Le programme Apollo

Le programme Apollo est lancé par le président John F. Kennedy le 2 mai 1961 avec comme objectif d'envoyer pour la première fois des hommes sur la Lune avant la fin de la décennie. Il s'agit de démontrer la supériorité des États-Unis sur l'Union soviétique dans le domaine spatial, devenu un enjeu politique dans le contexte de la guerre froide^[1]. Le 20 juillet 1969, l'objectif fixé à l'agence spatiale américaine, la NASA, est atteint lorsque les astronautes de la mission Apollo 11 parviennent à se poser sur la Lune^[2]. À cette date, neuf autres missions sont programmées. Mais les ambitions du programme sont rapidement revues à la baisse. Les priorités des États-Unis ont changé : les dispositifs sociaux mis en place par le président Lyndon Johnson dans le cadre de sa guerre contre la pauvreté (Medicare et Medicaid) et surtout un conflit vietnamien qui s'envenime prélèvent une part croissante du budget du pays. Pour les décideurs politiques américains, le programme Apollo a rempli son principal objectif en prouvant la supériorité technique des États-Unis sur l'Union soviétique, et la science ne justifie pas les dépenses envisagées pour les missions à venir. En 1970, la dernière mission planifiée, Apollo 20, est annulée tandis que les vols restants sont étalés jusqu'en 1974 ; la chaîne de fabrication de la fusée Saturn V, chargée de lancer les vaisseaux du programme, est également arrêtée, mettant fin à tout espoir d'une prolongation du programme^[3]. Le développement de la première station spatiale américaine Skylab, dans laquelle trois équipages doivent successivement faire des séjours de longue durée en 1973-1974, prélève une part croissante d'un budget de la NASA par ailleurs en forte baisse. Le 20 septembre 1970, l'administrateur de la NASA Tom Paine, démissionnaire, annonce que les contraintes budgétaires nécessitent de supprimer les deux dernières missions Apollo 18 et Apollo 19 ; les économies attendues sont d'environ 50 millions de dollars^[4],[5].

Apollo 15 - La première mission J

Apollo 15 est la cinquième mission du programme Apollo ayant pour objectif de déposer son équipage sur le sol lunaire. Apollo 15 devait être, comme les missions précédentes - Apollo 12, Apollo 13 et Apollo 14 - une « mission H » utilisant une version non optimisée du lanceur ne permettant qu'un séjour relativement bref sur la Lune. À la suite de l'annulation en 1970 pour des raisons budgétaires des deux dernières missions du programme Apollo - Apollo 18 et Apollo 19 - les responsables tentent de préserver les objectifs scientifiques du programme qui ne comporte plus que deux missions au delà d'Apollo 15. Ils décident que celle-ci sera la première des « missions J ». Les missions J utilisent un lanceur Saturn V plus puissant permettant un séjour prolongé sur la Lune. Elles emportent le rover lunaire, un véhicule permettant d'accroitre le rayon d'action des astronautes lors de leurs sorties extravéhiculaires. Les missions J doivent fournir un retour scientifique fortement accru par rapport aux missions précédentes^[6].

La version optimisée du lanceur Saturn V est capable d'injecter sur une trajectoire lunaire 700 kg supplémentaires (masse totale 48 130 kg). Ce gain a permis d'accroitre la capacité des vaisseaux spatiaux en particulier du module lunaire Apollo. Des consommables supplémentaires sont emportés permettant de porter son autonomie sur le sol lunaire à 78 heures soit le double des versions précédentes. Le module lunaire transporte le rover lunaire Apollo, un véhicule à propulsion électrique qui doit permettre de multiplier par 10 la distance parcourue sur le sol lunaire par les astronautes. Enfin cette capacité accrue permet d'augmenter la masse des roches lunaires rapportées sur Terre^[6].

Dave Scott au cours d'un entrainement géologique au Nouveau-Mexique (mars 1971).

Sélection du site d'atterrissage

Le choix du site d’atterrissage est effectué en septembre 1970. Compte tenu du nombre très réduit de missions restantes (trois en comptant Apollo 15), les scientifiques souhaitent que le site sélectionné permette de remplir plusieurs objectifs scientifiques. Le site de Hadley répond parfaitement à cette contrainte : il permet à la fois d'explorer une mer lunaire, une crevasse et un massif montagneux. Par ailleurs si le rover lunaire Apollo, qui doit accroitre le rayon d'action des astronautes, n'est pas prêt à la date de lancement, ces formations sont suffisamment proches pour être étudiées à pied par l'équipage. La position du site permet d'améliorer les mesures par triangulation de l'épicentre des séismes car le sismomètre, que les astronautes doivent installer à Hadley, sera situé à la latitude relativement élevée de 30° (les sismomètres déposés par les missions précédentes sont tous proches de l'équateur). Cette latitude est également un atout pour la mesure des mouvements de libration de la Lune. L'autre site finaliste retenu par le comité de sélection est le cratère Marius. Aucun consensus ne se dégageant en faveur de l'un ou l'autre site, c'est Scott qui fait pencher la balance en accordant sa préférence à Hadley^[7].

L'atterrissage s'annonce beaucoup plus difficile que lors des missions précédentes. La région de Hadley présente un relief tourmenté, qui fait tout son attrait pour les scientifiques, et les photographies disponibles sur cette région ont une faible résolution spatiale (seulement 20 mètres) qui ne permet pas de se faire une idée précise de la densité des obstacles (cratères, roches) qui pourraient faire échouer l'atterrissage. Le module lunaire ne pourra pas s'écarter de la trajectoire définie. Immédiatement après avoir survolé les Monts Apennins qui culminent à 5 000 mètres il devra plonger en suivant une pente deux fois plus forte que dans les missions précédentes^[8].

Composition

L'équipage de la mission Apollo 15 est composé de David R. Scott (39 ans) qui en assure le commandement, James B. Irwin (41 ans) qui est pilote du module lunaire et Alfred M. Worden (39 ans) qui est le pilote du module de commande et de service Apollo. Worden doit rester en orbite tandis que ses deux coéquipiers descendront à la surface de la Lune. Malgré la vocation scientifique affirmée des missions J, l'équipage d'Apollo 15 est formé exclusivement de pilotes d'essai militaires, reflet des critères de recrutement des agences spatiales au début de l'ère spatiale. La NASA a commencé à former des astronautes issus du milieu scientifique sous la pression de la communauté scientifique qui ne comprend pas qu'autant d'argent ait été englouti dans le programme Apollo sans qu'elle soit amenée à participer à l'exploration lunaire. Mais le premier et seul astronaute du programme issu de cette filière (Harrison Schmitt) sera affecté à la mission Apollo 17. Selon la procédure mise en place par la NASA, l'équipage sélectionné s'est entrainé une première fois en tant qu'équipage de remplacement de la mission Apollo 12 avec lequel il a développé une grande complicité mais également une certaine rivalité car les trois hommes font partie de l'Armée de l'air américaine alors que leurs collègues sont pilotes au sein de la Marine de guerre américaine.

Irwin et Worden recrutés par la NASA en 1966 n'ont jusque-là jamais volé, mais leur commandant Scott, recruté en 1963, est un astronaute expérimenté. Il a volé avec Neil Armstrong en mars 1966 dans le cadre de la mission Gemini 8 dont l'objectif était de mettre au point la technique du rendez-vous spatial. II a effectué les essais en vol du module de commande et de service Apollo dans le cadre de la mission Apollo 9 lancée en mars 1969 et qui a duré dix jours.

Équipage de remplacement et support au sol

L'équipage qui doit remplacer les astronautes titulaires de la mission en cas de maladie, accident ou autre événement imprévu est constitué de Dick Gordon (commandant ), Vance Brand pilote du module de commande et de service et Harrison Schmitt pilote du module lunaire. Ce dernier sera le premier scientifique à participer à une mission de la NASA.

Durant la mission l'équipage est en communication quasi permanente avec le contrôle au sol. Un astronaute, le CapCom (Capsule communicators ou capcoms) assure l'interface entre les astronautes en vol et les spécialistes au sol. Dans le cas d'Apollo 15, les capcoms qui se relaient sont Joe Allen (qui fera partie de l'équipage des missions STS-5 et STS-51-A de la navette spatiale américaine) , Bob Parker (STS-9, STS-35) , Karl G. Henize (STS-51-F), C. Gordon Fullerton (STS-3, STS-51-F), Edgar Mitchell (Apollo 14), Harrison Schmitt (Apollo 17), Alan Shepard (Apollo 14), Richard Gordon (Apollo 12) et Vance Brand (Apollo-Soyouz, STS-5, STS-41-B, STS-35). Quatre équipes de techniciens identifiées par une couleur (gold, maroon, black, white) se relaient pour contrôler les paramètres de fonctionnement des engins spatiaux transmis de manière continue, conseiller les astronautes et diagnostiquer les pannes. Elles sont dirigées par Gerald Griffin (gold), Milton Windler (maroon), Glynn Lunney (black) et Gene Kranz (white team)^[9].

Préparation de l'équipage

L’un des changements les plus importants inaugurés par la mission Apollo 15 porte sur l’entraînement de l’équipage. La mission de type J, caractérisée par un séjour prolongé sur la Lune, permet à l'équipage de réaliser des observations scientifiques approfondies. Les observations géologiques constituent en particulier un des principaux objectifs de la mission. Scott et Irwin s'entrainent avec Leon Silver, géologue de Caltech, passionné du précambrien, recommandé par Harrison Schmitt. Son enseignement doit remplacer les cours magistraux dispensés jusque là par la NASA. Silver est notamment connu pour ses travaux sur les méthodes de datation des roches, basées sur la prise en compte de la désintégration radioactive de l’uranium en plomb.

