Mercury-Atlas 1

Lorsque la NASA définit le Projet Mercury, il n'existait aux États-Unis aucun lanceur civil conçu pour placer un être humain en orbite. Le Redstone convenait à des sauts balistiques de quelques minutes, mais atteindre la vitesse orbitale exigeait un véhicule d'une tout autre catégorie, et le seul disponible avec cette énergie était le missile Atlas D fabriqué par Convair. Son choix ne fut pas un caprice : c'était le seul véhicule de l'arsenal américain capable de placer la capsule en orbite et, de surcroît, il cumulait un nombre considérable de vols dont la NASA pouvait tirer des données sans avoir elle-même à payer chaque essai. Les alternatives consistaient à attendre des années que le missile intercontinental Titan II de la génération suivante entre en service, ou à développer de toutes pièces un lanceur dédié aux programmes habités, et aucune ne s'accordait avec le calendrier de la course à l'espace.

Il existait aussi un argument technique en faveur de l'Atlas face au Titan. Son architecture à un étage et demi allumait tous ses moteurs au sol, de sorte que l'ensemble propulsif était entièrement vérifié avant le largage des amarres ; sur un véhicule à deux étages, le second étage ne s'allume qu'une fois qu'il n'y a plus de retour possible. Pour un programme destiné à embarquer des personnes, cette possibilité de vérifier le matériel lors des contrôles précédant le lancement pesa lourd.

L'inconvénient tenait à l'origine de la fusée. L'Atlas avait été conçu comme système d'armes, et dans une arme la fiabilité n'a pas besoin d'être absolue : il suffisait qu'elle fonctionne suffisamment bien, ce qui se traduisait en pratique par des lancements se terminant fréquemment en explosion. Peu après que le véhicule eut été choisi pour le programme, début 1959, les astronautes de Mercury furent emmenés assister au deuxième essai de la série D, qui explosa au bout d'une minute de vol. C'était le cinquième échec consécutif, total ou partiel, de cette série. La fusée était alors loin d'être assez fiable pour emporter une charge nucléaire ou un satellite, et encore moins un passager humain. Convair estimait atteindre 75 % de fiabilité début 1961 et 85 % à la fin de cette même année. Les plans pour la rendre apte au vol habité en étaient encore au stade de la planche à dessin.

L'Atlas était un véhicule grand et complexe, doté de cinq moteurs — dont deux se détachaient pendant l'ascension —, d'un système de guidage sophistiqué et, surtout, de réservoirs de type ballon nécessitant une pression interne constante pour ne pas s'effondrer. C'est là la clé de presque toute l'histoire de MA-1 : la structure de la fusée ne se soutient pas par elle-même, mais par la pression de ses propres ergols. La peau en acier inoxydable est si fine que la rigidité de l'ensemble dépend de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur, et toute charge dépassant ce que cette pression est capable de contrer produit un flambage immédiat.

Sur ce cylindre pressurisé, il fallait boulonner une capsule à la forme aérodynamique très différente de celle d'une ogive de missile, et l'ensemble devait traverser la zone de pression dynamique maximale avec l'angle de tangage qu'impose une trajectoire de lancement orbital. Ni Big Joe ni MA-1 ne volèrent avec une peau renforcée sur toute leur longueur : les deux lanceurs disposaient d'une épaisseur un peu plus forte au niveau du réservoir de carburant RP-1, mais le réservoir d'oxygène liquide conservait la peau fine standard du missile de la série D. C'est là, juste sous la capsule, que se trouvait le point que MA-1 allait mettre à l'épreuve, sans que personne n'ait prévu que ce serait celui qui céderait.

Le précédent immédiat était Big Joe 1, lancé le 9 septembre 1959 depuis le même complexe LC-14 sur un Atlas 10-D avec une maquette structurelle de la capsule. Son objectif était de tester le bouclier thermique ablatif de la capsule Mercury, l'échauffement du corps arrière, la dynamique de rentrée, le contrôle d'attitude et la capacité de récupération ; ce fut le premier lancement d'une capsule du Projet Mercury. Le vol fut précédé de deux essais d'allumage sur le pas de tir : le premier, le 1er septembre, fut abandonné dès l'arrivée à T-0 car le minuteur ordonna l'arrêt faute d'allumage de l'étage principal après celui des moteurs vernier ; le second, le 3 septembre, se déroula normalement après environ dix-neuf secondes de fonctionnement.

