Saturn V – Maquette 3D géante

Retrouvez actuellement notre Saturn V géante à la bibliothèque universitaire des sciences de Toulouse ! Plus d’informations sur l’article de la BU Sciences.

Le projet en chiffres

Échelle 1 : 43
2.58 m de hauteur !
7.5 kg de PLA
8 couleurs de filament
1000 h d’impression 3D
1300 h de travail fourni par l’Association
Maquette achevée 3 mois après la première impression
300 fichiers STL
800 pièces au total
Fusée démontable en 24 modules
24 supports d’exposition, 1 socle et 1 plaque
3 participants

Réussites chinoises de Chang’e 4 sur la face cachée en 2019 suivie de Chang’e 5 en 2020, démarrage en 2022 du programme américain Artemis auquel contribue l’Agence Spatiale Européenne, tentative d’alunissage de la sonde russe Luna 25, succès indien de Chandrayaan-3 au pôle sud en 2023 et préparation de l’instrument français DORN pour la mission Chang’e 6 en 2024… Il n’y avait pas eu un tel engouement pour la Lune depuis le programme américain Apollo près d’un demi-siècle auparavant.

Dans ce contexte d’actualité lunaire où notre satellite est à l’agenda des grandes puissances spatiales, l’Association a voulu se replonger aux origines de la course à la Lune et confectionner une maquette hors-norme du lanceur iconique du programme Apollo de la NASA. En emmenant pour la première fois des Hommes à marcher sur un corps extraterrestre le 21 juillet 1969, la Saturn V a autant marqué l’histoire folle de la compétition entre soviétiques et américains en climat de Guerre Froide que l’histoire-même de l’Humanité. Après tout, à combien de parsecs faudrait-il porter le regard pour trouver une espèce vivante qui se soit arrachée au berceau de son monde à l’épreuve de son intelligence et du développement de ses technologies ? Cette maquette constitue un support pédagogique exceptionnel désormais en renfort de nos animations pour expliquer le fonctionnement de la fusée, les étapes des missions et pour saisir un peu mieux ce bond de géant qu’a fait l’Humanité au siècle dernier grâce à la Saturn V.

… et de l’étage S-IVB ainsi que des charges utiles et du système d’évacuation.

Avec ses 110.6 m de haut et ses près de 3000 tonnes, la Saturn V est un colosse qui a permis d’expédier jusqu’à 47 tonnes de charge utile en orbite lunaire.

L’équipe

Céline Autechaud : Dimensionnement, impression, peinture, socle en bois, assemblage, photos
Cyril Devaux : Aide à l’impression du LEM
Quentin Lemaréchal : Direction du projet, dimensionnement, conception des pièces additionnelles, recherches documentaires, impression, assemblage
Emmanuel Robin – The Amphioxus : Conception originale de la maquette

Documentation

La conception des pièces additionnelles a nécessité un gros travail de documentation sur des images d’archive, des modélisations ou encore des photos de véritables exemplaires de la Saturn V exposés aux États-Unis. Si trouver des vues de l’extérieur de la fusée est chose assez facile, c’est une toute autre histoire concernant l’intérieur ! En effet, son intérieur est très peu illustré dans les images d’archives. Entre images d’époque en noir et blanc et peintures refaites pour les modèles d’exposition, la quête des couleurs originelles de la Saturn V nous a causé quelques insomnies… Nous avons en outre fait face à de mauvaises descriptions des photos sur Internet qui nous a parfois induit en erreur, ce qui nous a conduit à faire quelques reprises lorsque c’était possible et nous résoudre à certains compromis.

L’examination d’un maximum de supports disponibles à ce sujet nous a permis de traquer les différences avec la maquette proposée par The Amphioxus. Étant donné que notre échelle d’impression était d’1:43, nous pouvions nous permettre de modéliser des éléments plus fins pour une maquette plus détaillée dans les limites de capacités de l’imprimante. La question était toujours la même ; une fois modélisé, cet élément sera-t-il imprimable correctement ?

