Le module de commande et de service Apollo (anglais : ou CSM) est un véhicule spatial conçu et opéré par l'agence spatiale américaine la NASA entre 1968 et 1975 pour envoyer trois astronautes en orbite basse terrestre ou lunaire puis les ramener sur Terre. Développé dans le cadre du programme Apollo pendant la course à l'espace, il est l'un des trois véhicules avec la Saturn V et le module lunaire qui permettent pour la première fois à des hommes de marcher sur la Lune.
Après des études en 1960, le contrat du CSM est attribué à North American Aviation en 1961 peu après le début du programme. Il est d'abord imaginé comme un immense véhicule devant se poser directement sur la Lune et en revenir, puis lorsque le scénario du rendez-vous en orbite lunaire est adopté en 1962, il devient une moitié du véhicule Apollo avec le module lunaire (LM). En 1963 la NASA décide de construire deux versions, le Block I pour quelques vols de tests, puis le Block II pour les missions lunaires, mais après l'accident d'Apollo 1 en 1967, la version Block II est profondément remaniée et devient la seule à emmener des équipages.
En 1968 la mission Apollo 7 en orbite basse terrestre valide le bon fonctionnement du CSM, rapidement suivie d'Apollo 8 qui emmène pour la première fois des astronautes en orbite lunaire. En 1969 les vols Apollo 9 et 10 testent les opérations conjointes avec le module lunaire, puis la mission Apollo 11 dépose pour la première fois des hommes sur la Lune. En 1970 le CSM d'Apollo 13 rencontre une grave avarie qui manque de coûter la vie à son équipage, mais il fonctionne de nouveau sans problème pendant les missions suivantes jusqu'à Apollo 17 en 1972. Les véhicules restant sont utilisés pour trois séjours à bord de la station spatiale Skylab en 1973, la mission conjointe avec l'Union Soviétique Apollo-Soyouz en 1975, puis définitivement mis à la retraite.
Lancé à bord d'une fusée Saturn IB ou Saturn V depuis la base de Cap Canaveral puis le centre spatial Kennedy en Floride, le CSM est long de 11 mètres pour une masse de 30 tonnes. Il est subdivisé en deux éléments : le module de commande, une capsule pressurisée protégée d'un bouclier thermique et surmontée d'un système d'amarrage, abritant l'équipage pendant la mission ; et le module de service contenant les réservoirs d'ergols, les radiateurs, les piles à combustible pour l'énergie, et la propulsion principale, pour une autonomie de deux semaines. Seul le module de commande retourne sur Terre après une descente sous parachutes et un amerrissage dans l'Océan Pacifique, il est surmonté d'une tour de sauvetage pendant le lancement.
Étant très couteux et à usage unique, la NASA décide dans les années 1970 de lui succéder la navette spatiale réutilisable, un programme généralement considéré comme un échec. Premier véhicule à avoir envoyé des humains au delà de l'orbite terrestre basse, l'architecture du CSM laisse un héritage durable repris par le véhicule CST-100 Starliner de Boeing et surtout par le véhicule Orion des programmes Constellation puis Artemis de la NASA. Plus d'une trentaine de CSM sont construits, dont 19 atteignent l'orbite et 15 emmènent des équipages, de nombreux exemplaires ayant volé ou non sont aujourd'hui dans des musées.
Contexte
Le module de commande et de service Apollo est, avec la fusée et le module lunaire Apollo, un des trois composants majeurs du programme Apollo développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, qui se déroule entre 1961 et 1975 et qui a permis aux États-Unis d'envoyer pour la première fois des hommes sur la Lune. Le programme est lancé par John F. Kennedy le , essentiellement pour reconquérir le prestige américain, mis à mal par les succès de l'astronautique soviétique, à une époque où la guerre froide entre les deux superpuissances bat son plein.
Historique
Débuts de la NASA
vignette|Le module de commande et de service est installée pour des tests dans une chambre à vide.