Le vol réel, à 08h19 GMT, ne se déroula qu'à moitié comme prévu. Au bout de deux minutes, la télémétrie indiqua que la section propulsive ne s'était pas séparée, et le poids mort des moteurs laissa la vitesse en dessous des prévisions. La conséquence fut une chaîne de dysfonctionnements : le guidage ne généra pas le signal de coupure du moteur de sustentation prévu pour T+270 s car l'altitude et la vitesse nécessaires n'avaient pas été atteintes, la coupure survint par épuisement de l'oxygène liquide à T+293 s, l'ordre manuel de sécurité de portée arriva mais resta sans effet car il ne restait plus d'hélium de commande pour fermer les vannes, et le signal de séparation de la capsule ne fut pas non plus généré, si bien qu'il fallut l'arracher en déclenchant à plusieurs reprises les propulseurs du système de contrôle de réaction jusqu'à épuisement de leur ergol. Malgré cela, la maquette retomba à environ 500 milles (800 kilomètres) du point prévu, fut récupérée en bon état et valida le bouclier ablatif ; le plan alternatif d'un bouclier en béryllium fut abandonné. Le vol balistique avait couvert 2 292 kilomètres jusqu'à une altitude de 140 kilomètres.

Big Joe avait donc répondu à la question thermique. Restait ouverte la question structurelle et opérationnelle : une capsule Mercury de série, avec sa géométrie réelle et sa masse réelle, pouvait-elle voler sur un Atlas tout au long de l'ascension et survivre à la rentrée la plus sévère que l'on pouvait attendre d'un abandon de mission.

La charge de MA-1 était la capsule numéro 4 et le véhicule lanceur 50-D. La capsule était délibérément incomplète : elle emportait de vraies fusées de séparation mais des rétrofusées simulées, et il lui manquait des systèmes inutiles pour un vol sans équipage, dont celui de pressurisation de la cabine et le siège de l'astronaute. En revanche, elle fut abondamment instrumentée pour l'objectif thermique, avec 51 thermocouples répartis pour mesurer les taux d'échauffement du corps arrière pendant la rentrée.

La décision la plus contestée fut de se passer de la tour de sauvetage. À la place, on monta sur la capsule un carénage en fibre de verre occupant l'emplacement du système absent. Les ingénieurs de Convair avaient plaidé pour que la tour vole, tant pour des raisons aérodynamiques que pour recueillir des données dans la configuration réelle, mais les responsables du Projet Mercury en décidèrent autrement. Le système de détection d'abandon vola lui aussi dans une configuration intermédiaire : l'ASIS, le système automatique qui surveillait les paramètres de l'Atlas et devait déclencher l'abandon en cas d'anomalie, avait déjà été testé lors de certains vols de développement du missile, et sur MA-1 il fonctionnait en boucle ouverte, c'est-à-dire capable de générer le signal d'abandon mais pas d'envoyer l'ordre de coupure à la propulsion ; le fonctionnement en boucle fermée n'arriverait qu'avec MA-3.

Les objectifs officiels du vol, tels qu'énoncés par la NASA, étaient de qualifier l'ensemble capsule-Atlas, de récupérer la capsule, de déterminer l'intégrité structurelle de la capsule et des tuiles du corps arrière sous l'échauffement maximal pouvant survenir lors d'un lancement orbital, de mesurer les taux d'échauffement du corps arrière pendant la rentrée, de déterminer les caractéristiques dynamiques de vol de la capsule durant cette rentrée, de vérifier l'adéquation des systèmes de récupération et de familiariser le personnel du projet avec les opérations de lancement et de sauvetage.

Le jour du lancement se leva pluvieux et couvert sur Cap Canaveral. La météo n'empêchait pas de voler, mais elle empêchait de voir, et en 1960 l'observation optique de l'ascension — caméras de poursuite comprises — faisait partie de l'instrumentation d'un essai au même titre que la télémétrie. Plusieurs ingénieurs de Mercury s'opposèrent au lancement précisément pour cette raison : si quelque chose tournait mal, il n'y aurait pas d'images pour le reconstituer. L'objection ne fut pas retenue et l'Atlas 50-D décolla du LC-14 le 29 juillet 1960.

