STRUCTURE DE L'ÉTAGE DE DESCENTE (Descent Stage Structure)
L'étage de descente est la partie non habitée du LM ; représentant environ les deux tiers de la masse totale du véhicule pendant la phase de lancement terrestre. Cette proportion s'explique par la taille du moteur de descente, qui est plus grand que celui d'ascension, nécessitant ainsi une quantité d'ergols bien plus importante. De plus, une grande partie de la masse de cet étage est due à plusieurs nécessités techniques, telles que :
(1) Supporter l'ensemble de l'étage de remontée.
(2) Permettre l'installation du train d'atterrissage.
(3) Soutenir l'ensemble du LM dans le SLA.
(4) Fournir une structure de support pour l'équipement scientifique et de communication destiné à être utilisé sur la surface lunaire.
(5) Agir comme plate-forme de lancement de l'étage de remontée.
Le saviez vous ? Le LM a été conçu pour fonctionner uniquement dans l'environnement spatial, avec un ratio de la masse structurelle à la masse de l'engin spatial à pleine charge avoisinant 1 pour 15.
Étapes du montage de l'étage de descente
La structure principale de l'étage de descente, qui prend la forme d'une simple boîte octogonale, est fabriquée en alliage d'aluminium. avec des âmes fraisées chimiquement pour minimiser la masse, des raidisseurs extrudés et fraisés ainsi que des bandes de recouvrement également fraisées. Elle est principalement constituée de deux paires de panneau de cisaillement parallèles, agencés en poutres de champ à tension diagonale. Ce type de poutre fournit la résistance nécessaire après la déformation de l'âme de cisaillement. L'épaisseur minimale de ces panneaux est de 0,15 mm (0,006 in), avec une tolérance de fraisage chimique de 0,05 mm (0,002 in). Ces panneaux sont disposés en croix, avec un pont sur les surfaces supérieures et inférieures, espacés d'environ 1,65 m (65 in). À environ 2 m (81 in) du centre, leurs extrémités sont fermées par d'autres panneaux en aluminium, divisant ainsi l'espace en cinq compartiments de taille égale en forme de caisson. L'espace délimité par les intersections des panneaux constitue le compartiment central, tandis que les autres compartiments sont situés sur ses côtés. Tous les joints sont fixés à l'aide rivets standard. La fabrication de l'étage de descente débute par l'assemblage des "cadres" usinés et des assemblages de raidisseurs de panneaux fraisés chimiquement afin de former le compartiment moteur.
 Étapes d'un processus de fraisage chimique |
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Les compartiments constitués par la structure de l'étage de descente hébergent l'équipement des différents sous-systèmes du LM. Le compartiment central abrite le moteur de l'étage de descente, soutenu par huit poutres tubulaires renforcées fixées aux quatre coins du compartiment et par le cardan du moteur. Les réservoirs de comburant du moteur de descente sont situés dans les compartiments avant (derrière l'échelle de descente) et arrière entre les faisceaux +Y27,000 et -Y 27,000, tandis que les réservoirs de carburant se trouvent dans les compartiments latéraux, entre les poutres +Z27,000 et -Z27,000.
 Montage photo : à gauche, La fabrication de l'étage de descente commence par l'assemblage des cadres usinés et des raidisseurs de panneaux fraisés chimiquement pour former le compartiment moteur. À droite, après avoir fixé les cloisons stabilisatrices au compartiment moteur à l'aide de bandes de recouvrement usinées, les huit ensembles de panneaux/raidisseurs restants sont ajoutés (crédit photo : site web long island aerospace history) |
 Vue rapprochée de l'étage de descente en cours de montage. On voit plus en détail, les panneaux asssemblés à partir de bandes et de raidisseurs montés sur les cadres et fixés encore pour certains avec des attaches Cleco (ou rivet temporaire) |
 Des ouvriers travaillent sur l'emplacement du quadrant 4 |
LES QUADRANTS
Des entretoises placées entre les extrémités de tous les panneaux principaux forment des baies triangulaires, ou quadrants (quad), qui confèrent à l'étage de descente sa forme octogonale. Les quadrants sont numérotés de 1 à 4, en commençant à gauche du compartiment avant et en continuant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (vu du dessus) autour du centre.
- le quadrant I assure l'arrimage et le stockage du LRV ou du MET, de l'antenne bande-S, et dispose également d'une connexion à haute pression pour l'oxygène gazeux.