L'agence spatiale civile américaine, la NASA, est créée en après le lancement du premier satellite artificiel . Sa mission comprend notamment l'envoi d'un homme en orbite terrestre. Pour développer ses programmes, la NASA dispose de plusieurs établissements : certains sont hérités du NACA , d'autres sont rapatriés de l'Armée de Terre et du monde universitaire ou créés ab nihilo (centre de vol spatial Goddard, consacré aux missions scientifiques et Centre spatial Lyndon B. Johnson, consacré au vol habité)..
Premières réflexions sur une mission lunaire
Dès la fin 1958, l'état-major de l'agence spatiale étudie une mission avec équipage à destination du sol lunaire. Von Braun, consulté, estime que si le scénario du vol direct est retenu cela nécessiterait une fusée de pour lancer un pareil engin, dont la masse estimée serait de (l'étage de descente et de remontée depuis la Lune n'est pas inclus dans cette masse), en partant de l'hypothèse que l'étage supérieur de la fusée utilise la technique de propulsion la plus avancée (moteur-fusée brûlant le mélange hydrogène-oxygène, technique non maîtrisée à l'époque). Développer un lanceur d'une telle taille lui semblant un défi insurmontable, il recommande le lancement d'une quinzaine de fusées et l'assemblage en orbite terrestre basse d'un véhicule d'une masse approximative de à partir de leurs charges utiles. Celui-ci, après s'être injecté sur une orbite de transfert vers la Lune, larguerait l'étage utilisé pour cette manœuvre. Parmi les inconnues, Von Braun cite le comportement des matériaux dans l'espace, la protection des équipages contre les rayonnements et les météorites, les conséquences de l'apesanteur sur la santé des équipages..
Plan décennal
Début 1959, un programme d'exploration spatiale pour les dix années à venir est esquissé par un comité réunissant des spécialistes du domaine aérospatial. Pour les missions avec équipage, il est prévu de réaliser au cours de la deuxième moitié de la décennie 1960 et après les missions du programme Mercury, un vol faisant le tour de la Lune. L'atterrissage sur le sol lunaire est envisagé au cours des premières années de la décennie 1960. Les administrateurs de la NASA Glennan et Dryden valident ces objectifs. Pour remplir les missions assignées à la NASA sur la décennie à venir, ils demandent des fonds pour développer une famille comprenant quatre étages de lanceurs/lanceurs de puissance croissante : Vega (étage), Centaur (étage), Saturn et Nova. Bien que Nova et Vega ne dépassent pas le stade de la planche à dessin, le développement de Centaur (un étage de fusée utilisant un couple d'ergols novateur oxygène et hydrogène), et de Saturn (baptisée initialement ) sont immédiatement des projets prioritaires. Un comité (le « comité Goeth »), chargé d'étudier le futur du programme spatial habité et réunissant des représentants des différents centres de la NASA, est créé en au sein de la NASA. Celui-ci définit au cours de sa première séance de travail des objectifs prioritaires1) Envoyer un homme dans l'espace (programme Mercury) ;2) Vols balistiques (étude de la rentrée atmosphérique) ;3) Satellite d'étude environnement spatial ;4) Vaisseau avec équipage manœuvrable (ce n'est pas le cas de la capsule Mercury) ;5) Laboratoire_spatial avec équipage ;6) Satellite permettant d'étudier la Lune ;7) Atterrissage sur la Lune ;8) Satellite d'étude de Mars et Vénus ;9) Atterrissage sur Mars et Vénus. et travaille par la suite sur les différents aspects techniques à développer (rentrée atmosphérique à grande vitesse, rendez-vous orbital, lanceur de grande puissance...)..
