/4 CV) et fonctionne à partir d'une tension d'entrée nominale de 36 V. Chacun est équipé d'un réducteur à engrenage à onde de déformation (harmonic drive) servant d'élément de transmission mécanique et permettant de réduire la vitesse du moteur à un rapport de 1/80 pour un fonctionnement continu à toutes les vitesses, sans changement de mécanisme. La transmission est lubrifié avec de l'huile Krytox 143AZ. La régulation de la vitesse des moteurs est assurée par la modulation de largeur d'impulsion à partir du boîtier électronique du régulateur d'entrainement.
Chaque moteur est instrumenté pour la surveillance thermique. Une sortie de température analogique provenant d'une thermistance située dans l'enroulement de champ est transmise pour être affichée sur le panneau de commande et d'affichage. En outre, chaque moteur est équipé d'un interrupteur thermique qui se ferme en cas de température excessive, fournissant ainsi un signal d’entrée au système d’avertissement et de mise en garde pour actionner le drapeau d’avertissement. Si nécessaire, un des moteurs peut être débrayé manuellement, laissant la roue libre.

Chaque unité de traction est équipée d'un frein mécanique actionné par un câble relié à une tringlerie dans la commande manuelle. Le freinage s'effectue lorsque le LRV est en marche avant ou arrière, en tirant la dite commande vers l'arrière autour du point de pivot du frein. Les freins sont effectivement verrouillés lorsque l'angle atteint 12°. L'inhibition de la puissance motrice est actionnée par un interrupteur à 15°. Le découplage d'une roue entraîne également le découplage du frein de cette roue.

LA DIRECTION

La direction du LRV est assurée par un système à géométrie Ackermann pour les roues avant et arrière, ce qui permet un rayon de braquage très court de 3,10 m (122 in). Le déplacement de la commande manuelle vers la gauche ou la droite alimente des moteurs électriques distincts pour les roues avant et arrière et fournit, par l’intermédiaire d’un servo-système, un angle de braquage proportionnel à la position de la commande.
Chaque moteur de direction est couplé à un réducteur de vitesse qui entraîne un engrenage sectoriel droit. Celui-ci actionne à son tour la tringlerie de direction pour produire le changement d’angle des roues. La course maximale du secteur permet d’obtenir un angle de 22° pour la roue extérieure et de 50° pour la roue intérieure. La vitesse de braquage est telle que le passage du blocage à droite au blocage à gauche peut être effectué en environ 5 s.

Les ensembles de direction avant et arrière sont mécaniquement indépendantss. Si une seule direction Ackermann est souhaitée, ou en cas de panne d’un moteur ou d’un réducteur de vitesse, la tringlerie de direction peut être désengagée d’un secteur. Les roues peuvent peuvent alors être recentrées et verrouillées manuellement, et les opérations peuvent se poursuivre en utilisant l’ensemble de direction encore actif. Le réengagement de la direction avant ne peut pas être réalisé par un membre d’équipage. La direction arrière, quant à elle, peut être réengagée à l’aide d’un outil spécial rangé sur le châssis arrière, conçu pour escamoter la goupille de verrouillage du secteur de direction.

DIRECTION ÉLECTRIQUE

Le système électrique de direction est un servosystème. Un signal généré par la déviation de la commande manuelle est couplé au servoamplificateur d'entrée en tant que signal d'erreur via un pont. Ce signal d'erreur est amplifié et appliqué aux bobines de champ du moteur de direction dans une orientation déterminée par la polarité du signal d'erreur d'entrée, elle même fonction du sens de déviation de la commande manuelle. Le pont de rétroaction est entraîné par le moteur de direction jusqu'à ce que sa position annule précisément le signal d'erreur d'entrée initial en équilibrant le pont. Le déplacement angulaire des roues reste alors constant tant que le contrôleur manuel n’est pas déplacé vers une nouvelle position.
Les deux moteurs de direction sont alimentés par des disjoncteurs distincts, reliés à des bus électriques sélectionnables, afin d’assurer la redondance.
La direction Ackermann simple peut être sélectionnée en centrant les roues, puis en coupant l’alimentation électrique de la direction avant ou arrière. Cette procédure peut nécessiter un recentrage ponctuel de la direction désactivée, en activant brièvement sa puissance d’entraînement avec la commande manuelle en position centrale.

LE SOUS-SYSTÈME ÉLECTRIQUE DU LRV

Il comprend deux batteries, des câbles de distribution, des connecteurs, des interrupteurs, des disjoncteurs, ainsi que des compteurs destinés au contrôle et à la surveillance de l’énergie électrique.

