Apollo 16

Lorsqu'Apollo 16 se préparait, le programme savait déjà atterrir sur la Lune et l'accent était passé de l'ingénierie à la science. Les missions J, inaugurées par Apollo 15, ajoutaient un véhicule de surface, davantage d'instruments et trois jours de séjour. Comme Apollo 16 était l'avant-dernière expédition et n'inaugurait pas de matériel neuf important en surface, les scientifiques y virent l'occasion de dissiper des doutes sur l'histoire ancienne de la Lune, que l'on espérait lire dans les hautes terres, les zones les plus vieilles de sa croûte. Jusqu'alors, aucun équipage n'y avait marché : Apollo 14 et Apollo 15 avaient recueilli du matériel ancien, mais dans des régions liées au grand bassin d'impact de Mare Imbrium, et l'on soupçonnait que d'autres processus géologiques dominaient loin d'Imbrium.

Le commandant, John Young, avait 41 ans et était capitaine de la Marine. Entré à la NASA en 1962 avec le deuxième groupe d'astronautes, il avait volé sur Gemini 3 aux côtés de Gus Grissom en 1965 — le premier Américain étranger aux Mercury Seven à atteindre l'espace —, avait recommencé sur Gemini 10 en 1966 avec Michael Collins et avait été pilote du module de commande d'Apollo 10 en 1969. Avec Apollo 16, il devint le deuxième Américain, après Jim Lovell, à totaliser quatre vols spatiaux.

Ken Mattingly, pilote du module de commande, avait 36 ans et était lieutenant de vaisseau de la Marine. Sélectionné dans le cinquième groupe de 1966, il avait travaillé dans les équipes de soutien d'Apollo 8 et d'Apollo 9 et s'était même entraîné en parallèle comme suppléant possible d'Apollo 11. Il était affecté à l'équipage principal d'Apollo 13, mais trois jours avant le lancement il en fut retiré pour avoir été exposé à la rubéole, transmise justement par Charles Duke, qui l'avait attrapée de l'un de ses enfants. Mattingly ne tomba jamais malade ; son poste fut occupé par Jack Swigert.

Duke, pilote du module lunaire, également du groupe 5 et sans expérience de vol, était lieutenant-colonel de l'Armée de l'air. Il avait été membre de l'équipe de soutien d'Apollo 10 et la voix de Houston (CAPCOM) pendant l'alunissage d'Apollo 11. À 36 ans, il fut le plus jeune des douze hommes ayant marché sur la Lune. Les trois furent annoncés comme équipage principal le 3 mars 1971.

L'équipage de réserve était composé de Fred Haise, Stuart Roosa et Edgar Mitchell, tous avec une expérience lunaire. Deke Slayton avait initialement pensé à Haise avec William Pogue et Gerald Carr, destinés à voler ensuite sur Apollo 19 ; l'annulation d'Apollo 18 et 19 en septembre 1970 rendit inutile de former des novices pour un poste sans avenir, et Pogue et Carr passèrent au programme Skylab. L'équipe de soutien — chargée de tenir à jour les règles de mission, le plan de vol et les listes de vérification — réunissait Anthony England, Karl Henize, Henry Hartsfield, Robert Overmyer et Donald Peterson. Au contrôle de Houston se relayèrent comme directeurs de vol Pete Frank, Philip Shaffer, Gene Kranz, Donald Puddy, Gerry Griffin, Neil Hutchinson et Charles Lewis.

L'emblème, dessiné par Barbara Matelski dans l'atelier graphique du Centre des vaisseaux habités de Houston à partir d'idées de l'équipage lui-même, montre un aigle et un écusson aux couleurs nationales sur un fond gris évoquant le sol lunaire, avec le symbole de la NASA en orbite autour de la Lune. Sur le bord bleu apparaissent seize étoiles, pour le numéro de la mission, et les noms de famille Young, Mattingly et Duke. Young et Duke baptisèrent le module lunaire Orion parce qu'ils voulaient un nom lié aux étoiles et facile à prononcer par radio ; Mattingly choisit Casper, en référence au gentil fantôme des dessins animés, pour apporter une note légère à un vol déjà sérieux en soi.