- le quadrant II abrite le réservoir d'eau de l'ECS (Environmental Control System), l'ALSEP. Un fût de carburant (plutonium-238) destiné à l'ALSEP est monté à proximité, mais à l'extérieur de la couverture thermique et du bouclier anti-micrométéoroïdes du quadrant. Il est également appelé Scientific Equipment Bay ou, "SEQ Bay".
- le quadrant III contient normalement le réservoir d'hélium cryogénique, le réservoir d'hélium à pression ambiante, un réservoir d'oxygène gazeux (ECS), l'ensemble de contrôle du moteur de descente et les connexions inter étages. Pour les missions J, ce quadrant est reconfiguré pour transporter de l'équipement supplémentaire notamment la palette arrière du LRV.
- le quadrant IV sert à loger le Modularized Equipment Stowage Assembly, ou "MESA".
Le MESA contient la majorité du matériel utilisé par l'équipage sur la surface lunaire, ainsi que les consommables, comme les batteries du PLSS et les cartouches de rechange d'hydroxyde de lithium. Il héberge aussi la caméra de télévision de surface lunaire, installée de manière à filmer l'équipage descendant l'échelle du LM.
LE BOUCLIER THERMIQUE ET ANTI-MICROMÉTÉOROÏDES
L'ensemble de la structure de l'étage de descente est enveloppé dans un bouclier thermique et anti-micrométéoroïdes similaire à celui de l'étage de remontée. Ce bouclier combine plusieurs couches de mylar aluminisé et de H-film (ou Kapton) avec une peau extérieure en H-film de 0,050 mm d'épaisseur. Là où une protection supplémentaire contre les micrométéoroïdes est requise, une feuille d'Inconel de 0,031 mm d'épaisseur peinte en noire est utilisée comme peau. Le blindage repose sur des supports à faible conduction thermique, qui le maintiennent à 12,6 mm de distance de la structure principale. Un bouclier en titane revêtu de Téflon est fixé sur la partie supérieure du compartiment du moteur de descente, sous le bouclier thermique, pour dévier l'échappement du moteur d'ascension hors du compartiment du moteur de descente. Des couches de H-film, attachées au déflecteur de souffle, servent de membrane ablative, protégeant ainsi l'étage de descente des gaz d'échappement du moteur de remontée, qui sont déviés vers l'extérieur, entre les étages lors du décollage de la surface lunaire.
Le bas de l'étage de descente, ainsi que le compartiment moteur, sont exposés à des températures extrêmement élevées en raison du rayonnement du moteur de descente. Un bouclier thermique spécial a été conçu pour protéger la structure et ses composants internes de la chaleur du moteur. Ce bouclier est constitué d'une tôle en titane fixée à la structure de l'étage de descente, qui supporte une couverture thermique sur chacun de ses côtés. La couverture thermique faisant face à la tuyère du moteur est constituée de plusieurs couches alternant des feuilles de nickel et de laine de verre (Fiberfrax), pour une épaisseur totale de 0,60 mm, ainsi qu'une couche extérieure (de 0,0127 mm d'épaisseur). Cette couverture sert de membrane protectrice, capable de résister aux contre-pressions des gaz d'échappement du moteur lors de l'atterrissage lunaire, tout en empêchant la chaleur, absorbée par la surface lunaire lors de l'atterrissage du LM, de rayonner vers l'étage de descente. L'autre côté du titane est protégé par vingt-cinq couches de H-film. De plus, une bride annulaire en columbium (depuis rebaptisé niobium) renforcée par une isolation fibreuse (Min-K) est fixée directement à l'extension de la tuyère de moteur et reliée à la base du bouclier thermique par un soufflet annulaire de 25 couches de H-film. Cette configuration du soufflet permet de suspendre le moteur de descente tout en empêchant la chaleur générée par le moteur de pénétrer dans le compartiment moteur.
 Bouclier et couverture thermique typiques de l'étage de descente |
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 Vue en coupe du bouclier thermique situé à la base de l'étage de descente |
LE TRAIN D'ATTERRISSAGE
Le train d'atterrissage procure l'amortissement nécessaire lors de l'atterissage du LM sur la surface lunaire, empêchant tout basculement sur une surface avec une pente générale de 6° comprenant des dépressions ou des protubérances d'environ 61 cm (24 in). Il soutient également le LM pendant le séjour lunaire et le décollage de l'étage de remontée. L'impact à l'atterrissage est suffisamment atténué pour préserver l'intégrité structurelle du LM. Lors du lancement depuis la Terre, le train d'atterrissage est rétracté afin de réduire l'encombrement et reste dans cette position jusqu'à ce que le CSM et le LM atteignent l'orbite lunaire et que les astronautes soient transférés dans le LM. Avant la séparation du LM du CSM, le commandant du LM actionne le commutateur "LDG GEAR DEPLOY" sur le panneau 8 pour déployer le train d'atterrissage. Le verrouillage du train d'atterrissage est libéré par une explosion, permettant aux ressorts des mécanismes de déploiement de sortir le train, qui est ensuite verrouillé par les mécanismes de fin de course.
