Luna 16

La Lune est le premier objectif visé par les missions interplanétaires lancées au début de l'ère spatiale. L'Union soviétique dispose d'une certaine avance, grâce notamment à la puissance de ses lanceurs, dans la Course à l'espace qui l'oppose aux États-Unis et qui reflète la Guerre froide qui sévit entre les deux superpuissances mondiales de l'époque. L'astronautique soviétique réalise un grand nombre de premières au cours de ses premières missions d'exploration de la Lune regroupées au sein du programme Luna : première photo de la face cachée de la Lune, premier atterrissage en douceur sur le sol lunaire. Mais progressivement le programme spatial américain et plus particulièrement le programme d'exploration de la Lune monte en puissance. La NASA lance d'une part en 1961 le programme Apollo qui doit avant la fin de la décennie déposer des hommes sur la Lune, d'autre part elle développe plusieurs programmes de sondes automatiques tels que les atterrisseurs Surveyor ou les orbiteurs Lunar Orbiter. L'Union soviétique réplique en fixant des objectifs toujours plus ambitieux à ses sondes lunaires et en lançant en 1964 un programme spatial habité concurrent du programme Apollo.

Fin 1968, les responsables de l'Union soviétique constatent que le programme Apollo avance rapidement et que les américains pourraient réussir prochainement à déposer des hommes sur la Lune. Le programme concurrent développé par l'Union soviétique a par contre pris beaucoup de retard. Pour ne pas perdre, en cas de réussite américaine, tout le prestige acquis par l'astronautique soviétique grâce à ses réussites du début des années 1960, les soviétiques décident de développer en parallèle de leur programme habité lunaire, un programme de sonde automatique ayant pour objectif de ramener un échantillon du sol de la Lune avant les astronautes de la NASA. La sonde comporte un étage de descente chargé d'atterrir sur la Lune et un véhicule de retour chargé de ramener l'échantillon. L'étage de descente est celui du rover Lunokhod en cours de mise au point (modèle Ye-8). L'objectif est difficile à atteindre car la masse totale de la sonde ne doit pas dépasser la capacité du lanceur lourd Proton 8K82K. Par ailleurs, il s'agit d'une mission qui nécessite de réussir à enchainer beaucoup de tâches complexes et les ingénieurs soviétiques ne disposent que de quelques mois pour développer l'étage de retour, le système de prélèvement d'échantillon et la capsule qui doit revenir sur Terre. Pourtant, dès juin 1969, un premier exemplaire est disponible pour l'envol. Le lanceur Proton a été optimisé pour porter sa capacité de lancement vers l'orbite lunaire de 5500 à 5 880 kg, poids final de la nouvelle sonde[1].

La première tentative (nommée E-8-5-402) a lieu le 14 juin 1969 mais le dernier étage du lanceur Proton ne parvient pas à s'allumer et la sonde retombe dans l'Océan Pacifique. Le deuxième essai, Luna 15, est lancé le 13 juillet 1969 trois jours avant le lancement d'Apollo 11. La sonde se met en orbite autour de la Lune et entame sa descente vers le sol lunaire peu après que le module lunaire d'Apollo 11 en fasse autant. Mais l'atterrissage se passe mal et la sonde s'écrase sur le sol de la Lune. L'objectif principal de la mission ne pourra plus être rempli, car Apollo 11 ramène quelques jours plus tard les premières roches lunaires sur Terre. Les trois tentatives suivantes qui ont lieu le 23 septembre 1969, le 22 octobre 1969 et le 6 février 1970 sont toutes des échecs imputables au lanceur Proton[2].

L'étage de descente est pratiquement identique à celui qui avait été développé auparavant pour poser le rover Lunokhod sur le sol lunaire. Les différences portaient sur la suppression des rampes permettant au rover de descendre sur le sol lunaire et l'ajout du système de prélèvement d'échantillon de sol, pour les huit premières missions^[pas clair] d'une paire de caméras de télévision stéréo pour filmer le site d'atterrissage et d'un éclairage pour les atterrissages de nuit. Un compartiment toroïdal contenant l'instrumentation et l'avionique pour les opérations au sol remplaçait les rampes d'origine et servait de support pour le lancement du véhicule de retour[3].

Le véhicule de retour est situé au-dessus de l'étage de descente. Cet engin de 520 kg (245 kg sans le carburant) est composé d'un compartiment d'équipement abritant l'avionique, de forme cylindrique en position verticale surmontant les trois sphères contenant le carburant et le moteur-fusée principal. Celui-ci (KRD-61 Isayev) est du même type que le moteur de l'étage de descente mais sa poussée n'est pas modulable. Il brule un mélange d'acide nitrique et de UDMH et fournit une poussée de 18,8 kNewtons durant 53 secondes qui génère un delta-V de 2,6 à 2,7 km/s suffisant pour échapper à l'attraction de la Lune[3].