Le comité ad hoc d'évaluation des sites d'alunissage, présidé par Noel Hinners, de Bellcomm, se réunit en avril et mai 1971 pour décider des destinations d'Apollo 16 et d'Apollo 17. Il fut convenu qu'elles devaient se trouver dans les hautes terres. Pour Apollo 16, on envisagea la région de Descartes, à l'ouest de Mare Nectaris, et le cratère Alphonsus ; Tycho avait également été proposé, mais écarté en raison de son éloignement de l'équateur et de la difficulté de l'approche. Le géologue Dan Milton avait observé sur les photographies des Lunar Orbiter une zone de Descartes à l'éclat inhabituel qu'il attribua à des roches volcaniques, et l'idée gagna rapidement des adeptes : beaucoup voyaient dans les hautes terres centrales une ressemblance avec des paysages volcaniques terrestres. Alphonsus offrait d'autres objectifs, mais on craignait que ses échantillons ne soient contaminés par l'impact d'Imbrium. L'éloignement de Descartes par rapport aux alunissages précédents constituait en outre un avantage pour le réseau de sismomètres que chaque mission laissait depuis Apollo 12.

Le 3 juin 1971, le comité choisit Descartes. Les photographies orbitales d'Apollo 14 confirmèrent que le terrain était suffisamment sûr, et le point précis fut fixé entre deux cratères jeunes, North Ray et South Ray, de 1000 et 680 mètres de diamètre, qui avaient percé le régolithe comme des sondes naturelles et mis à nu la roche de fond. Les formations Cayley et Descartes, supposées volcaniques, devinrent l'objectif principal de l'échantillonnage.

Young et Duke, avec le commandant suppléant Haise, suivirent un intense programme de géologie de terrain. Mitchell, encore occupé par Apollo 14, rejoignit les sorties en septembre 1971 ; jusque-là, il fut remplacé par Tony England, qui serait le CAPCOM des sorties lunaires, ou l'un des géologues instructeurs. Comme on s'attendait à du volcanisme, une bonne partie de l'entraînement porta sur les roches volcaniques, bien que Young reconnaîtrait plus tard que ce qui lui servit le plus fut le reste. En juillet 1971, ils se rendirent à Sudbury, en Ontario, la première fois que des astronautes américains s'entraînaient au Canada : on y trouve un cratère de 97 km ouvert par une météorite, avec des cônes de percussion typiques d'un impact. Ils travaillèrent aussi sur le polygone d'essais nucléaires du Nevada, où les cratères des explosions imitaient ceux de la Lune. Les exercices finirent par devenir de grandes opérations réunissant jusqu'à huit astronautes et des dizaines de personnes de soutien.

Comme Young et Duke avaient été suppléants d'Apollo 13, qui devait aussi alunir, ils purent consacrer environ 40 % de leur temps aux opérations de surface. Selon Young, environ 350 heures d'entraînement se firent en combinaison, ce qu'il jugeait indispensable pour connaître les limites de l'équipement. Ils étudièrent les échantillons des missions précédentes et écoutèrent les chercheurs responsables de chaque instrument ; cette préparation leur permit de se rendre compte tout de suite, une fois sur la Lune, qu'il n'y avait pas de roches volcaniques, même si à Houston on tarda à les croire. Mattingly, de son côté, apprit à reconnaître des formes géologiques depuis les airs en survolant en avion les zones de terrain et s'entraîna au maniement de la baie d'instruments scientifiques.