 Animation gif d'après les dessins (CGI) de John Ortmann |
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Le train d'atterrissage en porte-à-faux est constitué de quatre ensembles, chacun relié à un balancier s'étendant à partir des extrémités des panneaux structurels parallèles. Ces ensembles s'étendent à l'avant, à l'arrière et sur les deux côtés de l'étage de descente. Chaque train d'atterrissage comprend les éléments suivants :
- une jambe de force primaire (ou support principal)
- deux jambes de force secondaires (ou supports secondaires)
- un patin (semelle)
- un dispositif de verrouillage
- deux mécanismes de déploiement
- deux mécanismes de verrouillage
Tous les ensembles de train d'atterrissage, à l'exception du train avant, comportent une sonde de détection de la surface lunaire. Une échelle est fixée à l'assemblage du train avant, composée de 9 barreaux espacés de 50 cm entre 2 rampes, elles-mêmes séparées de 22,85 cm. Le sommet de l'échelle est situé environ 45,7 cm sous l'extrémité avant de la plate-forme, et la base se trouve à 76 cm au-dessus du patin. Cela permet à la jambe de force primaire de se comprimer lorsque le LM touche la surface lunaire.
Le train d’atterrissage est conçu pour supporter :
- une vitesse verticale de 3,04 m/s (10 ft/s) lorsque la vitesse horizontale est nulle ;
- une vitesse verticale de 2,13 m/s (7 ft/s) lorsque la vitesse horizontale est inférieure à 1,21 m/s (4 ft/s) ;
- une inclinaison du véhicule inférieure à 6° par rapport à l’horizontale locale, à condition que le taux de variation d’attitude soit inférieur ou égal à 2°/s. Ces limites garantissent que le choc ne provoquera pas de basculement ni de rupture des jambes.
Attention : toutefois, à ne pas confondre avec l'inclinaison statique maximale du LM au repos, qui est d'environ 15°sur le plan longitudinal ou latéral sans risque de basculement. Cette valeur correspond à la configuration maximale admissible avant que le centre de gravité ne dépasse la zone de support des jambes.
Jambe de force principale (ou support principal) : l'extrémité supérieure de la jambe de force principale est fixée à l'extrémité extérieure de la structure balancier (ou outrigger), tandis que son extrémité inférieure est équipée d'une rotule permettant la fixation du patin. Il s'agit d'une jambe de type piston cylindre qui absorbe la charge de compression de l'atterrissage et soutient le LM sur la surface lunaire. Les charges de compression sont atténuées par une cartouche remplie d'un nid d'abeille en aluminium compressible dans chaque jambe. La longueur maximale de compression du support principal est d'environ 81,2 cm (32 in). Le nid d'abeille en aluminium a la capacité d'absorber les chocs d'un atterrissage lunaire, y compris un ou deux rebonds du LM. Cependant, une fois que le LM repose entièrement sur le train d'atterrissage, le mécanisme d'absorption des chocs est épuisé. L'utilisation de cartouches compressibles en nid d'abeille a permis d'éviter l'utilisation de jambes de force lourdes à parois épaisses, de type pneumatique ou hydraulique.
 Localisation du support principal (jambe de force principale) |
 Vue en coupe du support principal du train d'atterrissage |
 Dessin technique de la rotule servant à la fixation du patin d'atterrissage |
Jambe de force secondaire (support secondaire) : chaque train d'atterrissage est équipé deux jambes de force secondaires. L'extrémité extérieure de chaque jambe se fixe au cylindre extérieur de la jambe de force primaire au moyen d'une articulation à rotule. Les extrémités intérieures sont boulonnées à un pivot sur une poutrelle du balancier de déploiement. Chaque support est un piston cylindre qui contient un nid d'abeille en aluminium compressible, capable d'absorber à la fois des charges de compression et de tension. La conception et l'emplacement des supports secondaires par rapport à la jambe principale permettent au LM d'atterrir sur une surface dissymétrique ou d'atterrir lorsque le LM se déplace latéralement au-dessus de la surface lunaire.