Silver prépare les équipages titulaire et suppléant à différentes situations, dont le réalisme est de plus en plus poussé au fur et à mesure que la date du lancement approche. Pour s’entraîner les astronautes portent des répliques de leurs casques ou combinaisons, sacs à dos, utilisent les talkies-walkies pour communiquer avec un interlocuteur reproduisant ainsi les conditions réelles auxquelles ils devront à faire face. Ils sont accompagnés d’un groupe de géologues ne connaissant pas la zone afin d’évaluer la précision des descriptions. Le pilote du module de commande, Al Worden, qui sera chargé durant la mission d'effectuer des observations depuis l'orbite lunaire, suit un entraînement géologique différent : il travaille avec l’Égyptien Farouk El-Baz, survolant à basse altitude un terrain préparé, afin d’y repérer les objets et les éléments géographiques importants.

Le lanceur Saturn V

Le vaisseau Apollo est placé en orbite par le lanceur géant Saturn V développé par la NASA pour le Programme Apollo. Cette énorme fusée d'un peu plus de 3 000 tonnes, haute de 110,6 m et d'un diamètre de 10,1 m est capable de placer 140 tonnes en orbite terrestre basse^[10]. C'est le troisième lanceur (après l'Atlas-Centaur et la Saturn 1) mettant en œuvre des moteurs brûlant le mélange cryogénique performant d'hydrogène et d'oxygène liquides. Il reste en 2020 le lanceur le plus puissant (charge utile) jamais développé. Saturn V est le dernier représentant de la famille de lanceurs Saturn, développée à compter de 1960 pour mettre au point progressivement les différents composants de la fusée géante. La fusée est en grande partie le résultat de travaux antérieurs menés par le motoriste Rocketdyne sur la propulsion cryotechnique oxygène/hydrogène et les moteurs de forte puissance. Le développement de la fusée est placé sous la responsabilité du Centre de vol spatial Marshall (MSFC) à Huntsville, en Alabama, dirigé par Wernher von Braun avec une forte implication des sociétés Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft Company et IBM. Les caractéristiques de la fusée Saturn V sont étroitement liées au scénario retenu pour l'envoi d'un équipage sur le sol lunaire (rendez-vous en orbite lunaire). Plusieurs modifications apportées au lanceur par rapport à la version utilisée lors des missions précédentes, en particulier des modifications de la motorisation du premier étage, ont augmenté la charge utile de 700 kilogrammes. La puissance de Saturn V lui permet de lancer une charge utile de 48 tonnes vers la Lune qui correspond au poids cumulé des vaisseaux module lunaire Apollo et Module de commande et de service Apollo^[11].

Le vaisseau Apollo

Le module de commande et de service Apollo.

L'équipage d'Apollo 15 embarque à bord d'un vaisseau formé d'un ensemble de quatre modules distincts dont deux forment le module de commande et de service Apollo et deux autres le module lunaire Apollo (cf. Schéma 1). D'autre part, le module lunaire Apollo (LM, Lunar Module) qui est utilisé uniquement à proximité de la Lune par deux des astronautes pour descendre, séjourner à la surface puis remonter en orbite avant de s'amarrer au module de commande et de service. L'indicatif radio du CSM est Endeavour tandis que celui du module lunaire est Falcon.

Le module de commande et de service Apollo

Le module de commande et de service Apollo (CSM, acronyme de Command and Service Module), pesant plus de 30 tonnes est composé du module de commande (CM, Command module) et du module de service (SM, Service Module) dans lequel sont regroupés presque tous les équipements nécessaires à la survie de l'équipage : moteur de propulsion principal, sources d'énergie, oxygène, eau.

• Le module de commande Apollo est la partie dans laquelle les trois astronautes séjournent durant la mission, sauf lorsque deux d'entre eux descendent sur la Lune au moyen du module lunaire. Pesant 6,5 tonnes et de forme conique, sa structure externe comporte une double paroi : une enceinte constituée de tôles et de nid d'abeilles à base d'aluminium qui renferme la zone pressurisée et un épais bouclier thermique qui recouvre la première paroi et qui permet au module de résister à la chaleur produite par la rentrée atmosphérique et qui lui permet d'y survivre. C'est le seul des quatre modules qui revient à la surface de la Terre. L'espace pressurisé dans lequel doivent vivre les astronautes est très exigu car son volume habitable est de 6,5 m³. Les astronautes sont installés sur trois couchettes côte à côte parallèles au fond du cône et suspendues à des poutrelles partant du plancher et du plafond (la pointe du cône). En position allongée, les astronautes ont en face d'eux, suspendu au plafond, un panneau de commandes large de deux mètres et haut de un mètre présentant les principaux interrupteurs et voyants de contrôles. Les cadrans sont répartis en fonction du rôle de chaque membre d'équipage. Sur les parois latérales se trouvent des baies réservées à la navigation, d'autres panneaux de commande ainsi que des zones de stockage de nourriture et de déchets. Pour la navigation et le pilotage, les astronautes utilisent un télescope et un ordinateur qui exploite les données fournies par une centrale inertielle. Le vaisseau dispose de deux écoutilles : l'une située à la pointe du cône comportant un tunnel permettant l'accès au module lunaire lorsque celui-ci est amarré au vaisseau Apollo. L'autre placée sur la paroi latérale est utilisée à Terre pour pénétrer dans le vaisseau et dans l'espace pour les sorties extra véhiculaires (le vide est alors effectué dans la cabine car il n'y a pas de sas). Les astronautes disposent par ailleurs de cinq hublots pour effectuer des observations et réaliser les manœuvres de rendez-vous avec le module lunaire. Le module de commande dépend, pour les principales manœuvres comme pour l'énergie et le support-vie, du module de service^[12].
• Le module de service est un cylindre d'aluminium non pressurisé de 5 mètres de long et 3,9 mètres de diamètre pesant 24 tonnes. Il est accouplé à la base du module de commande et la longue tuyère du moteur-fusée principal de 9 tonnes de poussée en dépasse de 2,5 mètres. Le module est organisé autour d'un cylindre central qui contient les réservoirs d'hélium servant à pressuriser les réservoirs d'ergols principaux ainsi que la partie haute du moteur principal. Autour de cette partie centrale, l'espace est découpé en six secteurs en forme de parts de gâteau. Quatre de ces secteurs abritent les réservoirs d'ergols (18,5 tonnes). Un secteur contient trois piles à combustible qui fournissent la puissance électrique et en sous-produit l'eau ainsi que deux réservoirs d'hydrogène et deux réservoirs d'oxygène qui les alimentent. L'oxygène est également utilisé pour renouveler l'atmosphère de la cabine. Le module de service contient également les radiateurs qui dissipent l'excédent de chaleur du système électrique et qui régulent la température de la cabine. Quatre grappes de petits moteurs de contrôle d'attitude sont disposées sur le pourtour du cylindre. Une antenne grand gain comportant cinq petites paraboles, assurant les communications à grande distance^[12].

Schéma 1 - Les quatre modules formant le vaisseau spatial lancé vers la Lune . Étage de descente du module lunaire : 0 Jupe inférieure du module de descente - 1 Train d'atterrissage - 2 Échelle - 3 Plateforme. Étage de remontée du module lunaire : 4 Écoutille - 5 Propulseurs contrôle d'attitude - 6 Antenne bande S - 7 Antenne bande S orientable - 8 Antenne du radar de rendez-vous - 9 Hublot utilisé pour le rendez-vous orbital lunaire - 10 Antenne VHF - 11 Cible utilisée pour l'amarrage - 12 Écoutille supérieure. Module de commande : A Compartiment équipage - G Bouclier thermique - H Hublots de rendez-vous - I Tunnel de communication. Module de service : B Radiateurs des piles à combustible - C Propulseurs contrôle d'attitude - D Radiateurs du système de contrôle de l'environnement - E Antennes grand gain orientables - F Tuyère du moteur principal.

Schéma de la partie avant de la cabine du module lunaire Apollo.

Le rover lunaire

Schéma du rover lunaire Apollo.

Grâce à l'augmentation de la puissance du lanceur Saturn V, Apollo 15 est la première mission lunaire qui embarque un rover lunaire. Ce petit engin tout-terrain biplace à l'allure rustique (masse à vide de 210 kg pour une longueur de 3 mètres) pouvait transporter plus de 490 kg de charge utile à la vitesse modeste de 14 km/h grâce à quatre moteurs électriques de 0,25 ch alimentés par des batteries non rechargeables. Sur le plan technique, il est doté d'un système de navigation perfectionné et de roues d'une conception originale. Grâce à lui les astronautes accroissent considérablement leur rayon d'action et peuvent prospecter un plus grand nombre de sites. Le rover est conçu sans que les caractéristiques du sol lunaire soient connues avec précision. Il devait fonctionner dans un environnement particulièrement hostile (température élevée, absence d'atmosphère, faible gravité, terrain accidenté et meuble) difficilement reproductible sur Terre. Malgré ces contraintes, le rover lunaire va remplir sans problème majeur les objectifs qui lui étaient assignés^[14].