Le lanceur fut la Saturn V AS-511, la onzième à voler et la neuvième avec équipage, pratiquement identique à celle d'Apollo 15. On rendit au premier étage S-IC les quatre rétrofusées qu'Apollo 15 avait supprimées pour gagner du poids, pour en compléter huit, car l'analyse de ce vol avait montré que l'étage largué était resté plus proche que prévu du reste de la fusée.

Les composants commencèrent à arriver au centre spatial Kennedy en juillet 1970. Le lancement était prévu pour le 17 mars 1972, mais la rupture d'une vessie du système de contrôle de réaction du module de commande lors d'essais, des doutes sur un cordon explosif devant séparer le module lunaire et un problème avec la combinaison de Duke conseillèrent de passer à la fenêtre suivante, le 16 avril. L'ensemble, sorti du bâtiment d'assemblage le 13 décembre 1971, y retourna le 27 janvier 1972 et revint sur le pas de tir 39A le 9 février. Le compte à rebours officiel démarra le 10 avril et se déroula sans autre arrêt que ceux prévus.

Comme toutes les missions d'alunissage depuis Apollo 12, Apollo 16 emportait un ALSEP, un ensemble d'expériences alimentées par un générateur radio-isotopique SNAP-27 conçu pour continuer à fonctionner après le départ des astronautes. Il comprenait un sismomètre passif qui élargissait le réseau d'Apollo 12, 14 et 15 ; une expérience sismique active avec une ligne de petites charges (« thumpers ») reliées à des géophones et quatre mortiers qui seraient tirés à distance ; une expérience de flux thermique exigeant de forer deux trous de 3 mètres, et un magnétomètre de surface. La NASA comptait calibrer le sismomètre en écrasant à proximité l'étage de remontée du module lunaire, un impact de masse, de vitesse et de lieu connus.

Ils emportaient aussi un magnétomètre portable pour mesurer le champ à plusieurs arrêts géologiques, et même un échantillon d'Apollo 12 auquel on avait retiré le magnétisme « doux », pour vérifier s'il le récupérait pendant le voyage (il le récupéra, quoique plus faible). La caméra/spectrographe ultraviolet lointain conçue par George Carruthers, du Laboratoire de recherche navale, se distinguait particulièrement : les premières observations astronomiques faites depuis la Lune, placée à l'ombre du module lunaire et pointée vers des nébuleuses, des étoiles et la Terre elle-même. Carruthers résumerait que le plus spectaculaire furent justement les images de notre planète, les premières prises en ultraviolet depuis loin, montrant l'enveloppe d'hydrogène, les aurores polaires et la ceinture de luminescence tropicale. Complétaient la charge un détecteur de rayons cosmiques à quatre panneaux et la feuille de l'expérience de composition du vent solaire, à laquelle on avait ajouté du platine pour réduire la contamination.

Dans la baie scientifique du module de service voyageait le Particles and Fields Subsatellite PFS-2, jumeau du PFS-1 largué par Apollo 15 huit mois plus tôt. Il devait mesurer les particules chargées et les champs magnétiques autour de la Lune depuis une orbite comprise entre 89 et 122 km et durer au moins un an. Le raccourcissement de la mission empêcha la manœuvre qui l'aurait amené à cette orbite : il fut libéré sur une orbite plus basse et les concentrations de masse lunaires le firent retomber le 29 mai 1972, après 424 révolutions.

Apollo 16 décolla à 12 h 54, heure de l'Est (17 h 54 min 00 s UT), le 16 avril 1972. Les deux premiers étages fonctionnèrent sans faille et le vaisseau atteignit l'orbite terrestre un peu moins de douze minutes plus tard. Après avoir résolu quelques problèmes mineurs de contrôle environnemental et de contrôle d'attitude du troisième étage, le S-IVB se ralluma au bout de deux orbites pendant un peu plus de cinq minutes et lança le vaisseau vers la Lune à environ 35 000 km/h. Mattingly sépara le module de commande et de service, le fit pivoter et extirpa le module lunaire sans incident.