La capsule contenant l'échantillon est la seule partie de la sonde qui revient sur Terre. C'est une sphère de 50 cm de diamètre pesant 34 kg recouverte d'un matériau ablatif qui protège son contenu de la chaleur au moment de la rentrée atmosphérique qui s'effectue à une vitesse de 11 km/s. La capsule subit une décélération allant jusqu'à 315 g. La capsule utilise un système de parachute pour annuler sa vitesse finale avant l'arrivée au sol : un parachute pilote d'une superficie de 1,5 m² est suivi par le parachute principal de 15 m²[3].

Luna 16 est lancée depuis le cosmodrome de Baïkonour le 12 septembre 1970 à 13 h 25 UTC par une fusée de type Proton 8K82K qui la place sur une orbite de parking. 70 minutes plus tard, le dernier étage du lanceur, un Bloc D, est rallumé et injecte la sonde lunaire sur une orbite de transit vers la Lune. Une correction de trajectoire à mi-course est effectuée le 13 septembre. Le 17 septembre, la sonde utilise ses moteurs pour se placer sur une orbite quasi circulaire autour de la Lune de 110 × 119 km avec une inclinaison de 71°. Après avoir effectué des mesures du champ gravitationnel tout au long de l'orbite, le moteur est allumé à deux reprises les 18 et 19 septembre de manière que le périgée (périlune) soit abaissé à 15,1 km juste au-dessus du site d'atterrissage (apolune 106 km). Le 20 septembre, les réservoirs externes sont éjectés alors que la sonde approche du périgée puis le moteur de l'étage de descente est allumé durant 270 secondes pour annuler la vitesse orbitale. La sonde tombe alors en chute libre ; un altimètre remet en marche le moteur lorsque la sonde est descendue à l'altitude de 600 mètres et que sa vitesse est de 700 km/h. À 20 mètres du sol, le moteur est coupé alors que la vitesse est tombée à 7 km/h. À 5h18 UTC, la sonde touche le sol de la Lune dans la mer de la Fertilité à une vitesse de 17 km/h à seulement 1,5 km de l'endroit visé[4].

Luna 16 a atterri durant la nuit lunaire et contrairement aux premiers exemplaires du modèle, ne dispose pas de projecteurs pour éclairer la zone dans laquelle l'échantillon doit être prélevé. La foreuse est déployée une heure après l'atterrissage. Au bout de 7 minutes, le foret s'est enfoncé de 35 cm et bute sur un obstacle. Le bras relève la foreuse et l'échantillon de sol est déversé dans la capsule située au sommet de l'étage de retour par une ouverture latérale qui est ensuite refermée. Une partie du matériau prélevé est perdu durant cette phase. Après un séjour de 26 heures à la surface de la Lune, le moteur du véhicule de retour est allumé pour le décollage et ayant atteint une vitesse de 2,7 km/s échappe à l'attraction de la Lune et se dirige vers la Terre. L'étage de descente continue pendant ce temps à effectuer des relevés réguliers de la température et des rayonnements. Le 24 septembre, alors que l'étage de retour se trouve à 48 000 km de la Terre, la capsule contenant l'échantillon est larguée et entame peu après la rentrée atmosphérique à une vitesse de 11 km/s. La décélération atteint un pic de 350 g. À une altitude de 14,5 km, le parachute pilote est déployé puis à 11 km le parachute principal tandis que les antennes du transpondeur, destiné à faciliter la récupération, sont déployées. La capsule se pose à environ 80 km de la ville de Djezkazgan au Kazakhstan, à 400 km du cosmodrome de Baïkonour, point de départ de la sonde. Après ouverture de la capsule, les Soviétiques constatent que le système de prélèvement a bien fonctionné et qu'ils disposent désormais de 100 grammes de sol lunaire[5].

• (en) Asif A. Siddiqi, The soviet space race with Apollo, University Press of Florida, 1996, 489 p. (ISBN 978-0-8130-2628-2)
• (en) Wesley T. Huntress et Mikhail Ya. Marov, Soviet robots in the Solar System : missions technologies and discoveries, New York, Springer Praxis, 2011, 453 p. (ISBN 978-1-4419-7898-1, lire en ligne)
• (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, 2007 (ISBN 978-0-521-12958-9)

• Programme Luna
• Mission de retour d'échantillon
• Luna 20 et Luna 24 missions analogues.

• (en) Fiche dans le master catalog de la NASA

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