Exploration de la région des monts Apennins

Le site d'atterrissage est situé dans l'hémisphère nord à la latitude 26° 04' 54" et la longitude 3° 39' 30". Il se trouve au pied des monts Apennins massif qui culmine à une altitude de 5 000 mètres^{[Note 1]}, le long de la bordure sud-est de la mer des Pluies. Le site d'atterrissage a été choisi de manière que l'équipage puisse étudier les premiers escarpements du massif : le mont Hadley Delta, qui culmine à 3 500 mètres au-dessus de la plaine, se trouve à 5 kilomètres de distance au sud-est tandis que le mont Hadley (4 200 mètres au-dessus de la plaine) est situé à 11 km au sud-est. Un canyon large de 1,5 kilomètre et profond de 400 mètres, la crevasse Hadley, passe également à un kilomètre à l'ouest du site d'atterrissage. Ce canyon sinueux au profil en V prend sa naissance sous la forme d'une dépression dans les monts Apennins, traverse le marais de la Putréfaction et fusionne avec une deuxième crevasse à 100 kilomètres au nord. Des rochers de grande taille se sont détachés des parties supérieures de la crevasse et ont roulé au fond de celle-ci en exposant ce qui, pour les scientifiques, pourrait correspondre à des strates du bassin de la mer lunaire. Le mécanisme de formation des crevasses n'est pas connu et intrigue les spécialistes. Les astronautes doivent collecter dans les monts Apennins des échantillons de roches dont la formation pourraient être antérieure à celle des mers lunaires^[16],[17].

Déploiement d'instruments à la surface de la Lune

L'Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) est un ensemble d'instruments qui doit être installé à la surface de la Lune pour recueillir différentes types de données après le départ de l'équipage. Il comprend d'une part un boîtier central chargé de transmettre les données scientifiques recueillies vers la Terre au Centre de vol spatial Goddard, recevoir les instructions et redistribuer l'énergie électrique fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG). Connectés à ce boîtier central, on trouve, d'autre part, sept instruments supplémentaires ^[18] :

• Le sismomètre passif PSE (Passive Seismic Experiment) détecte les secousses telluriques de la Lune, qu'elles soient naturelles ou provoquées artificiellement afin d'étudier la structure du sous-sol.
• Le magnétomètre de la surface lunaire LSM (Lunar Surface Magnetometer) mesure le champ magnétique lunaire. Les données sont utilisées pour déterminer les propriétés électriques du sous-sol. Ces données servent également à étudier les interactions entre le plasma solaire et la surface lunaire.
• Le spectromètre de vent solaire (SWS) (Solar Wind Spectrometer) étudie les propriétés du vent solaire et son incidence sur l'environnement lunaire.
• Le détecteur d'ions suprathermiques SIDE (Superheated Ion Detector Experiment) conçu pour mesurer les différentes caractéristiques des ions positifs dans l'environnement lunaire, fournir des données sur les interactions entre le plasma et le vent solaire et mesurer le potentiel électrique de la surface de la Lune.
• L'instrument de mesure des flux thermiques HFE (Heat Flow Experiment) collecte des données sur les variations thermiques du sous-sol pour déterminer à quel rythme la chaleur interne de la Lune s'évacue vers l'extérieur. Ces mesures doivent permettre d'estimer la radioactivité interne et permettre de comprendre l'évolution thermique de la Lune. L'instrument comporte un boîtier électronique et 2 sondes. Chaque sonde est placée dans un trou de 2,5 mètres de profondeur foré par les astronautes.
• La jauge cathodique ionique froide CCIG (Cold Cathode Ion Gauge) est un instrument qui mesure la pression atmosphérique de l'atmosphère lunaire. Il devait initialement faire partie du SIDE, mais le champ magnétique généré par l'instrument aurait créé des interférences.
• Le détecteur de poussières est utilisé pour mesurer le taux d'accumulation de la poussière sur la surface de la Lune ainsi que pour évaluer l'environnement radiatif et thermique. Cet instrument comprend trois petites cellules photoélectriques montées sur le pare-soleil de l'unité centrale de l'ALSEP.

Deux autres instruments sont installés avec l'ALSEP mais sont indépendants de celui-ci^[19] :

• Le réflecteur laser LRRR (Laser Ranging Retroreflector) permet de mesurer avec précision la distance Terre-Lune en réfléchissant la lumière de lasers émis depuis la Terre. Ces mesures sont utilisées pour estimer l'éloignement progressif de la Lune, conséquence de la dissipation de l'énergie des marées et du mouvement irrégulier de la Terre.
• L'instrument de mesure de la composition du vent solaire SWC (Solar Wind Composition Experiment) a pour objectif de déterminer les gaz rares et leurs isotopes présents dans le vent solaire. Il est constitué d'une feuille d'aluminium de 0,37 m² déployée à l'extérieur par l'équipage au début de son séjour à la surface de la Lune et qui est remportée pour être analysée sur Terre. Avec des instruments adéquats, les particules du vent solaire, capturées sous quelques centaines de couches atomiques, peuvent être identifiées.

Expériences réalisées en orbite lunaire

Des équipements scientifiques dont deux caméras et un petit satellite libéré en orbite lunaire formant le SIM (Scientific Instrument Module) sont installés dans le secteur du module de service et visibles sur cette photo.

Huit expériences scientifiques rassemblées dans le module SIM (Scientific Instrument Module) sont installées dans le secteur 1 du module de service (vide lors des missions précédentes). Le panneau en aluminium qui recouvre le compartiment doit être éjecté peu avant l'insertion du vaisseau en orbite lunaire. Les expériences, qui sont principalement mises en œuvre durant le séjour du vaisseau Apollo en orbite lunaire, comprennent^[20] :

• Un spectromètre à rayons gamma dont le capteur est installé au bout d'une perche déployable longue de 7,6 mètres. Il mesure la composition chimique de la surface de la Lune. Il est également utilisé pour mesurer les rayons cosmiques durant le voyage de retour vers la Terre. Il peut mesurer des énergies comprises entre 0,1 et 10 MeV.
• Un spectromètre de fluorescence X cartographie la composition chimique de la surface de la Lune en mesurant la fluorescence X produite par l'interaction entre les rayons X émis par le Soleil et le sol lunaire. Durant le retour vers la Terre, l'instrument mesure le rayonnement X d'origine galactique.
• Un spectromètre à particules alpha et à rayons X mesure les particules alpha émises depuis la croûte lunaire et les fissures produites par les isotopes du radon. L'instrument est sensible aux énergies comprises entre 4,7 et 9,3 MeV. Il permet de réaliser une cartographie des émissions alpha le long de la trace au sol du vaisseau. Il doit également mesurer le bruit de fond alpha émanant de l'espace profond durant le séjour autour de la Lune et le voyage de retour vers la Terre.
• Un spectromètre de masse mesure la composition et la distribution des éléments présents dans l'exosphère de la Lune (l'atmosphère très ténue de celle-ci) et localise à la surface de la Lune les sources des gaz émis en particulier au niveau des terminateurs (ligne mouvante séparant les faces éclairée et non éclairée). Le capteur est fixé au bout d'une perche déployable longue de 7,3 mètres. L'instrument permet d'identifier les éléments chimiques dont la masse atomique est comprise entre 12 et 66.
• Une caméra panoramique dotée d'un champ de vue de 11° dans le sens du déplacement du vaisseau et de 108° dans la direction perpendiculaire fournit des images de la surface de la Lune couvrant 23 × 333 km. Elle produit des images stéréo et à haute résolution (jusqu'à 1 mètre). La caméra est chargée avec une pellicule photographique argentique de 61 centimètres de large comprenant 1 650 poses. La cassette de 32 kilogrammes est récupérée durant une sortie extravéhiculaire effectuée immédiatement avant le retour vers la Terre.
• Une caméra fournissant des images avec une résolution spatiale de 20 mètres est utilisée pour cartographier la surface de la Lune. Son objectif dont le champ de vue est de 74° fournit des images couvrant des sections de la surface lunaire de 170 × 170 km. La caméra utilise une pellicule photographique argentique de 76 mm de large comprenant 3 600 poses. Elle est couplée avec une caméra dont l'axe optique fait un angle de 96° qui permet d'obtenir une image des étoiles et sert à localiser les prises de vue. Celle-ci fournit également une référence pour les mesures de l'altimètre laser faisant partie du SIM. La cassette de 10 kilogrammes contenant le film est elle aussi récupérée durant la sortie extravéhiculaire avant le retour vers la Terre.
• L'altimètre laser mesure la distance entre le vaisseau Apollo et la Lune. Couplé avec les deux caméras il permet de déterminer l'altitude à laquelle se situe le terrain photographié.
• Un petit satellite, éjecté lorsque le vaisseau Apollo est en orbite lunaire, emporte trois expériences. Sa masse est de 36 kilogrammes. Sa section hexagonale fait 36 centimètres de diamètre et il est long de 79 centimètres. L'énergie est fournie par des cellules solaires qui produisent 25 watts lorsqu'il est du côté éclairé de la Lune. L'énergie est stockée dans une batterie argent-cadmium rechargeable. Une fois largué il déploie trois perches portant les capteurs d'un magnétomètre et est stabilisé par rotation à raison de 12 tours par minute. Les instruments embarqués comprennent :
  • un répéteur utilisé pour mesurer le champ gravitationnel lunaire, en particulier les mascons,
  • un détecteur de particules qui doit fournir des données sur la formation et la dynamique de la magnétosphère terrestre, l'interaction des plasmas avec la Lune et la physique des éruptions solaires,
  • Un magnétomètre fournissant des informations sur les propriétés physiques et électriques de la Lune ainsi que sur ses interactions avec le plasma.