Ils remarquèrent bientôt que des particules se détachaient du revêtement du module lunaire depuis une zone qui semblait déchirée ; Duke en compta jusqu'à cinq ou dix par seconde. Young et Duke passèrent dans le module lunaire pour l'inspecter et ne trouvèrent rien de grave. Le deuxième jour, à environ 181 000 km de la Terre, ils réalisèrent une expérience d'électrophorèse avec des particules de polystyrène rouges et bleues pour vérifier si l'apesanteur permettait de séparer des substances avec plus de pureté, ainsi qu'une brève correction de trajectoire avec le moteur principal. Mattingly dut réaligner sur le Soleil et la Lune le système de guidage après un blocage de cardan. Le troisième jour, ils réalisèrent l'expérience ALFMED sur les éclairs lumineux que les astronautes voyaient les yeux fermés, attribués aux rayons cosmiques, et répétèrent en combinaison les opérations de l'alunissage. À 59 heures, 19 minutes et 45 secondes de vol, à 330 902 km de la Terre et 62 636 km de la Lune, ils entrèrent dans la sphère d'influence lunaire.

Le quatrième jour, à 20 635 km d'altitude, ils larguèrent le capot de la baie scientifique. Après être passés derrière la Lune, le moteur SPS fonctionna 6 minutes et 15 secondes pour freiner le vaisseau sur une orbite de 108,0 par 315,6 km ; une seconde manœuvre abaissa le point le plus proche à 19,8 km.

Le cinquième jour, le bras du spectromètre de masse restant coincé à mi-déploiement, Young et Duke entrèrent dans Orion, l'activèrent et le séparèrent de Casper à 96 heures et 13 minutes de mission. Mattingly s'apprêtait à monter sur une orbite plus haute et circulaire lorsque, en testant le moteur principal, il détecta des oscillations dans le système de cardan de secours qui l'oriente. Les règles de vol imposaient de réarrimer les vaisseaux au cas où il faudrait abandonner et utiliser les moteurs du module lunaire pour revenir ; à la place, Casper et Orion restèrent en vol en formation pendant que Houston analysait le problème. Après plusieurs heures, on conclut que la panne était acceptable et que l'alunissage pouvait se poursuivre.

La descente motorisée commença avec environ six heures de retard et depuis une altitude plus élevée que dans toute mission précédente, 20,1 km. Vers 4000 mètres, Young voyait déjà le site d'alunissage en entier, et vers 2200 mètres le module s'inclina vers sa position finale. Orion se posa à 104 heures, 29 minutes et 35 secondes de mission — 02 h 23 min 35 s UT le 21 avril —, à environ 270 mètres au nord et 60 à l'ouest du point prévu, un écart sans importance étant donné la présence du véhicule lunaire. Le retard obligea à refaire le plan : la mission passerait un jour de moins en orbite lunaire après le séjour en surface, et la troisième sortie fut raccourcie de sept à cinq heures pour que l'équipage puisse mieux dormir.

En descendant l'échelle, Young devint le neuvième être humain à fouler la Lune et salua la « mystérieuse et inconnue Descartes » en annonçant qu'Apollo 16 allait changer son image. Duke le suivit comme dixième. Ils déchargèrent le véhicule lunaire, la caméra ultraviolette et le reste de l'équipement ; à la première tentative, la direction arrière du véhicule ne répondait pas, bien qu'elle se remît à fonctionner peu après. Pendant tout le séjour, Young conduisit et Duke fit office de navigateur, une répartition constante dans les missions J.