Premières études du vaisseau Apollo
La conception d'un vaisseau spatial avec équipage à destination de la Lune est étudiée à la NASA dès 1960, alors que l'agence spatiale n'a pas encore envoyé un seul astronaute dans l'espace et qu'elle ne maitrise aucune des techniques spatiales nécessaires. Le programme Mercury est en cours de développement et les Américains ne disposent que du lanceur Atlas, en cours de mise au point et capable de placer seulement une tonne en orbite basse. De nombreuses études sont lancées dans les différents établissements de la NASA et chez les industriels de la branche aérospatiale pour tenter de mieux cerner le déroulement d'une telle mission, ainsi que les caractéristiques techniques d'un vaisseau capable de remplir cet objectif. En , la NASA annonce que les missions qui prendront la suite du programme Mercury auront pour objectif de faire le tour de la Lune. Les industriels sont sollicités pour étudier la faisabilité de cet objectif..
Lancement du programme Apollo
Ce programme est bouleversé par les Soviétiques, qui lancent le premier homme dans l'espace (Youri Gagarine) le . Ils devancent de trois semaines le vol du premier astronaute américain, Alan Shepard, qui doit se contenter d'un « simple » saut de puce dans l'Espace (vol suborbital). Pour le corps politique et les Américains en général, c'est un camouflet qui remet en cause la supériorité de leur société à travers celle de leurs avancées techniques. Le président Kennedy décide en de relever le défi soviétique, en donnant comme objectif à la NASA d'envoyer des hommes sur le sol lunaire d'ici la fin de la décennie.
Un des points soulignés par Kennedy dans son message est que les missions lunaires devaient être conçues de manière à limiter les risques courus par les astronautes. Mais le risque ne peut être nul, compte tenu des centaines de millions de pièces dont sont composées le lanceur et les vaisseaux spatiauxLa fiabilité d'un équipement comprenant deux composants est égale au produit de la fiabilité de chacun de chacun des composants : si le composant a une fiabilité de 0,9 (risque de défaillance de 10 %) et le deuxième de 0,8, la fiabilité de l'équipement est de 0,9 × 0,8, soit 0,72. ainsi que des multiples innovations techniques introduites par le programme Apollo. Réduire le risque a un coût d'autant plus important qu'on recherche une fiabilité plus poussée. Par ailleurs, comment fixer le niveau de risque acceptable ? Après de longs débats impliquant Bob Gilruth, Max Faget et les membres du Space Task Group, la probabilité de ramener un équipage sur Terre fut fixée à 0,999 ( sur pour que l'équipage revienne sur Terre sain et sauf) et celle de remplir les objectifs de la mission à 0,99Selon l'un des membres impliqués dans les discussions, enlever un 9 aurait permis de diviser le coup du programme par deux, en ajouter un aurait rendu le projet impossible...
Sélection du plan de mission en orbite lunaire
Lorsque Kennedy fait son discours, il n'existe aucun consensus au sein de la NASA et des industriels concernés sur la méthode à utiliser pour amener des hommes sur le sol lunaire : vol direct, assemblage en orbite terrestre, rendez-vous en orbite lunaire (LOR, ). Il faut dix-huit mois de débats houleux pour parvenir à l'adoption de cette dernière méthode, qui permet également de figer les caractéristiques du lanceur. La fusée géante de , capable de placer en orbite basse une charge utile de , est développée pour lancer les deux véhicules de l'expédition lunaire : le module de commande et de service (vaisseau Apollo) et le module lunaire Apollo utilisé pour descendre sur le sol lunaire. L'industriel chargé de développer le vaisseau Apollo a déjà été choisi. La société , pour tenir compte des contraintes calendaires, décide de développer deux versions, l'une qui sera utilisée pour les différents vols de qualification, ne disposera pas de la capacité d'effectuer un rendez-vous orbital lunaire, la seconde sera utilisée pour les missions qui se poseront sur la Lune.
Conception et développement
Le développement du vaisseau Apollo, à la fois novateur et complexe, prend deux ans et les tests au sol commencent en 1965. Le programme est bouleversé par l'incendie au sol du vaisseau de la mission , causant la mort tragique des 3 astronautes, le , qui impose des modifications importantes dans sa conception..