thumb|John Houbolt expliquant le scénario du LOR qu'il réussit à promouvoir non sans difficulté Le module lunaire ou LEM (pour ) ou LM (pour )L'acronyme LM a remplacé en 1968 LEM parce que les dirigeants de la NASA considéraient que le terme traduisait mal la portée du projet lunaire. est le véhicule spatial utilisé dans le cadre du programme spatial américain Apollo (1961-1972) pour débarquer des hommes sur la Lune. Son rôle est de faire atterrir sur le satellite naturel deux des trois membres d'équipage du vaisseau Apollo avec des équipements scientifiques et de leur permettre d'y séjourner de deux à quatre jours avant de décoller pour rejoindre le module de commande et de service (CSM), resté en orbite lunaire et chargé de ramener l'équipage sur Terre.
Lorsqu'en 1961, le président des États-Unis, John Fitzgerald Kennedy fixe comme objectif à l'agence spatiale américaine d'envoyer des hommes sur la Lune avant la fin de la décennie, le programme spatial américain est encore balbutiant. Après avoir étudié plusieurs configurations pour le vaisseau spatial, la NASA choisit en 1962 d'avoir recours au LEM, module destiné au débarquement sur la Lune, malgré les interrogations que suscitent à cette époque le recours au rendez-vous orbital lunaire (LOR) que sous-tendait ce choix. Seule cette solution permettait en effet de tenir l'échéance fixée, en réduisant la masse à satelliser et en limitant les coûts et les risques techniques.
Le LEM comporte deux étages : un étage de descente, dont le rôle principal est de faire atterrir verticalement le module lunaire grâce à un moteur à poussée variable, et un étage de remontée, doté de son propre moteur et dans lequel se situe la cabine pressurisée où séjournent les astronautes. Malgré la complexité de sa mission et une contrainte de masse très sévère ( maximum), le LEM réussit à six reprises à amener sans défaillance grave et à faire séjourner deux hommes dans un environnement lunaire particulièrement hostile et à l'époque mal connu.
La conception et la construction du module lunaire sont réalisées sous la maîtrise d'œuvre de la société aérospatiale Grumman entre 1962 et 1969. Quinze modules lunaires sont construits, dont dix volent et six atterrissent sur le sol lunaire au cours de la période 1969-1972. Le module lunaire de la mission permet de sauver l'équipage en se substituant au Module de commande et de service défaillant. Le programme Constellation, qui devait permettre de débarquer des hommes sur la Lune à l'horizon 2020, a d'ailleurs repris une grande partie des solutions développées pour le LEM.
Contexte : le choix du rendez-vous orbital lunaire (1961-1962)
vignette|Scénario du vol direct : maquette du vaisseau spatial qui devait se poser sur la lune (NASA en 1962). Les modules de commande et de service perchés en haut donnent l'échelle.
En 1959, l'agence spatiale américaine lance des études dans une perspective à long terme pour déterminer les techniques permettant d'envoyer des hommes sur la Lune. Trois scénarios principaux se dégagent : l'envoi direct d'un vaisseau sur la Lune () ; une fusée de forte puissance, de type Nova, propulse le vaisseau complet (véhicule lunaire et vaisseau utilisé pour le retour sur Terre) vers la Lune ; l'ensemble atterrit sur la Lune puis en redécolle avant de retourner sur la Terre ; le rendez-vous orbital autour de la Terre (EOR, ) : pour limiter les risques et le coût de développement de la fusée géante que nécessite le premier scénario, les composants du vaisseau sont envoyés en orbite terrestre par deux fusées (ou plus) moins puissantes. Ces différents éléments sont assemblés en orbite par des astronautes, qui utilisent éventuellement une station spatiale comme base logistique. Le déroulement du vol du vaisseau, par la suite, est similaire à celui du premier scénario ; le rendez-vous en orbite lunaire (LOR, pour ) : une seule fusée est nécessaire, mais le vaisseau envoyé vers la Lune comporte deux sous-ensembles qui se séparent une fois l'orbite lunaire atteinte : le module, dit « lunaire », atterrit avec une partie de l'équipage sur la Lune et en redécolle pour ramener les astronautes jusqu'au module dit « de commande », resté en orbite autour de la lune, qui prend en charge le retour des astronautes à Terre. Cette solution permet d'économiser du poids par rapport aux deux autres scénarios (beaucoup moins de combustible est nécessaire pour l'atterrissage et le décollage) et permet de concevoir un vaisseau optimisé pour l'atterrissage et le séjour sur la Lune. La fusée à développer est moins puissante que celle requise par le premier scénario.