D'autres expériences sont réalisées depuis la cabine du vaisseau Apollo au cours de la mission soit durant le transit entre la Terre et la Lune soit en orbite lunaire^[21] :

• Des photographies dans l'ultraviolet de la Terre et de la Lune sont effectuées pour étudier l'atmosphère terrestre et le rayonnement ultraviolet émis par la surface de la Lune. Les photos sont réalisées avec un appareil photo Hasselblad équipé d'un filtre. Les photos sont prises à travers un des hublots de la cabine du vaisseau Apollo qui été équipé pour ce besoin d'un verre qui laisse passer une large proportion du rayonnement ultraviolet.
• Le gegenschein, phénomène optique provoqué par la réflexion de la lumière du Soleil sur des particules de poussières situées principalement dans le plan de l'écliptique, est photographié lorsque le vaisseau Apollo survole la face non éclairée de la Lune. Ces photos sont réalisées en pose longue avec un appareil équipé d'une pellicule photographique très sensible (6000 ASA).
• Les émissions radio du répéteur du vaisseau Apollo fonctionnant en bande S sont utilisées pour déterminer les irrégularités du champ gravitationnel de la Lune. Ces données doivent faciliter les futures missions. Sur le plan scientifique elles contribuent à la définition du scénario de formation de la Lune et aux investigations sur les structures situées sous la surface de la Lune.
• Les antennes radio du vaisseau, en particulier l'émetteur utilisé pour transmettre les télémesures en bande S et les antennes omnidirectionnelles et grand gain sont utilisées pour former un radar bistatique tourné vers la surface de la Lune. Le signal radio réfléchi est analysé par des antennes paraboliques sur Terre. Les données collectées permettent de préciser les propriétés électriques de la surface ainsi que sa rugosité.
• Après son retour sur Terre, les hublots du module de commande sont étudiés au microscope pour déterminer la taille et la fréquence des micro-Météoroïdes ayant frappé ceux-ci.

Évaluation de nouveaux équipements

L'équipage doit évaluer des équipements emportés pour la première fois ou modifiés pour la mission^[22] :

• Rover lunaire Apollo : performances et opérabilité à la surface de la Lune.
• Système de communications installé à bord du rover lunaire (LCRU/GCTA) : communications dans les deux sens avec le module lunaire Apollo lorsque celui-ci n'est plus visible et télécommande de la caméra depuis la Terre.
• Combinaison spatiale lunaire (A7LB et PLSS) : évaluation de cette nouvelle version permettant de prolonger la durée des sorties extravéhiculaires et permettant une plus grande mobilité.
• Module lunaire Apollo : capacité du train d'atterrissage à encaisser une masse augmentée de 700 kg (masse terrestre), performance du moteur du module de descente modifié.
• Module de service Apollo - compartiment SIM : évaluation du mécanisme d'éjection du panneau protégeant le compartiment, technique de récupération des cassettes de film, mesure de l'impact thermique pour les instruments exposés et le module de service tout entier.

Lancement

Durant le mois qui précède le lancement, le complexe de lancement 39A du centre spatial Kennedy en Floride subit à plusieurs reprises des orages au cours desquels la foudre endommage à quatre reprises des installations au sol mais en laissant intact le lanceur et le vaisseau Apollo^[23].

Le jour du lancement l'’équipage se réveille à 4 heures 19 (heure locale). Après de rapides examens médicaux, ils prennent leur petit-déjeuner avec l’équipage de réserve. Après avoir enfilé leur combinaison spatiale ils sont amenés sur le site de lancement, où ils arrivent à 6:45 (heure locale). Les trois astronautes sont installés sur leur siège dans l'espace exigu du module de commande et de service. Scott occupe le siège de gauche, Worden en tant que pilote du module de commande est placé au milieu et Irwin à droite. La fusée Saturn V emportant le vaisseau Apollo 15 décolle du Centre spatial Kennedy le 23 juillet 1971 à 9h34 (heure locale) 13 heures 34 UTC soit 187 millisecondes après l'heure programmée, établissant un record de ponctualité dans le programme Apollo^[23].

Peu après la séparation du premier étage, les télémesures transmises par celui-ci s'interrompent de manière anormale. L'analyse effectuée après la mission attribua ce problème à la propulsion du second étage qui, trop proche à l'allumage, avait frappé de plein fouet le premier étage, en particulier les composants électroniques impliqués dans l'envoi de ces données. C'était la première fois qu'une fusée Saturn V subissait ce type d’incident. L'origine du problème découle d'une décision prise pour réduire la masse du lanceur : les fusées de tassement du second étage et 4 des 8 rétrofusées du premier étage ont été supprimées pour ce vol. Contrairement à ce qui avait été calculé, en supprimant ces petites fusées qui contribuaient à écarter les deux étages immédiatement après l'extinction du premier étage, les moteurs du second étage se sont allumés trop tôt. Par contre les deux étages supérieurs fonctionnent de manière nominale : l'équipage a la sensation que le vol est moins brutal que lors des missions précédentes en particulier les oscillations produites par l'effet pogo sont à peine marquées. L'accélération, qui atteint un pic de 4 g peu avant l'extinction du premier étage, ne dépasse jamais plus de 1,8 g durant le reste du vol propulsé. 11 minutes et 36 secondes après le décollage, le moteur du troisième étage s'éteint car le vaisseau Apollo est désormais en orbite. Celle-ci est très basse (171 × 170 km) pour optimiser la consommation d'ergols, et le vaisseau ne peut pas s'y maintenir très longtemps à cause de la densité de l'atmosphère résiduelle qui le freine et abaisse son altitude^[24].

L'équipage, dispose d'un peu plus de deux heures avant l'injection du vaisseau sur une trajectoire de transit vers la Lune. Il est très occupé à vérifier le fonctionnement des différents équipements, recaler la centrale de navigation et à préparer la prochaine manœuvre. Il trouve néanmoins le temps de réaliser une première expérience scientifique en prenant des photos dans l'ultraviolet de la Terre et de la Lune^[25].

Deux heures et cinquante minutes après le lancement, le troisième étage de la fusée S-IVB est rallumé pour permettre au vaisseau Apollo de quitter l'orbite basse et injecter celui-ci sur une trajectoire l'amenant près de la Lune. La propulsion fonctionne durant 5 minutes et 49 secondes consommant 95 tonnes d'ergols. La poussée augmente la vitesse du vaisseau Apollo de 7 809 m/s à 10 827 m/s plaçant celui-ci sur une orbite haute culminant à 538 342 kilomètres. Sur cette nouvelle orbite le vaisseau doit dépasser la Lune en passant à 257,4 kilomètres de celle-ci^[25].

Transit entre la Terre et la Lune

Environ une demi-heure après l'injection sur la trajectoire lunaire, une deuxième manœuvre est effectuée pour placer le module lunaire (LEM) dans sa position normale amarré au sommet du vaisseau Apollo (CSM). Le Module de Commande et de Service (CSM) se détache du reste du train spatial puis pivote de 180° pour venir repêcher le module lunaire dans le carénage qui prolonge le troisième étage du lanceur et l'encapsule. Après avoir vérifié l'amarrage des deux vaisseaux et pressurisé le module lunaire, les astronautes déclenchent par pyrotechnie la détente de ressorts situés dans le carénage : ceux-ci écartent le LEM et le CSM du troisième étage de la fusée Saturn à une vitesse d'environ 30 cm/s. Le troisième étage va alors entamer une trajectoire divergente^{[Note 2]} qui, selon les missions le place en orbite autour du Soleil ou l'envoie s'écraser sur la Lune. Le troisième étage consomme le reste de carburant pour se placer sur une trajectoire qui le fait s’écraser sur la Lune à 3° 39′ S, 7° 35′ O^[26].

Durant cette manœuvre, un voyant du panneau de contrôle s’allume indiquant que les valves contrôlant l'alimentation du moteur principal propulsant le module de service (Service Propulsion System ou SPS) sont ouvertes - donc que le moteur fonctionne - ce qui n'est absolument pas le cas (toutes les manœuvres ont été effectuées avec les propulseurs secondaires). Or ce moteur joue un rôle crucial dans la mission et son allumage intempestif pourrait entraîner l'interruption de la mission et dans le pire des scénarios la mort de l'équipage. Par sécurité, l'équipage ouvre les interrupteurs qui contrôlent les valves. Après plusieurs tests, l'équipe au sol détermine que le problème est dû à un court-circuit de l’interrupteur de contrôle d’ouverture des valves^{[Note 3]}. Grâce à la redondance des systèmes les plus critiques prévue par les concepteurs, la procédure d'allumage du moteur est modifiée pour éviter une mise à feu non souhaitée^[27].

Le contrôle au sol annule la première correction de trajectoire. Le temps libéré est utilisé pour placer le vaisseau en contrôle thermique passif (qualifié de « mode barbecue ») : le vaisseau est mis en rotation lente autour de son axe principal pour que toutes ses faces soient alternativement à l'ombre et exposées au Soleil. Environ 15 heures après le lancement, l’équipage éteint les lumières de l’habitacle et se prépare à dormir^[27].