Au bout de vingt-six secondes de vol, le véhicule entra dans les nuages et disparut. À partir de cet instant, tout ce que l'on sut du vol parvint par radio.

La télémétrie montra un Atlas fonctionnant normalement jusqu'à T+58 s, sans le moindre signe de problème, moment auquel elle enregistra une perturbation axiale sévère. Environ une seconde plus tard, la différence de pression entre le réservoir de RP-1 et celui d'oxygène liquide chuta à zéro ; suivirent la perte de poussée et la perte de télémétrie, et le radar commença à afficher de multiples objets là où il n'y en avait qu'un auparavant. Le véhicule traversait la zone de pression dynamique maximale, à environ 30 000 pieds (9,1 kilomètres) d'altitude et 11 000 pieds (3,4 kilomètres) de portée. Certains témoins affirmèrent avoir entendu une explosion, mais cela ne put être confirmé.

L'analyse ultérieure distingua deux perturbations différentes. La première, à T+58,5 s, provoqua la perte instantanée des mesures de télémétrie de la partie avant de la fusée. La seconde survint à T+59,4 s, après la coupure des moteurs attribuée à l'ASIS. La propulsion, en revanche, ne semblait pas affectée par l'événement initial. Les données des gyroscopes de la capsule suggérèrent que l'ensemble avait atteint un tangage allant jusqu'à 10°.

La reconstitution se heurta à une limite d'instrumentation : contrairement aux Atlas D de recherche et développement, chargés de capteurs, le 50-D ne comptait que cinquante mesures de télémétrie. De plus, la dernière seconde et deux dixièmes de données furent mis en doute par les circuits ouverts que la perturbation avait laissés dans la fusée. Le véhicule semblait suivre une trajectoire stable lorsque la télémétrie fut totalement perdue à T+60 s.

La capsule, en revanche, se comporta bien jusqu'au bout. Les données enregistrèrent des mouvements violents juste après la perte de la télémétrie du lanceur, mais la capsule continua de fonctionner normalement et de transmettre jusqu'à son impact avec l'océan environ 220 secondes après le décollage, à environ 6 milles (9,7 kilomètres) de la côte. Le système de parachute ne se déploya pas car l'abandon s'était produit trop tôt dans l'ascension. Le vol dura 3 minutes et 18 secondes, atteignit un apogée de 13 kilomètres et parcourut 9,6 kilomètres de portée ; la masse de la capsule était de 1 154 kilogrammes et la vitesse maximale enregistrée, selon la NASA, d'environ 1 701 milles par heure.

Sans images de l'ascension, l'enquête dépendait de ce qui pourrait être récupéré au fond. L'opération de sauvetage remonta à la surface la capsule, les moteurs propulseurs de l'Atlas et la vanne de purge de l'oxygène liquide. Owen Maynard, ingénieur systèmes de Mercury à la NASA, dirigea la récupération de la capsule depuis le fond marin et alla jusqu'à effectuer une plongée libre de 30 pieds (9,1 mètres) pour localiser un composant précis qui manquait.

L'examen des pièces donna deux résultats de signe contraire. Les moteurs ne présentaient pas d'autre dommage que la déformation causée par le choc avec l'eau, ce qui indiquait que la propulsion n'était pas à l'origine de l'accident. La vanne de purge de l'oxygène liquide et un tronçon de tuyauterie qui lui restait attaché, en revanche, présentaient des fissures de fatigue appréciables. Les débris de la capsule numéro 4 furent réassemblés pour étude.

Le premier soupçon fut que le carénage en fibre de verre placé sur la capsule à la place de la tour de sauvetage absente se soit détaché et ait perforé le réservoir d'oxygène liquide de l'Atlas. L'hypothèse était raisonnable, mais les calculs postérieurs au vol de Maynard pointèrent vers autre chose, de plus profond : la peau du lanceur juste sous la capsule aurait flambé sous l'effet combiné de la traînée aérodynamique, de l'accélération et des charges de flexion, un ensemble de contraintes dépassant la tension que la pressurisation interne était capable d'opposer dans cette zone. Autrement dit, la fusée n'échoua ni par impact ni par défaillance de ses moteurs, mais parce qu'au niveau de la jonction avec la capsule, la structure était sollicitée au-delà de sa marge. Maynard résumerait des années plus tard, dans un entretien d'histoire orale, que le problème de l'accouplement de la capsule Mercury à l'Atlas était loin d'être bien résolu à l'époque de MA-1.