Lorsque le président américain John Kennedy donne à la NASA le l'objectif de faire atterrir des hommes sur la Lune avant la fin de la décennie, l'évaluation de ces trois méthodes est encore peu avancée. La NASA n'a pas encore réalisé un seul véritable vol spatial habité (le premier vol orbital de la capsule Mercury n'a lieu qu'en avec le vol de John Glenn)Les vols précédents étaient des vols balistiques, c'est-à-dire que la capsule Mercury ne se mettait pas en orbite.. L'agence spatiale a du mal à évaluer l'ampleur des difficultés soulevées par les rendez-vous entre engins spatiaux et elle ne maîtrise pas l'aptitude des astronautes à supporter de longs séjours dans l'espace et à y travailler ; ses lanceurs ont essuyé une série d'échecs, ce qui l'incite à la prudence dans ses choix techniques. La NASA est consciente que le choix de la méthode conditionne les caractéristiques des véhicules spatiaux et des lanceurs à développer, et que tout retard pris dans cette décision pèse sur une échéance très proche, compte tenu des défis techniques à relever. Mais les responsables de la NASA vont mettre plus d'une année, passée en études et en débats, avant de sélectionner un des trois scénarios. vignette|gauche|Comparaison des tailles de véhicules lunaires selon la méthode retenue (la taille dans le mode LOR est sous-estimée).
Le LOR est initialement la solution qui a le moins de partisans, malgré les arguments détaillés avancés par son plus ardent défenseur John C. Houbolt, du Centre de recherche de Langley. Aux yeux de beaucoup de spécialistes et responsables de la NASA, le rendez-vous autour de la Lune entre module lunaire et module de commande paraît instinctivement trop risqué : si le rendez-vous échoue, les astronautes occupant le module lunaire n'ont pas le recours de freiner leur engin pour se laisser redescendre sur la Terre : ils sont condamnés à tourner indéfiniment autour de la Lune. Les avantages de ce scénario, en particulier le gain sur la masse à satelliser ( avec le LOR contre en vol direct), sont rejetés sans étude sérieuse. Houbolt, désespéré, envoie à deux reprises un courrier à Robert Seaman, le numéro deux de la NASA, en lui demandant d'intervenir pour que la méthode qu'il préconise soit étudiée sur le fond et non pas rejetée sur la base d'idées préconçues. En procédant ainsi, il court-circuitait plusieurs niveaux hiérarchiques et mettait en grand danger son avenir à la NASAEnchanted Rendezvous : John C. Houbolt and the Genesis of the Lunar-Orbit .Un cas d'école de dysfonctionnement de l'organisation d'une entreprise. Son courrier commençait ainsi « ». Toutefois, au fur et à mesure que les autres scénarios sont approfondis, le LOR gagne en crédibilité : les partisans du vol direct se rendent compte de la difficulté de faire atterrir un vaisseau lourd sur le sol irrégulier et aux caractéristiques incertaines de la LuneChariots for Apollo Analysis of LOR.. Wernher von Braun et l'équipe qu'il dirige au Centre de vol spatial Marshall, partisan d'un rendez-vous orbital terrestre, finit lui-même par être convaincu que le choix du LOR est le seul qui permettra de tenir l'échéance fixée par le président Kennedy
Au début de l'été 1962, alors que les principaux responsables de la NASA se sont tous convertis au scénario du rendez-vous orbital lunaire, leur choix se heurte au veto de Jerome B. Wiesner, conseiller scientifique du président Kennedy. Finalement, la solution du LOR est, malgré tout, entérinée le Chariots for Apollo NASA-Grumman Negotiations.. Dès le , onze sociétés aérospatiales américaines sont sollicitées pour la construction du module lunaire, sur la base d'un cahier des charges établi par la NASA. Celui-ci énonce dans ses grandes lignes les caractéristiques du module lunaire à fabriquer ainsi que le déroulement d'une mission type. Une partie des fournitures est supervisée directement par la NASA (l'ordinateur de navigation, les scaphandres, les expériences scientifiques). La sécurité de l'équipage doit être assurée avec un taux de 99,9 %, tandis que le taux de fiabilité du LEM est fixé à 99,5 %The Apollo Spacecraft A Chronology Part 3D : 25 July 1962..