Pour le second jour de la mission, l'équipage doit effectuer la première correction de trajectoire et réaliser un premier examen du module lunaire pour s'assurer de son bon état à la suite du lancement. Trente-deux heures après le décollage, le moteur principal est mis à feu durant 0,7 seconde modifiant la vitesse du vaisseau de 1,62 m/s. Cette manœuvre permet de vérifier que la procédure de contournement du problème de l'interrupteur, mise en place, est efficace et permet bien de contrôler la mise à feu du moteur^[28]. Après avoir commandé l'évacuation de l’air du module lunaire^{[Note 4]} depuis le module de commande et de service, puis l’avoir repressurisé, l’équipage ouvre l'écoutille et pénètre dans l'atterrisseur lunaire. Scott et Irwin entament une longue séquence de vérification qui dure près de deux heures : la position des interrupteurs (un peu moins de 200) est vérifiée et les systèmes de télécommunications, électriques et support de vie sont testés. Certains équipements sont transférés depuis le module de commande et de service et éventuellement installés sur leur support dans le module de service (caméras). Les astronautes découvrent que le verre protégeant l’un des cadrans s’est brisé, sans doute durant la phase de lancement. Ils doivent collecter méticuleusement les morceaux de verre éparpillés dans l’habitacle pour éviter de les ingérer en l'absence de gravité ou que des bouts se glissent dans leur combinaison spatiale. Le compteur mécanique protégé par le verre joue un rôle essentiel dans la mission : il restitue la distance avec le sol lunaire et la vitesse de descente ainsi que la distance entre le module lunaire et le module de commande. Le cadran n'étant plus étanche il est soumis à des conditions de fonctionnement pour lesquelles il n'est pas conçu^{[Note 5]}. Une fois ces tests achevés, les astronautes repassent le sas et consomment leur repas dans le module de commande et de service. L’équipage entame ensuite sa deuxième nuit dans le vaisseau. Il s'est écoulé 40 heures depuis le décollage^[29].

La principale activité du troisième jour de la mission est l'expérience sur les phosphènes. Ces flashs lumineux avaient été observés par les astronautes des missions précédentes durant leur temps de repos alors qu'ils avaient leurs yeux fermés. Les médecins de la NASA ont mis au point une expérience dans le cadre de la mission Apollo 15 pour tenter de déterminer l'origine du phénomène. Durant près d'une heure, après avoir abaissé les volets masquant les hublots, les astronautes, les yeux bandés et en maintenant leur position fixe, décrivent la position, la couleur et la durée de ces flashes. On attribue aujourd’hui ce phénomène à un effet Vavilov-Tcherenkov provoqué par des rayons cosmiques très énergétiques (interceptés sur Terre par l'atmosphère) frappant l’œil^[30],[31].

Après cette expérience, l'équipage évacue de nouveau l'atmosphère du module lunaire dans le but de purger la cabine de tous les résidus de verre puis la remettent sous pression avant d'y pénétrer et de vérifier que tout est en ordre. Au cours de la journée, le vaisseau franchit le point au-delà duquel le champ de gravité de la Lune devient prépondérant par rapport à celui de la Terre. Après une journée calme, l'équipage découvre une fuite d’eau dans le module de commande. En apesanteur, l'eau forme une bulle qui flotte. Les équipements du vaisseau sont conçus pour être étanches mais la présence de multiples gouttes d'eau flottant pourrait rendre rapidement la cabine invivable pour l'équipage. Les astronautes découvrent que la fuite venait d’un mauvais serrage de l'écrou solidarisant le tuyau d'arrivée d'eau à la pompe à chlore chargée d'empêcher le développement des bactéries et champignons. Le problème est facilement corrigé. L'équipage entame sa troisième nuit à bord du vaisseau, 62 heures après le décollage^[32].

Insertion en orbite lunaire

Le cratère Le cratère Carmichael (en) photographié depuis le vaisseau Apollo 15.

Le quatrième jour de la mission le moteur principal du vaisseau est mis à feu durant 0,91 seconde pour affiner la trajectoire en modifiant la vitesse de 1,65 m/s. Le principal événement de cette journée est l'insertion en orbite lunaire. Mais avant celle-ci les astronautes doivent éjecter le panneau qui recouvre les caméras et autres instruments scientifiques formant le (Science Instruments Module, SIM) installés dans le module de service. Ceux-ci doivent en effet être prêts à fonctionner dès que le vaisseau sera proche de la Lune. Le panneau doit être éjecté par un dispositif pyrotechnique (cordon détonant). Les astronautes enfilent leur combinaison spatiale (sans mettre toutefois leur casque et leurs gants) pour pouvoir faire face rapidement à une éventuelle dépressurisation car c'est la première mission Apollo à effectuer une telle opération. L'explosion est à peine ressentie par l'équipage qui filme par un hublot la porte éjectée qui s'éloigne dans l'espace^[33].

78 heures 23 minutes et 31 secondes après le lancement, le vaisseau passe derrière la Lune. Les communications avec la Terre sont interrompues. Huit minutes plus tard, le moteur principal du vaisseau, le SPS, est mis à feu durant 6 minutes et 38 secondes pour insérer le vaisseau sur une orbite lunaire. En restant sur sa trajectoire le vaisseau reviendrait vers la Terre : à la suite de cette réduction de vitesse, le vaisseau circule désormais sur une orbite elliptique de 313 km × 109,3 km^[33]. L’essentiel de la première heure en orbite lunaire consiste à décrire le terrain et les formations lunaire survolées. Les astronautes — notamment Worden — ont reçu un entraînement dans le domaine de la géologie qui leur permet d'effectuer une description fidèle des formations observées sur le terrain. Les astronautes réalisent également de nombreuses photographies en profitant de l'inclinaison orbitale relativement élevée qui leur permet de survoler des régions différentes des missions précédentes^[34].

Atterrissage

La procédure de descente (Descent Orbit Insertion, DOI) s'effectue aussi "derrière" la Lune, lors de la seconde orbite. Le vaisseau se plaçant ainsi en orbite excentrique 108,9 km × 17,6 km, le point le plus bas se situant au-dessus de leur lieu d’atterrissage (Rima Hadley situé dans la mer de Palus Putredinis). La présence de mascons^{[Note 6]} sur le trajet était supposée, mais inconnue. Le centre de contrôle au sol avait prédit que le lendemain, leur périsélène aurait chuté pour se stabiliser à 16,1 km environ — estimation qui se révéla trop optimiste.

L’équipe fut réveillée 18 minutes plus tôt que prévu, lorsqu’il se révéla que leur orbite avait été modifiée : 108,8 km × 14,1 km. Il fallait donc qu’ils effectuent une manœuvre rapidement, ce qu’ils firent en allumant le moteur du module de contrôle (Reaction Control System, RCS) durant 20 secondes, gagnant 0,94 m/s. Cela replaça leur périsélène à environ 17,8 km^[35].

Lors de la onzième orbite, Scott et Irwin prirent place dans le Falcon, activant ses instruments et vérifiant son fonctionnement, pour préparer la séparation. Ils mirent à jour l’ordinateur de guidage sur le LEM et effectuèrent des visées télémétriques au sol pour préciser la position enregistrée du lieu d’atterrissage. La séparation devait se produire à la fin de cette onzième orbite, mais un câble mal placé retarda cette opération. Après que Worden eut effectué les corrections, la séparation se réalisa sans problème. Ce retard eut pour effet un atterrissage retardé et la nécessité d’une mise à jour des marquages au sol^[35].

104 heures, 30 minutes et 12 secondes après le lancement, le moteur de descente du Falcon est allumé. Brûlant à 10 % de ses capacités pendant les 26 premières secondes pour que l’ordinateur de guidage puisse adapter la poussée afin de placer le module lunaire sur une trajectoire adéquate avant de passer à pleine puissance. Irwin confirma que le système de guidage en cas d'abandon (Abort Guidance System, AGS) et le système principal de navigation (Primary Guidance and Navigation System, PGNS) s’accordaient sur leur altitude et leur vitesse de descente. Trois minutes plus tard, l’ordinateur effectue une rotation du vaisseau, afin que le radar puisse analyser la surface. Encore trois minutes après, ils étaient à 9 000 m de la surface^[36].

Sur Terre, le directeur de vol apprit que les données de suivi indiquaient un atterrissage à 900 m au sud du site prévu. Bien qu’il ait préféré en premier lieu ne pas en informer l’équipage, le capcom Ed Mitchell le poussa à le faire. Scott, ce temps durant, essayait de voir la surface depuis son hublot, tentant en vain d'apercevoir la crevasse Hadley. D’après les simulations, il était possible qu’elle ne soit pas visible. Après neuf minutes et 10 secondes de propulsion, l’ordinateur de bord du LEM lança le Program 64 et le module lunaire se redressa, de sorte que l’équipage put voir le sol. Utilisant des mesures manuelles réalisées par Irwin et lui-même, Scott trouva le lieu d’atterrissage prévu par l’ordinateur et pouvait éventuellement prendre le contrôle manuel de la navigation pour corriger la trajectoire finale. Il le fit 18 fois, déplaçant le module de 338 mètres dans la direction de l’orbite et de 409 mètres au nord^[36].

Irwin récupérait l’altitude et la vitesse de descente. À 120 m, l’ordinateur démarra le Program 66 destiné à préparer l’atterrissage proprement dit, et repassant tous les contrôles en mode manuel. Passé 37 m, Scott remarqua qu’il soulevait de la poussière — arrivant entre 18 et 15 m, la vue extérieure était entièrement obscurcie par cette poussière. Irwin annonça alors que la lumière de contact s’était allumée, indiquant que l’une des « pattes » du Falcon avait touché le sol. Scott coupa immédiatement le moteur, de peur qu’une tuyère ne frappe la surface, ce qui aurait pu l’abîmer ou y faire rentrer de la poussière et compromettre leur voyage de retour. Leur vitesse de descente à ce moment était estimée à 2 m/s, soit deux fois plus que lors des missions précédentes. Scott informa le contrôle au sol^[36] :

« Okay, Houston. The Falcon is on the Plain at Hadley. »^{[Note 7]} ("Ok , Houston. Le Falcon est dans la plaine de Hadley.")