Après avoir déployé l'ALSEP, ils subirent l'incident le plus regrettable de la journée : Duke avait déjà posé la première sonde de l'expérience de flux thermique lorsque Young, qui avec sa combinaison volumineuse ne voyait pas ses pieds, accrocha le câble avec sa jambe et l'arracha. Houston renonça à le réparer vu le temps que cela exigeait. Environ quatre heures après le début de la sortie, ils se dirigèrent vers le cratère Plum, au bord du cratère Flag, à 1,4 km du module, avec l'idée qu'il avait traversé le régolithe jusqu'à la formation Cayley. Là, Duke ramassa, à la demande de Houston, la plus grosse roche de tout le programme, une brèche baptisée Big Muley en l'honneur du géologue en chef de la mission, William Muehlberger. Ils poursuivirent jusqu'au cratère Buster, d'où ils photographièrent Stone Mountain et South Ray, et Young installa le magnétomètre portable. Déjà à ce moment-là, les scientifiques commençaient à douter : aucune trace de matériau volcanique n'apparaissait. Avant de rentrer, Young réalisa le fameux « Grand Prix », une démonstration de conduite que Duke filma en 16 mm et qui avait échoué sur Apollo 15 à cause de la caméra. La sortie dura 7 heures, 6 minutes et 56 secondes.

L'objectif du deuxième jour était de gravir le versant de Stone Mountain, avec une pente d'environ 20 degrés, jusqu'à un groupe de cinq cratères appelé Cinco. À 3,8 km du module et 152 mètres au-dessus du fond de la vallée, ils atteignirent l'altitude la plus élevée au-dessus du module lunaire de tout le programme, avec une vue sur South Ray que Duke qualifia de spectaculaire. Ils poursuivirent par plusieurs stations : à la station 5, un cratère de 20 mètres, ils cherchaient du matériau de Descartes non contaminé par les débris de South Ray ; à la station 6 ils espéraient échantillonner la formation Cayley ; à la station 8, sur un rayon de South Ray, ils recueillirent pendant une heure des brèches blanches et noires et des roches cristallines riches en plagioclase. Là, en s'approchant pour aider Duke, Young heurta et arracha le prolongement du garde-boue arrière du véhicule. Au « champ vide » de la station 9, ils passèrent environ 40 minutes, et au dernier arrêt, entre l'ALSEP et le module, ils extrayirent une carotte double et mesurèrent la résistance du sol avec un pénétromètre. Houston leur accorda dix minutes supplémentaires. Avec 7 heures, 23 minutes et 26 secondes, la sortie battit le record d'Apollo 15.

Le dernier jour à la surface fut consacré à North Ray, le plus grand cratère visité par une expédition Apollo : un kilomètre de large et 230 mètres de profondeur. À 4,4 km du module, ils photographièrent son intérieur et s'approchèrent d'un bloc plus haut qu'un immeuble de quatre étages, House Rock, criblé de micrométéorites ; ses échantillons portèrent le coup de grâce à l'hypothèse volcanique. En chemin vers la station 13, ils établirent un record de vitesse lunaire, environ 17,1 km/h en descente, et sous le bloc de « Shadow Rock » ils prélevèrent du sol en ombre permanente. Avant d'entrer, Duke déposa au sol une photo de sa famille, signée au dos par eux, et une médaille commémorative du 25e anniversaire de l'Armée de l'air ; Young gara le véhicule à environ 90 mètres à l'est, au point dit VIP, pour que sa caméra, actionnée depuis Houston, filme le décollage. La sortie dura 5 heures et 40 minutes. Au total, les deux astronautes passèrent 71 heures sur la Lune, marchèrent dehors pendant 20 heures et 14 minutes, parcoururent 26,7 km avec le véhicule et rassemblèrent 95,71 kg de roches et de sol.

Pendant ce temps, Mattingly avait placé Casper sur une orbite de 98,3 par 125,6 km pour travailler avec la baie scientifique, un programme encore plus chargé après la décision de rentrer un jour plus tôt. Les incidents se succédèrent : en allumant la caméra panoramique, l'alarme générale se déclencha à cause d'une chute de tension — peut-être due à des radiateurs activés en même temps —, de nombreuses photos ressortirent surexposées, la caméra cartographique eut des problèmes avec son pare-soleil et l'altimètre laser perdit progressivement en précision jusqu'à tomber en panne juste avant sa dernière utilisation. Le bras du spectromètre de masse, qui ne se rétractait pas complètement, finit coincé presque déployé et il fallut s'en séparer. Malgré tout, la caméra panoramique capta la zone de Descartes avec Orion visible, et Mattingly, premier pilote de module de commande à observer aux jumelles, constata que depuis l'orbite la formation Descartes n'avait rien de spécial.