LES BATTERIES

Le LRV est équipé de deux batteries principales zinc/argent, chacune délivrant une tension nominale de 36 V (+5 / -3) et une capacité de 115 ampères-heures. Il s’agit de batteries non rechargeables, à structure cellulaire en plexiglas, installées dans la partie avant du châssis. Le couple électrochimique zinc/argent fonctionne dans un électrolyte composé d’hydroxyde de potassium et d’eau. Chaque batterie comprend 23 cellules et pèse 26,76 kg. Elles sont placées dans des compartiments en magnésium, protégées par une couverture thermique, et recouvertes d’un capot anti-poussière. Les deux batteries sont généralement utilisées simultanément, avec une répartition approximative équilibrée de la charge durant l’exploitation du LRV, grâce à la sélection de différentes combinaisons de connexion au bus, effectuée via les disjoncteurs et les réglages de la console de commande et d’affichage.
• La batterie n°1 (à gauche) est thermiquement couplée à l’unité de traitement des signaux de navigation (SPU – Navigation Signal Processing Unit) et joue un rôle partiel de radiateur.
• La batterie n°2 (à droite) est thermiquement connectée à l’unité gyro-directionnelle de navigation (DGU – Navigation Directional Gyro Unit), à laquelle elle sert de dissipateur thermique.

Les batteries sont installées dans le LRV en configuration opérationnelle sur l’aire de lancement. Leur tension et leur température sont surveillées jusqu’à environ T-18 heures dans le compte à rebours. Une fois sur la surface lunaire, la surveillance porte sur la tension, la température, le courant de sortie et les ampères-heures restants. Ces données sont affichées sur le panneau de commande et d’affichage. Les batteries sont fabriquées par Eagle-Picher Industries, Division électronique, à Joplin (Missouri).

LA STATION D'ÉQUIPAGE

Elle comprend les sièges, les repose-pieds, les poignées intérieures et extérieures, le repose-bras, les panneaux du plancher, les ceintures de sécurité, les garde-poussière et les prises.

Les sièges : ce sont des cadres tubulaires (tube rond) en aluminium recouverts d'une toile en nylon. Ils sont positionnés à plat sur le châssis central pour le lancement et érigés dans leur position opérationnelle par l'équipage après le déploiement du LRV sur la surface lunaire. Le dossier du siège sert d’appui et de retenue latérale du PLSS.
Le bas du siège comporte une découpe pour permettre l'accès aux valves de contrôle de flux du PLSS, ainsi que des dispositifs de support vertical. Un espace de rangement est prévu sous chaque siège.

Les repose-pieds : stockés sur le plancher du châssis central et maintenus par deux sangles en velcro, ils sont ajustés avant le lancement selon la taille de chaque membre d’équipage et déployés une fois sur la surface lunaire.

Les poignées intérieures : réalisées en tube d'aluminium, elles permettent d’aider l’équipage à monter et descendre du véhicule. Elles servent également de point d’attache pour les réceptacles de la caméra 16 mm destinée à l’acquisition de données et pour l’antenne LCRU à faible gain.

Les poignées extérieures : intégrées au châssis, elles assurent la stabilité et le confort des astronautes lorsqu’ils sont assis, et permettent la fixation des ceintures de sécurité.

Le repose-bras : il sert de support pendant la conduite avec le manche en T.

Les ceintures de sécurité : présentes sur chaque siège, elles sont fabriquées en sangle de nylon. Leur extrémité est équipée d’un crochet fixé à la poignée extérieure. La longueur est ajustée par une boucle, et une portion permet l’accrochage et le décrochage normal de la ceinture.

Les "garde-poussière" : la partie déployable de chaque garde-poussière est positionnée manuellement par un astronaute lors du déploiement du LRV.

Les prises : au nombre de deux, une de chaque côté du véhicule, elles assistent l'équipage pour s’installer ou descendre du LRV.

Les panneaux du plancher : situés dans la zone de la station d’équipage, ils sont en aluminium ondulé et dimensionnés pour supporter la masse totale des astronautes en gravité lunaire.

LE CONTRÔLE THERMIQUE

Le contrôle thermique du LRV combine des moyens passifs et actifs. Il a pour fonction de dissiper l'excès de chaleur produit par les équipements situés à l'avant du châssis, de maintenir les conditions de fonctionnement des instruments de la console de contrôle et d'affichage (CDC, Control and Display Console), ainsi que d’évacuer la chaleur générée au niveau de la station d’équipage. Ce contrôle thermique repose sur l'utilisation de revêtements, d’isolants, de surfaces radiantes, de miroirs thermiques, de ponts thermiques, ainsi que de blocs de paraffine jouant le rôle de puits de chaleur. Un indicateur visuel est prévu pour signaler une température excessive des batteries ou des moteurs.