Le module lunaire était penché de 10° vers l’arrière-gauche, soit 5° en dessous du maximum acceptable. Il se posa sur le bord du cratère (26° 06′ 04″ N, 3° 39′ 10″ E)^[37], endommageant la turbine de son moteur. Ils étaient à 600 m au nord et 175 m à l’ouest du site prévu, ce qui, grâce au rover lunaire, ne poserait pas de gros problèmes^[38].

Observations depuis la surface

Le site d'atterrissage photographié depuis le module lunaire après l'atterrissage.

Il était prévu, qu'une fois le module lunaire posé, son équipage aille dormir. Scott et Irwin étaient conscients qu'ils ne pouvaient pas effectuer une sortie extravéhiculaire d'une durée de sept heures sans s'être reposés auparavant. Néanmoins, Scott avait insisté pour avoir un aperçu des lieux avant d'aller se reposer. Il avait réussi à obtenir des responsables de la mission qu'il puisse faire une brève sortie en passant une tête par l'écoutille située au sommet du module lunaire. Il devait effectuer des photos notamment avec un appareil doté d'un téléobjectif de 500 millimètres. C'était la première fois qu'un téléobjectif était emporté à la surface de la Lune et les astronautes avaient dû longuement argumenter pour justifier le surcroît de masse (environ 500 grammes)^[39].

Deux heures après l’atterrissage, ils dépressurisent le module lunaire, puis démontent l'écoutille utilisée pour passer normalement dans le module de commande. Scott se tient debout sur le capot du moteur de l'étage supérieur et puis sort son torse du module en utilisant ses coudes pour se maintenir dans cette position. Il parvient à se maintenir dans cette position malgré sa masse (135 kg avec la combinaison spatiale mais son poids n'est que de 23 kg à la surface de la Lune). Il effectue d'abord un panorama stéréo du paysage avec un objectif de 60 mm, puis photographie des lieux intéressants (montagnes, cratères) avec le téléobjectif avant de réaliser de nouveau un panorama couleur avec l'objectif de 60 mm. Les premières observations radar réalisées depuis la Terre semblaient indiquer que la région était recouverte de blocs rocheux, rendant impossible l’utilisation du rover lunaire. Mais Scott put observer que les rochers aux alentours faisaient au plus vingt centimètres de large et qu'il n'y avait là rien qui puisse empêcher l'utilisation du rover lunaire. Trente minutes plus tard, Scott réintègre le module lunaire. Les astronautes referment l'écoutille puis repressurisent le module lunaire^[40].

Tandis que les astronautes dorment, le centre de contrôle s’inquiète d'une diminution de pression progressive mais anormale dans les réserves d’oxygène du module lunaire. Pour conserver de l’énergie durant la nuit, seule une fraction des télémesures sont transmises et celles-ci ne permettent pas de faire un diagnostic précis. Ne souhaitant pas réveiller l’équipage, les contrôleurs au sol préférèrent attendre le lendemain pour trouver la source de l'anomalie. Le directeur de vol Peter Frank décide de réduire la durée de leur sommeil d’une heure afin de disposer de l'ensemble des données. Le problème vient de la valve de l’éliminateur d’urines (Urine Transfer Device) qui, communiquant avec l'extérieur, est restée ouverte. Au total, 3,6 des 43 kg d’oxygène ont été perdus. Scott et Irwin inscriront dans leur rapport que l’équipe au sol aurait dû les réveiller dès la détection de la fuite^[41].

• Site d'atterrissage
• 
  Schéma du site et tracé des sorties extravéhiculaires prévues.
• 
  Tracé des sorties extravéhiculaires effectuées

Première sortie à la surface de la Lune

Irwin photographié à côté du rover lunaire à la fin de la première sortie extravéhiculaire.

Au pied du mont Hadley Delta (station 2)

Dave Scott étudie une roche près de la Station 2.

Scott et Irwin roulent 500 mètres pour arriver près du cratère Saint-Georges, de 3 kilomètres de diamètre. Le site est l'objectif principal de la sortie et il est prévu d'y passer 45 minutes. Il était prévu de déterminer la structure géologique du mont Hadley Delta en collectant des roches éjectées par l'impact à l'origine du cratère. Mais les astronautes en s'approchant ne trouvent aucun éjecta. Ils abandonnent cet objectif et se dirigent vers un rocher situé près d'un cratère de 6 mètres de diamètre. Ce rocher de 1,5 mètre de diamètre n'a pas été éjecté par l'impact ayant formé le cratère mais provient sans doute du terrain alentour. Les astronautes commencent par prélever un échantillon du sol au pied de la roche puis un autre dans une dépression un peu plus bas. Scott déclare qu'il va retourner le rocher pour prélever un peu de sol en-dessous. Après plusieurs tentatives ils parviennent à prélever plusieurs échantillons. D'autres échantillons de petite taille sont ramassés en utilisant un râteau dont les fourches sont écartées d'environ 1 centimètre. La dernière tâche effectuée est le prélèvement d'une carotte du sol obtenue en enfonçant un tube avec un marteau^[51],[52].

Déploiement de l'ALSEP

De retour au module lunaire, Scott et Irwin s'attellent au déploiement des instruments scientifiques de l'ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiment Package) qui doivent recueillir différents types de données et les transmettre vers la Terre longtemps après leur départ. Scott est chargé de réaliser des forages dans le sol pour y placer des sondes thermiques^{[Note 9]} tandis qu'Irwin installe d'autres instruments. Ceux-ci comprennent un sismographe passif, un magnétomètre, un spectromètre analysant les particules du vent solaire, un détecteur d’ions suprathermiques, une expérience à cathode froide, un détecteur de poussière lunaire. Irwin installe également un réflecteur laser (Lunar Laser Ranging Experiment, LLRE) et un analyseur de vent solaire. Les instruments sont reliés par des câbles à une unité centrale qui d'une part leur fournit de l'énergie à partir d’un générateur thermoélectrique et d'autre part recueille et transmet les données vers la Terre de manière automatique^[54].

Scott rencontre des problèmes pour effectuer ses forages : il parvient à enfoncer facilement son foret sur les 40 premiers centimètres, puis l'opération devient de plus en plus difficile au fur et à mesure qu'il l'enfonce. Arrivé à une profondeur de 1,6 m (la moitié de ce qui était prévu) il ne parvient plus à progresser. Avec l’accord du centre de contrôle, il passa au trou suivant. Le couple exercé sur la perceuse a bloqué le mandrin et il doit utiliser une clé pour libérer celui-ci, ce qui le retarde davantage. Il n'aura atteint qu'un mètre de profondeur^[55] lorsque le centre de contrôle les informe qu'ils doivent revenir dans le module lunaire. Les astronautes ont passé 6 heures et demie à l'extérieur. Une défaillance de la combinaison spatiale d’Irwin a privé celui-ci d’eau pendant tout la sortie et l'astronaute est complètement déshydraté^[56].

Le rover lunaire près de la station 2 durant la première sortie extra véhiculaire. En arrière plan le cratère Elbow et la crevasse Hadley.

Deuxième sortie à la surface de la Lune

Irwin, saluant le drapeau des États-Unis, à la fin de la deuxième sortie extrévéhiculaire.

Troisième sortie à la surface de la Lune

La plaque et la statuette Fallen Astronaut déposées à la surface la Lune par l'équipage d'Apollo 15 en mémoire des astronautes américains et russes décédés dans le cadre des missions spatiales.

Expérience de la plume et du marteau

L'expérience du marteau et de la plume.

Après avoir récupéré la carotte qui avait été extraite au début de la journée, Scott s'arrête au pied du module lunaire et décharge les sacs contenant les échantillons de roche qui doivent être ramenés sur Terre. Il réalise alors une démonstration montrant qu'une plume et un marteau tombent à la même vitesse sous l'effet de la gravité (animation ci-contre)^{[Note 11],[74]}.

Fin de la sortie extravéhiculaire

Scott va garer le rover à environ 90 mètres du module lunaire de manière que la caméra télé de celui-ci puisse filmer le décollage du module lunaire. Il dépose à proximité la plaque de la mission, portant les noms des quatorze astronautes qui ont perdu la vie lors de la conquête spatiale^{[Note 12]} ainsi qu'une petite statuette, intitulée Fallen Astronaut. Cette troisième et dernière excursion sur le sol lunaire aura duré 4 heures et 50 minutes^[74]. Scott et Irwin, après avoir chargé les échantillons de sol et les roches lunaires dans la cabine du module lunaire, réintègrent celle-ci et la repressurisent. Au total les astronautes auront foulé le sol sélène pendant 18 heures et 30 minutes et collecté près de 77 kilogrammes de roches lunaires^[74].

Après avoir ôté la partie dorsale de leur combinaison spatiale (le PLSS), ils dépressurisent brièvement la cabine et ouvrent l'écoutille pour le jeter à l'extérieur ainsi qu'un sac contenant différents objets qu'ils ne souhaitent pas emporter en orbite : chaque kilogramme supplémentaire entraine la consommation d'ergols durant le décollage, or la marge de carburant dont dispose le module lunaire est limitée. Durant l'heure suivante, l'équipage se prépare au décollage en entrant les derniers paramètres de leur future trajectoire^[75].