Avec le feu vert de James Irwin depuis Houston, l'étage de remontée décolla pendant que la caméra du véhicule suivait ses premiers instants ; six minutes plus tard, à environ 5000 km/h, il était en orbite. Après l'arrimage, Young et Duke nettoyèrent la cabine pour ne pas emporter de poussière lunaire dans Casper et transférèrent les échantillons. Le lendemain, ils larguèrent l'étage de remontée, mais, probablement parce qu'un certain interrupteur n'avait pas été actionné avant sa fermeture, celui-ci se mit à tournoyer et ne put exécuter l'allumage censé le faire s'écraser près du sismomètre. Il resta en orbite ; son point d'impact demeure inconnu, bien qu'une étude de 2023 avance la date du 29 mai 1972. Ils libérèrent ensuite le PFS-2 et, à la 65e orbite, le moteur principal — celui-là même qui avait déclenché l'alarme — fonctionna sans faille pour les ramener chez eux.

Lors du voyage retour, à environ 320 000 km de la Terre, Mattingly sortit à l'extérieur pendant un peu moins d'une heure et demie pour récupérer les cassettes de film des caméras de la baie scientifique, avec Duke penché à l'écoutille. Ce fut la deuxième activité extravéhiculaire de l'histoire dans l'espace lointain, loin de toute planète, et elle demeure l'une des trois seules, toutes issues de missions J. Pendant la sortie, il installa le MEED, une expérience exclusive à Apollo 16 pour étudier la réponse des microbes à l'environnement spatial. L'avant-dernier jour eut lieu une conférence de presse de vingt minutes avec des questions de journalistes.

Peu avant la rentrée, le module de commande se sépara du module de service, qui se désintégra dans l'atmosphère. La capsule entra à environ 11 km/s et son bouclier atteignit entre 2200 et 2480 °C. Elle amerrit dans le Pacifique à 265 heures, 51 minutes et 5 secondes après le décollage, le 27 avril 1972 à 19 h 45 min 05 s UT, à environ 350 km au sud-est de Kiritimati (île Christmas). Le porte-avions USS Ticonderoga récupéra les trois astronautes, qui étaient à bord 37 minutes plus tard.

L'analyse des roches confirma que la formation Cayley n'était pas volcanique ; pour la formation Descartes, on ne put pas conclure autant, car on ne savait pas clairement quels échantillons en provenaient, mais Stone Mountain non plus ne donna aucun indice de volcanisme. Les roches ressemblaient beaucoup à celles de Fra Mauro, le site d'Apollo 14. Les géologues admirent qu'ils avaient été si convaincus de l'origine volcanique qu'ils n'avaient pas écouté d'autres avis, et qu'ils avaient fait trop confiance à des analogies avec la Terre, dont l'histoire géologique partage peu avec celle de la Lune. La conclusion fut que la Lune ne compte guère de montagnes volcaniques. Les images ultraviolettes, quant à elles, permirent de découvrir deux nouvelles ceintures aurorales autour de la Terre.

Young et Duke furent suppléants d'Apollo 17. Duke quitta la NASA en décembre 1975. Young fut chef des astronautes de 1974 à 1987, commanda le premier vol de la navette, STS-1 en 1981, puis STS-9 en 1983, avec lequel il devint le premier être humain à voyager six fois dans l'espace ; il prit sa retraite en 2004. Mattingly commanda STS-4 en 1982 et STS-51-C en 1985, année où il quitta l'agence.