 Localisation des supports secondaires |
 Vue en coupe du support secondaire du train d'atterrissage |
Dispositif de verrouillage : un dispositif de verrouillage est fixé à chaque train d'atterrissage. Ce dispositif se compose d'une liaison fixe (sangle) et de deux cartouches détonantes d'extrémité dans un seul boîtier. La sangle qui est fixée entre la jambe de force primaire (support principal) et la structure de l'étage de descente, maintient le train d'atterrissage en position rétractée. Lorsque le commandant actionne le commutateur de déploiement du train d'atterrissage, il active un circuit électrique qui rompt de manière explosive cette liaison fixe permettant au mécanisme de déploiement de sortir le train d'atterrissage. Lors de la détonation, l'une ou l'autre des cartouches d'extrémité libère suffisamment d'énergie pour rompre cette liaison.
Mécanisme de déploiement et de verrouillage : la partie déploiement du mécanisme de déploiement et de verrouillage est constituée d'une poutrelle, de deux ressorts de déploiement de type horloge et d'une tringlerie. La poutrelle, qui relie les supports secondaires et la structure de l'étage de descente, comprend deux châssis latéraux séparés par une traverse. Les ressorts de déploiement sont fixés indirectement aux châssis latéraux via la tringlerie. La partie verrouillage de la descente du mécanisme consiste en un verrou à ressort et un suiveur de came. Le suiveur est monté sur une came fixée à la partie déploiement du mécanisme. Lorsque la liaison fixe du dispositif de verrouillage vers le haut est rompue, les ressorts de déploiement tirent sur le lien de connexion et, indirectement, sur la poutrelle de déploiement. Cette action déplace le train d'atterrissage de la position rentrée à la position complètement déployée. Lorsque le train est entièrement déployé, le galet de came atteint un point où il permet au verrou à ressort de s'enclencher sur un rouleau de la poutrelle. Une fois enclenché, le verrou empêche l'ouverture du mécanisme. Un signal d'indication de déploiement du train d'atterrissage informe les astronautes que celui-ci est complètement déployé.
Les patins d'atterrissage (ou semelle) : les patins ayant la forme d'assiette creuse, sont conçus pour supporter le LM sur une surface capable de résister à une pression de 0,69 N/cm² (1 lb/inch²). Ils doivent également conserver leur fonctionnalité après un impact avec des rochers ou des crêtes de cratère au moment du toucher. Chaque patin mesure 93 cm de diamètre, avec une profondeur d’environ 17 cm, et pèse 20,36 kg (44,9 lb). Son large diamètre limite l’enfoncement du LM dans le sol lunaire, qui présente une faible capacité portante. Fixé à l'extrémité inférieure du cylindre interne du support principal (jambe de force), le patin est relié par un raccord à rotule. Lors du lancement depuis la Terre, quatre sangles de retenue le maintiennent en position fixe sur la jambe de force. Au contact avec la surface lunaire, ces sangles se cisaillent ou se plient, permettant ainsi au patin de s’adapter aux irrégularités du sol. Sa structure est composée d’un nid d’abeille en aluminium collé à des feuilles d’aluminium usinées. L'épaisseur de la feuille de surface en aluminium usiné 7075 varie entre 0,02 cm à 0,04 cm (0,0085 et 0,0165 in) sur la face inférieure, et entre 0,02 cm et 0,1 cm (0,0085 à 0,050 in) sur la face supérieure. L'âme du patin est construite en nid d'abeille 2024 et de 5052. Enfin, le centre de chaque patin du LM est situé à 425,63 cm (167,57 in) de l’axe X du véhicule.
Anecote : Apollo 15 était incliné d’environ 11 degrés (6,9 degrés de tangage positif et 8,6 degrés de roulis vers la gauche). Cette inclinaison a eu certaines implications techniques : les astronautes ont dû réorienter leur antenne en bande S et viser d’autres étoiles que celles initialement prévues pour réaligner leur plate-forme inertielle. Ils eurent également quelques soucis pour descendre de l'échelle et pour déployer le LRV. Bien que le système ait été conçu pour permettre le déploiement du LRV lorsque le LM présentait une attitude inclinée jusqu’à 14,5° par rapport à la verticale, sur une pente lunaire maximale de 6°, les astronautes d’Apollo 15 rencontrèrent néanmoins des difficultés lors de l’extraction du véhicule. L’inclinaison réelle du LM (~11°) entraîna une déviation de la trajectoire de descente du LRV, nécessitant des ajustements manuels supplémentaires pour libérer les points d’attache et corriger la position du châssis au sol.