Resta également en suspens le soupçon que l'absence du système de sauvetage ait dégradé le profil aérodynamique de l'ensemble, exactement ce que les ingénieurs de Convair avaient fait valoir avant le vol en demandant que la tour vole.

Sur la base de cette découverte, la NASA imposa deux changements de fond sur les lanceurs Mercury-Atlas suivants. Le premier fut structurel : ajouter des renforts de peau (doublers) dans la zone critique sous la capsule et épaissir la peau du réservoir d'oxygène liquide, qui jusque-là était celle du missile de série. Le second concernait la trajectoire : aplatir le profil d'ascension pour réduire la vitesse de tangage et, avec elle, les contraintes de flexion sur le véhicule.

L'application pratique prit du temps, car les fusées étaient déjà fabriquées. L'Atlas 100-D serait le premier véhicule à peau épaisse livré. Entre-temps, le 67-D affecté à MA-2 restait du modèle à peau fine, il fallut donc le modifier : on lui installa une bande de renfort en acier inoxydable autour du véhicule entre les stations 502 et 510 — l'interface entre la capsule et la fusée — avec une fine feuille d'amiante intercalée entre la bande et la peau du réservoir, précisément en précaution contre le type de défaillance subi par MA-1. Le 77-D, qui selon les plans initiaux devait voler sur MA-3 et avait passé son inspection de sortie d'usine en septembre 1960, fut retiré peu après, lorsque parurent les conclusions de l'analyse postérieure au vol de MA-1, et fut remplacé par le 100-D. Plus tard, dès MA-7, la peau du réservoir d'oxygène liquide fut encore épaissie, car les capsules opérationnelles emportaient plus d'équipement et de consommables que celles de recherche, et le poids de la capsule continuait d'augmenter.

La preuve que le diagnostic était correct vint le 21 février 1961 à 14h10 UTC, lorsque MA-2 décolla du LC-14 sous un ciel bleu et dégagé, si différent du brouillard de MA-1. Dans le bunker, on attendit nerveusement le passage par la zone de pression dynamique maximale, et lorsque le véhicule la franchit, la réaction de l'équipe de lancement fut la joie. MA-2 accomplit un vol suborbital de 17 minutes et 56 secondes, atteignit 114 milles (183 kilomètres) d'altitude et 13 227 milles par heure (21 287 kilomètres par heure), supporta une accélération maximale de 15,9 g, et la capsule fut récupérée à 1 432 milles (2 305 kilomètres) du point de lancement. Tous les objectifs furent atteints et le seul problème notable fut un léger ballottement de l'ergol. Le mode de défaillance de MA-1 ne se reproduisit plus jamais lors d'aucun vol ultérieur.

MA-1 est comptabilisé comme un échec, et il le fut : la capsule numéro 4 et l'Atlas 50-D furent perdus, aucune donnée de rentrée ne fut récupérée, ni les tuiles du corps arrière ni les systèmes de récupération ne furent testés, et aucun des objectifs déclarés ne fut atteint. Mais le vol accomplit, involontairement, ce qu'aucun essai planifié n'avait réussi : il mit en évidence que la jonction entre la capsule et le lanceur n'était pas résolue, et il le fit lors d'un vol sans personne à bord, alors qu'il restait encore dix-huit mois avant le premier vol orbital habité.

C'est le schéma qui se répète tout au long de la série non habitée de Mercury, et la raison pour laquelle ces vols méritent d'être racontés avec le même niveau de détail que les vols habités : Big Joe valida le bouclier thermique au prix d'une séparation ratée, MA-1 découvrit le point faible structurel au prix du véhicule tout entier, et chaque découverte se traduisit par du matériel différent sur la fusée suivante. De MA-1 sortirent la bande d'acier du 67-D, le retrait du 77-D, l'avancement du 100-D à peau épaisse et les trajectoires plus aplaties qui accompagnèrent le reste du programme.

De la capsule elle-même subsiste du matériel physique : des pièces de la Mercury numéro 4 sont conservées et exposées au Cosmosphere de Hutchinson, dans le Kansas, et l'écoutille se trouve à l'American Space Museum de Titusville, en Floride.