A) Le contrôle thermique sur la partie avant du châssis est assuré par des ponts, des miroirs thermiques, des couvertures thermiques, des blocs de paraffine servant de puits de chaleur, et les couvercles anti-poussière.Ces dispositifs protègent de la surchauffe les composants sensibles suivants : l’électronique de commande de conduite (DCE, Drive Control Electronics), l’unité de traitement des signaux (SPU, Signal Processing Unit), le gyroscope directionnel (DGU, Directional Gyro Unit) ainsi que les batteries n°1 et n°2. Les couvertures thermiques sont constituées de 15 couches de mylar aluminisé, séparées par 14 couches de filet en nylon, avec une couche externe en tissu Bêta. Des ponts thermiques en aluminium assurent le transfert de chaleur depuis le DCE, le SPU et le DGU, vers les batteries ou vers les blocs de paraffine, où cette chaleur est temporairement stockée.
Deux compartiments contiennent de la paraffine. Lors du fonctionnement, la chaleur produite par les équipements fait fondre la paraffine, qui absorbe cette énergie tout en maintenant une température relativement stable. À l’arrêt, les astronautes ouvrent les couvercles des radiateurs, permettant à la chaleur de s’évacuer dans l’espace pendant que la paraffine se solidifie, ce qui permet de réutiliser le système lors d’un déplacement ultérieur.
Des miroirs thermiques en silice fondue sont placés au-dessus des batteries 1 et 2, du SPU et du DCE. Ils facilitent l’évacuation de la chaleur issue des batteries et des puits de chaleur lorsque les couvercles des radiateurs sont ouverts.

Les couvercles anti-poussière en fibre de verre, situés au-dessus des deux batteries et du SPU, sont ouverts manuellement et se referment automatiquement grâce à un vérin bimétallique. Le couvercle du SPU est mécaniquement couplé à celui de la batterie n°1 ; ainsi, les deux s’ouvrent et se ferment simultanément.

• On obtient le contrôle thermique du châssis central en anodisant les accessoires qui le composent (poignées, repose-pieds, sections tubulaires des sièges, et panneaux centraux et arrière du plancher).
Les instruments de la CDC (Control and Display Console) étaient montés sur une plaque d'aluminium, elle même isolée du reste du véhicule par des supports en fibre de verre. Les surfaces externes de la console ont été recouvertes d'une peinture thermorésistante (Dow-Corning 92-007), tandis que la plaque frontale recevait un traitement anodisé noir permettant de limiter les reflets gênants pour les astronautes tout en facilitant la régulation thermique.
La chaleur produite par les ensembles d'entraînement par traction et par les amortisseurs linéaires (shock absorbers) était dissipée dans l’espace par rayonnement thermique, respectivement à travers le disque de moyeu et le carter. Le gaz pressurisé contenu dans chaque ensemble d'entraînement participait également à cette dissipation thermique.

LA CONSOLE D'AFFICHAGE ET DE CONTRÔLE

La console de contrôle et d'affichage (Control and Display Console) comprend une section supérieure regroupant les instruments du système de navigation, et une section inférieure contenant les commandes de commutation et de contrôle des charges électriques. Afin de permettre une lecture aisée des instruments et interrupteurs dans l’ombre, les marquages du panneau étaient rendus luminescents grâce à une irradiation au prométhium 147. L’indicateur d’attitude (Attitude Indicator ou AI), situé dans le coin supérieur gauche de la console, fournit des informations sur le tangage et le roulis dans une plage de ±25°.

Matériel de déploiement et équipement de fixation au LM :

Voici des tableaux sur les utilisations du LRV :

Roving : itinérant.

Acier hypereutectoïde: Un acier hypereutectoïde est un acier dont la teneur en carbone est supérieure à 0,8% (mais inférieure à 2,1%), aussi appelé acier à haute résistance.

Aluminium filé: Filer du métal, l'étirer à la filière pour obtenir un fil ou une pièce métallique profilée.

Direction à géométrie Ackermann : inventé par le constructeur allemand Georg Lankensperger à Munich en 1817, puis breveté en Angleterre par Rodolphe Ackermann, c'est un dispositif mécanique de direction permettant, avec une géométrie simple, de braquer les roues droite et gauche d'un essieu, avec une légère différence d'angle. Ceci permet, lors d'un virage, aux roues internes et externes de s'inscrire dans des cercles de rayons différents.

Source: Apollo Surface Journal.

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