LES DÉFLECTEURS DE PANACHE
Quatre déflecteurs ont été installés pour empêcher les panaches des propulseurs RCS orientés vers le bas d’endommager l’étage de descente. Chaque déflecteur est constitué d’une section ouverte correspondant à un arc de 47° d’un cône circulaire tronqué de 90°. Ils sont montés sous les moteurs RCS à tir vers le bas et inclinés de 10° vers l’extérieur par rapport à l’axe central du moteur. Ces déflecteurs sont fabriqués à partir de plusieurs couches de matériaux : des feuilles d'Inconel 600 d’une épaisseur de 0,0031 cm (0,00125 in), des feuilles de nickel laminé brillant recuit de 0,0012 cm (0,0005 in) et de maille d'Inconel. L’accumulation des couches est adaptée pour répondre aux contraintes thermiques. Chaque déflecteur est fixé à des supports caténaires en titane sur les côtés et à des poutres en caisson aux extrémités. Ils sont également soutenus par six supports et une nervure centrale. Pour améliorer leur efficacité thermique, la face avant est recouverte de peinture Pyromark noire résistante à la chaleur, tandis que le dos est traité avec du Sicon pigmenté d’aluminium. Chaque déflecteur pèse 2,2 kg (4,9 lb). La conception de ces protections a été basée sur un allumage continu du moteur RCS pendant 15 secondes ou sur un cycle de travail équivalent. Toutefois, les simulations d’atterrissage ont révélé un besoin accru, nécessitant une durée d’activation de 23 secondes avec un cycle de travail de 19,2 % au cours des 120 dernières secondes de l’alunissage.
Ces déflecteurs ont été ajoutés à partir de la mission Apollo 11, après que les astronautes d’Apollo 9 ont observé des traces importantes de brûlure sur l’étage de descente causées par les tirs des moteurs RCS.
 Face avant (en noir) et face arrière (argentée) d'un déflecteur (origine photo : salle de vente RR auction) |
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LA PLATEFORME DE SORTIE
Une plate-forme externe, mesurant environ 81 cm (32 in) de large et 114 cm (45 in) de long, est fixée sur le stabilisateur du train d'atterrissage avant. Elle est positionnée juste en dessous de l'écoutille avant. Sa surface supérieure est ondulée afin d'offrir une meilleure prise pour les mains et les pieds. Associée à l’échelle située en dessous, cette plate-forme permet aux astronautes d’accéder à la surface lunaire depuis le véhicule et de faciliter les sorties extravéhiculaires entre l’intérieur du LM et l’espace libre.
L'ÉCHELLE
L'échelle, fixée à la jambe de force principale du train d'atterrissage avant, est composée de neuf barreaux situés entre deux garde-corps. Les barreaux sont espacés d'environ 23 cm (9 in), tandis que l’entraxe entre les garde-corps est d’environ 51 cm (20 in). L’extrémité supérieure de l’échelle se trouve à environ 46 cm (18 in) en dessous de l’extrémité avant de la plate-forme sur le stabilisateur. Elle s’étend vers le bas jusqu’à environ 76 cm (30 in) au-dessus du patin, permettant ainsi à la jambe de force principale de se télescoper lors de l'impact du LM sur la surface lunaire.
Panneau de cisaillement : c'est un élément structurel, généralement vertical, conçu pour résister aux forces latérales en absorbant les efforts de cisaillement et en stabilisant la structure contre les déformations. (Polycopie de cours : analyse des structures aéronautiques (I et II) préparé par Dr Hamadouche - Mahi Amale en PDF)
Sources : Apollo Operations Handbook, Lunar Module, LM 10 and Subsequent, Volume I, Subsystems Data, 1 April 1971 (PDF) ; Apollo Lunar Module News Reference (PDF) ; Apollo Experience Report Lunar Module Landing gear Subsystem par William F. Rogers (PDF) ; Lunar Module Structure, Mechanical Systems and ElectroExplosive Devices Course n° 30915 Study Guide date : 2-15-67 préparé par Walt Miller (PDF) ; Apollo Experience Report Thermal Protection From Engine-Plume Environments de J.Thomas Taylor 1972 (PDF). Texte de Paul Cultrera, tous droits réservés.