Le module lunaire photographié au cours de la troisième sortie extravéhiculaire près de la station 8. En arrière plan le Mont Hadley et les Swann Hills.

Décollage et rendez-vous avec le module de commande

Le module lunaire, avec Scott et Irwin à son bord, décolle de la surface de la Lune le 2 aout à 17h 11 T.U. après y avoir séjourné 66 heures et 55 minutes. Dès que l'altitude de 15 mètres est atteinte, le module lunaire incline sa trajectoire, initialement verticale, de 54° en la rapprochant de l'horizontale pour optimiser l'accroissement de la vitesse orbitale. L'accélération très faible (un tiers de la gravité terrestre) est à peine ressentie par les astronautes. Le moteur de l'étage de remontée fonctionne durant sept minutes. Le module lunaire qui a acquis une vitesse de 1,85 km/s se place sur une orbite lunaire basse de (77,8 km × 16,7 km)^[75],[76]. Capitalisant sur l'expérience des missions précédentes, la méthode de rendez-vous orbital adoptée dite méthode directe, permet aux deux vaisseaux de s'amarrer après une seule orbite au lieu de deux^[77]. Le module lunaire n'est pas exactement dans le même plan orbital que celui du vaisseau Apollo occupé par Worden et, après une phase de vol inertiel, le moteur est brièvement rallumé pour corriger la trajectoire^[75].

Lorsque les deux vaisseaux ne sont plus qu'à environ 40 m l’un de l’autre, la phase critique de la manœuvre de rendez-vous est achevée. Cette distance est maintenue durant quelques minutes pour que les astronautes puissent faire des photographies. Finalement, le module lunaire s’arrime, terminant par là même son rôle dans la mission^[78].

Après l’ouverture de l'écoutille, Scott et Irwin transfèrent les échantillons de roches lunaires du module lunaire dans le vaisseau Apollo. Les astronautes dépressurisent leurs combinaisons spatiales et tentent d’ôter la poussière lunaire qui s'y est incrustée^{[Note 23]}. Ils transfèrent les films photographiques, la nourriture, les réservoirs d’urine^{[Note 24]} et le réservoir d'oxygène de secours OPS (Oxygen Purge System). Ce dernier, destiné à faire face à un problème durant une sortie extravéhiculaire ou dans le module lunaire, sera utilisé par Worden durant sa sortie dans l'espace quelques jours plus tard. Une fois ces transferts terminés, l’équipage passe dans le vaisseau Apollo et referme les deux écoutilles séparant les deux modules pour préparer le largage de ce dernier. Mais la dépressurisation du tunnel situé entre les deux écoutilles ne se passe pas comme prévu. L’équipage détecte une fuite. Les écoutilles sont rouvertes et les joints sont examinés mais l'origine de la fuite n'est pas identifiée. Tout ceci se déroule alors que les esprits à l'agence spatiale américaine sont marqués par l'accident qui s'est produit un mois avant le lancement d'Apollo 15 et qui a couté la vie à l'équipage de Soyouz 11 victime d'une dépressurisation. Les procédures appliquées par la NASA ont été modifiées pour éviter que se produise un problème similaire et les astronautes doivent revêtir leur combinaison spatiale complète avant la séparation des deux modules. Mais lorsque Scott vérifie sa combinaison spatiale, il s'aperçoit que celle-ci n'est pas étanche. Tous ces problèmes sont résolus mais le largage du module lunaire est effectué une orbite plus tard que prévu. Une fois cette manœuvre effectuée, le vaisseau Apollo utilise sa propulsion pour s'écarter du module lunaire. De son côté, le module lunaire met à feu ses moteurs-fusées pour réduire sa vitesse. Il quitte son orbite et va s’écraser sur la Lune. À cause du retard pris au cours de ces manœuvres, il ne touche pas le sol au lieu prévu mais 15 kilomètres plus à l'ouest. L'impact se produit à environ 90 km du lieu d’atterrissage (26° 12′ N, 0° 06′ E) ^[79].

L’équipage doit se reposer, mais le retard les poussent à effectuer les vérifications d’usage d’abord. Entre autres, ils doivent retourner dans le SIM qui avait été désactivé pour le rendez-vous en orbite. Avant de dormir, Deke Slayton leur suggère de prendre un somnifère, ce que les astronautes refusent. L’équipe médicale au sol s’inquiétant de l'électrocardiogramme de James Irwin, qui présente un bigéminisme. Le rythme cardiaque de David Scott semble également présenter des extrasystoles. Ils attribuèrent cela à une carence en potassium, liée au stress, au manque de sommeil et à la déshydratation importante (James Irwin ne pouvait utiliser sa poche d'eau pendant les activités extravéhiculaires, sûrement à cause d'un positionnement incorrect^[80]). Irwin décéda en 1991 d’une crise cardiaque.

Finalement, trois heures et demie après l’heure prévue, et deux heures après avoir reçu l’ordre de le faire, ils entament leur période de sommeil lors de leur 54^e orbite de la Lune. Scott n'avait pas dormi depuis 23 heures, Irwin et Worden depuis 21 heures^[81].

• En orbite lunaire après le débarquement sur la Lune
• 
  Le vaisseau Apollo photographié depuis le module lunaire lors de la manœuvre de rendez-vous après le décollage de la Lune.
• 
  Les cratères Aristarchus (centre) et cratère Hérodote (droite) photographiés après le retour de l'équipage dans le vaisseau.
• 
  Lever de Terre photographié par l’équipage d’Apollo 15 vers la fin de leur séjour en orbite lunaire.

Injection sur une trajectoire vers la Terre

La Lune vue depuis Apollo 15. Mare Australe (centre), Humboldt (cratère) (centre-bas), Vallis Schrödinger (en) et Sikorsky (haut) sont visibles.

Apollo 15 passe son dernier jour en orbite avant l’injection sur une trajectoire qui doit le ramener sur Terre (Trans-Earth Injection, TEI), la dernière poussée du SPS qui les placerait sur la trajectoire de retour. Le centre de contrôle modifia profondément le plan de vol. L’altimètre laser rendit l’âme et fut déclaré cause perdue. L’équipage utilisa le téléobjectif de 250 mm au lieu de l’objectif de 80 mm, et reçu l’ordre d’effectuer un maximum de photographies, pour utiliser la pellicule restante. Parmi leurs objectifs se trouvait la photographie du terminateur, séparant le jour de la nuit sur Terre. Les trois astronautes à bord s’affairèrent de leur mieux, se relayant pour recevoir les instructions du centre de contrôle. Finalement, on leur demanda d’activer la caméra panoramique et de la laisser tourner, son rôle étant par ailleurs rempli^[82].

Lorsque Apollo 15 réapparut de derrière la Lune lors de sa 73^e orbite, soit deux révolutions avant la TEI, l’équipage devait se préparer pour le lâcher d’un satellite et le démarrage du propulseur qui les ramènerait sur Terre. Comme l’essentiel des composants du CSM et du LEM, le SPS était constitué de nombreux éléments redondants^{[Note 25]}. Le satellite devait mesurer le champ gravitationnel de la Lune et étudier la magnétosphère lunaire et terrestre. De forme hexagonale, relativement petit (79 cm × 36 cm), pesant 35,6 kg et propulsé par l’énergie solaire récupérée le jour par des panneaux photovoltaïques et stockée pour la nuit par des batteries AgCd. Il possède trois cannes qui se déployèrent après le lâcher, d’une longueur d’environ 1,5 m chacune. Avant de libérer le satellite, l’équipage effectue une correction de leur orbite, destinée à laisser le satellite plus longtemps sur place. Ils passèrent donc de leur orbite 121,1 × 96,7 km à une orbite plus large de 140,8 × 100,6 km en 3 secondes. Lâché depuis cette nouvelle position, le satellite devait pouvoir survivre une année. Entamant leur 74^e et dernière orbite autour de la Lune, l’équipage plaça le vaisseau à l’altitude correcte et libéra le satellite au moment prévu en faisant sauter deux écrous pyrotechniques et en le séparant par un système de ressorts, pour lui procurer un léger mouvement de rotation. Apollo 15 disparut pour une dernière fois derrière la Lune, et débuta l’injection en activant son SPS pendant 2 minutes et 21 secondes, gagnant 930 m/s^[83].

L’équipage poursuivit ses photographies et plaça le vaisseau en PTC. Lors du onzième jour de la mission dans l’espace, Worden effectua une sortie extravéhiculaire — la première réalisée par le pilote du module de commande depuis celle de Scott pour Apollo 9. Le vaisseau quitta la sphère d’influence lunaire 238 heures 14 minutes et 51 secondes après le lancement. Après avoir éteint et rangé l’équipement du SIM, ils désactivèrent le RCS, situé à côté de celui-ci et dont un allumage accidentel serait dangereux pour Worden. Des dispositifs, placés sur le panneau de contrôle, s’assuraient qu’un pied inattentif n’activa pas un interrupteur par mégarde.

Après avoir vérifié et enfilé leur combinaison, et dépressurisé le vaisseau, ils ouvrirent la chape et y installèrent une caméra pour filmer Worden lors de cette opération. Ce dernier débarrassa le vaisseau de deux sacs de déchets et se déplaça à l’aide de poignées magnétiques jusqu’au SIM. Il récupéra les cassettes des instruments, tout en les vérifiant pour identifier la cause des divers dysfonctionnements observés au cours de la mission. Une vingtaine de minutes après être sorti, Worden rentra dans le module de commande, dont la porte fut refermée et verrouillée. Le SIM fut placé de sorte que le spectromètre de rayons X pointe en direction de Cygnus X-1 et Scorpius X-1^[84].