Une phase de conception laborieuse (1963-1964)
thumb|Version initiale du module lunaire : la taille des hublots va être réduite, le dispositif d'amarrage situé à l'avant disparaitre et le train d'atterrissage être refondu. thumb|Structure du module lunaire sans son revêtement et sans le train d'atterrissage.
Le , la société Grumman. Cette société fait partie depuis 1994 du groupe Northrop Grumman. remporte l'appel d'offres. Ce constructeur américain du célèbre chasseur embarqué (Hellcat et, par la suite, du ) avait, jusque-là, soumissionné sans succès à plusieurs appels d'offres de la NASA. Grumman tient à pénétrer le marché de l'aérospatiale et avait mobilisé une importante équipe d'ingénieurs pour travailler à la conception du futur module lunaire, avant même le lancement de l'appel d'offres.
L'interlocuteur de Grumman au sein de la NASA sera le Centre des Vols Habités de la NASA (, ou MSC) qui vient d'emménager au Centre Spatial de Houston (aujourd'hui Centre Spatial Lyndon B. Johnson ou JSC). Ce dernier doit assister Grumman dans la phase de spécifications et est chargé de la qualification du module lunaire. Après un round de négociations, destiné à figer la distribution des tâches et des procédures, la rémunération de Grumman est fixée à incluant un bénéfice de pour Grumann, bien que les contractants n'aient, à l'époque, qu'une idée peu précise de l'engin à construire.
Le projet part avec un handicap d'un an par rapport aux autres composants du programme Apollo, notamment le CSM. Début 1963, les ingénieurs de Grumman, basés à Bethpage, Long Island (État de New York), commencent à travailler sur l'architecture générale du module lunaire. Au cours des premiers échanges avec la NASA, on évoque un vaisseau spatial de de diamètre et de de haut pesant environ , comportant une partie habitable de la taille et de la forme d'une cabine d'hélicoptèreGrumman : ..
Un étage de remontée profondément remanié
Au fur et à mesure de l'avancement des études, beaucoup de ces caractéristiques vont être remises en question.
Les hublots qui reprenaient, dans la proposition de départ, la disposition bombée d'une cabine d'hélicoptère pour procurer la vision la plus complète au pilote , voient leur taille se réduire, pour des raisons de rigidité structurelle et de contrôle thermique, à deux petits triangles de verre inclinés vers le bas, ne représentant plus que 10 % de la surface initiale.
Deux possibilités d'amarrage au module de commande et de service Apollo étaient prévues : une écoutille placée au sommet de l'étage de remontée devait être utilisée avant le débarquement sur la Lune, tandis que l'écoutille située sur la face avant était utilisée au retour lors du rendez-vous orbital lunaire pour permettre au pilote de contrôler visuellement son approche à travers les hublots : finalement, pour gagner en poids (s'il y a amarrage, il faut un tunnel et des renforts structurels), un petit hublot est ajouté dans la partie supérieure de l'étage de remontée, permettant d'utiliser également l'écoutille supérieure au retourChariots for Apollo Hatches and Landing Gear..