Le jour suivant, l’équipage effectua encore quelques expériences sur les phosphènes, préparant la liste des instruments qui pourraient les aider à étudier mieux le phénomène, laquelle servira aux ingénieurs pour la conception d’outils dédiés embarqués à partir d’Apollo 16^[85]. Une conférence de presse se tint, les capcoms transmettant les questions des journalistes aux astronautes. À la suite de celle-ci, une sixième correction de trajectoire fut finalement jugée inutile et annulée. L’équipage entama sa dernière période de sommeil^[86].

Amerrissage

La capsule d’Apollo 15 durant sa descente vers la Terre. Un des trois parachutes ne s'est pas déployé.

À leur réveil, les astronautes éteignirent le SIM, ramenèrent la canne du spectromètre de rayons X et sécurisèrent l’équipement. De même que le reste du module de service, il brûlera lors de la rentrée atmosphérique.

Ils effectuèrent ensuite la dernière correction de trajectoire (MCC-7) en utilisant pendant 21 s le RCS, ralentissant de 1,7 m/s. Leur dernière tâche était alors de se séparer du module de service et d’orienter le vaisseau correctement. Ils activèrent le module radio VHF pour la communication qui suivrait la rentrée. Pour la séparation, une série de systèmes pyrotechniques, déclenchés par un bouton puis relayés automatiquement devait rompre les liens entre les deux vaisseaux. Ensuite, un déclencheur chronométré activait le RCS pour éloigner le module de commande, et les câbles électriques étaient soit débranchés soit coupés par de petites charges explosives. Les derniers liens étaient éliminés par une sorte de petite guillotine. Enfin, un système de ressorts donnait une impulsion au module de service. En entrant dans l’atmosphère, ils accélérèrent jusqu’à 6 g (59 m/s²), avant de diminuer. À 7 300 m, le sommet du module libéra en explosant un jeu de parachutes temporaires, qui stabilisa et ralentit l’appareil de 500 km/h à 280 km/h. Enfin, une vingtaine de secondes plus tard, les trois parachutes principaux se déployèrent. L’équipe qui ramena l’appareil après l’amerrissage rapporta que seuls deux des trois parachutes avaient fonctionné. Le point d’amerrissage était environ 26° 13′ N, 158° 13′ O, à 530 km au nord de Honolulu (Hawaii) et 9,8 km du navire dédié au rapatriement de la capsule, l’USS Okinawa^[87].

La perte d’un parachute n’entrava pas le fonctionnement de la capsule, celui-ci étant surnuméraire. Les plongeurs de l’USS Okinawa retrouvèrent en quelques minutes les astronautes, qu’ils emmenèrent sur des canots de sauvetage jusqu’au pont du navire. Apollo 15 était la première mission à l’issue de laquelle l’équipage n’était pas mis en quarantaine en cas d’infection par des micro-organismes d’origine lunaire — les missions précédentes ayant confirmé l’absence de toute forme de vie sur la Lune. Il fut emmené à la base de Hickam à Hawaii, d’où un avion les amena à la base aérienne d’Ellington à Houston^[87].

Le module de commande est exposé au National Museum of the United States Air Force à Dayton.

Scandale du timbre postal d'Apollo 15

L'équipage d'Apollo 15 avait clandestinement emporté sur la lune des enveloppes timbrées, avec une marque postale spécifique à leur mission, en vue de revendre celles-ci au retour^[88]. La découverte de ce trafic fut sanctionnée par l'interdiction de vol des trois astronautes.

Insigne de la mission

L’insigne de la mission, circulaire, présente des oiseaux stylisés bleus, blancs et rouges, survolant Rima Hadley. Ils sont immédiatement suivis de deux cratères formant les chiffres romains « XV ». L’ensemble est ceinturé de rouge et de blanc, où on peut lire « APOLLO 15 » ainsi que le nom des astronautes. L’insigne porte un liseré bleu.

L’idée originale du dessin de l'insigne est due au dessinateur de mode Emilio Pucci, qui suggéra le motif avec les trois oiseaux. L'équipage modifia les couleurs originales (bleu et vert) pour se rapprocher de celles du drapeau américain.

Notes

Références

Source

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Apollo 15 » (voir la liste des auteurs).

Bibliographie

Rapports et documents officiels antérieurs à la mission

• (en) NASA - Centre spatial Johnson, Apollo 15 mission report, novembre 1971, 49 p. (lire en ligne [PDF])
  Rapport à usage interne décrivant la mission Apollo 15 avant son lancement
• (en) Apollo 15 press kit, 15 juillet 1971, 161 p. (lire en ligne [PDF])
  Dossier de présentation à la presse de la mission Apollo 15 (document NASA n^o Special Publication-4214
• (en) Boeing, Lunar Roving Vehicle Operations Handbook, 19 avril 1971, 221 p. (lire en ligne [PDF])
  Manuel du rover lunaire Apollo)

Rapports et documents officiels postérieurs à la mission

• (en) NASA - Centre spatial Johnson, Apollo 15 mission report, décembre 1971, 286 p. (lire en ligne [PDF])
  Rapport post mission 15 décrivant son déroulement, ses performances, les anomalies rencontrées, ... (MSC-05161)
• (en) NASA - Centre spatial Johnson, Apollo 15 Technical Crew Debriefing, 14 aout 1971, 390 p. (lire en ligne [PDF]).
  Débriefing de l'équipage à l'issue de la mission Apollo 15 (interviews).
• (en) NASA - Centre spatial Johnson, Apollo 15 Preliminary Science Report, 1972, 546 p. (lire en ligne [PDF]).
  Rapport scientifique préliminaire de la mission Apollo 15 (NASA SP-289).

Ouvrages de la NASA décrivant le déroulement de la mission

• (en) Eric M. Jones et Ken Glover, « Apollo 15 surface journal », sur Apollo surface journal, NASA
  Portail regroupant l'ensemble des documents officiels disponibles sur le déroulement de la mission Apollo 15 à la surface de la Lune ainsi que la transcription des échanges radios.
• (en) David Woods et Frank O'Brien, « Apollo 15 flight journal », sur Apollo flight journal, NASA, 1998
  Déroulement de la mission Apollo 15 durant les phases de vol : transcription des échanges radios associée à des explications de spécialistes et du commandant de la mission David R. Scott.
• (en) W. David Compton, Where No Man Has Gone Before : A History of Apollo Lunar Exploration Missions, NASA, 1989 (lire en ligne [PDF])
  Histoire du projet scientifique associé au programme Apollo (document NASA n^o Special Publication-4214).
• (en) Eric M. Jones, « Apollo 15 Map and Image Library ».
  Liste commentée des photos prises durant le séjour sur la Lune de l'équipage de la mission Apollo 15 et durant son entrainement.

Autres ouvrages

• (en) W. David Woods, How Apollo flew to the moon, New York, Springer, 2008, 412 p. (ISBN 978-0-387-71675-6, BNF 41068536, LCCN 2007932412).
  Déroulement détaillé d'une mission lunaire Apollo.
• (en) David M. Harland, Exploring the moon : the Apollo expeditions, Chichester, Springer Praxis, 2008, 2^e éd., 403 p. (ISBN 978-0-387-74638-8, BNF 41150292, LCCN 2007939116)
  Déroulement détaillé consacré uniquement à la phase de séjour sur la Lune des missions Apollo avec nombreuses illustrations, contexte géologique détaillé et quelques développements sur les missions robotiques de cette période.
• (en) David M. Harland et Richard W. Orloff, Apollo : The Definitive Sourcebook, Springer Praxis, 2006, 633 p. (ISBN 978-0-387-30043-6, LCCN 2005936334)
  Ouvrage de référence des principaux faits et dates des missions Apollo
  .
• (en) Richard W. Orloff (NASA), Apollo by the numbers : A Statistical Reference, Washington, National Aeronautics and Space Administration, 2000-2004, 344 p. (ISBN 978-0-16-050631-4, OCLC 44775012, LCCN 00061677, lire en ligne [PDF])
  Un grand nombre de statistiques sur le programme Apollo (NASA SP-2000-4029)
• (en) Andrew Chaikin, A man on the moon : the voyages of the Apollo astronauts, New York, New York, Viking, 1994, 670 p. (ISBN 978-0-670-81446-6 et 0-670-81446-6, OCLC 29548704)
• (en) Dick Lattimer (préf. James A. Michener), All we did was fly to the moon, Alachua, Fla, Whispering Eagle Press, coll. « History-alive series » (n^o 1), 1985, 144 p. (ISBN 978-0-9611228-0-5 et 0-961-12280-3, OCLC 12541695)

Articles connexes

• Programme Apollo
• Apollo 14
• Apollo 16

Liens externes

• (en) Moonport: A History of Apollo Launch Facilities and Operations - NASA
• (en) Apollo 15 - Encyclopedia Astronautica
• (en) Vidéo du lancement d'Apollo 15
• (en) Apollo Program Summary Report - NASA
• (en) NSSDC Apollo 15 - NASA
• (en) Articles Carried on Manned Space Flights - NASA (1972)
• (en) In the Mountains of the Moon (Part 1/2), (Part 2/2) - Documents vidéo d'Apollo 15