En jouant sur l’épaisseur de couche, nous avons atteint des tailles de pièces millimétriques. Il a parfois fallu simplifier des éléments. De plus, l’accroche des plus petites pièces sur le plateau a parfois été délicate et il nous a fallu batailler avec des problèmes de décollement en cours d’impression. Après bien des tentatives, c’est finalement une trentaine de pièces additionnelles qui sont venues agrémenter la maquette pour un rendu plus fidèle.

Socle

La maquette est posée sur un socle qui s’apparente à la Launcher Base.

L’ossature du socle est le seul élément qui n’est pas imprimé en 3D ; il est en fait construit avec des planches de bois vissées entre elles à l’aide d’équerres. L’ensemble peint en gris est surmonté des 4 bras de maintien (hold-down arms) coiffés de leur capot anti-souffle (blast hood).

Ces derniers supportent l’intégralité du poids de la maquette réparti sur les régions solides à la base du fuselage de sorte que les tuyères de l’étage S-IC ne soient pas en contact avec le sol pour ne pas les abîmer. La fusée est ainsi littéralement « décollée » du sol de 2 cm.

1^er étage : S-IC

La structure de poussée de cet étage de 42 m de haut est sans doute la plus spectaculaire de toutes les sections avec ses 5 moteurs F-1 et leurs immenses tuyères de 4 m de diamètre ! Ses moteurs qui développaient chacun une poussée de près de 680 tonnes demeurent encore à ce jour les plus puissants jamais mis en service. Les 4 moteurs latéraux pouvaient s’orienter pour affiner la trajectoire à la différence du central qui reste fixe. C’est sur cette section que sont fixées les 4 dérives qui renforcent la stabilité de la structure. Elles sont estampillées de lettres (A, B, C et D) qui permettent de suivre l’orientation de la fusée.

Dérives montées sur les cônes aérodynamiques

Assemblage de la structure et maintien des panneaux pendant la prise de la colle…

Impressions de plusieurs couleurs sur une même pièce pour les lettres de repère, les drapeaux américains et les acronymes USA.

Pour générer leur poussée colossale, les moteurs sont alimentés par une importante quantité d’ergols stockés dans d’immenses réservoirs en vue de générer une réaction de combustion (oxydoréduction exothermique).

Pour l’étage S-IC, on retrouve d’une part un réservoir de kérozène raffiné (RP-1) qui agit comme combustible (réducteur) et d’autre part un réservoir de dioxygène liquide (LOX) qui agit comme comburant (oxydant). Les réservoirs sont pressurisés avec de l’hélium.

Fond du réservoir de RP-1 et tuyaux du réservoir de LOX situé au-dessus

Inter-étage S-IC / S-II

Cet inter-étage relie l’étage S-II à l’étage S-IC, tous deux d’un diamètre de 10 m. À son niveau se trouve le bas du réservoir de LOX ainsi que les 5 moteurs J2 et leurs tuyères du S-II.

2^ème étage : S-II

Pour l’étage S-II d’une hauteur de 24.9 m, on retrouve d’une part un réservoir de LOX qui agit comme comburant (oxydant) et d’autre part un réservoir de dihydrogène liquide (LH2) qui agit comme combustible (réducteur). Il est propulsé par 5 moteurs J2 d’une poussée de 103 tonnes chacun avec des tuyères de 2.1 m de diamètre. Ces moteurs peuvent être rallumés plusieurs fois pour les différentes poussées du vol et ne rejettent que de la vapeur d’eau. Les 4 moteurs latéraux pouvaient s’orienter pour affiner la trajectoire à la différence du central qui reste fixe.

Inter-étage S-II / S-IVB

Cet inter-étage relie l’étage S-IVB (diamètre de 6.6 m) à l’étage S-II (diamètre de 10 m) grâce à sa forme tronconique. À son niveau se trouve le bas du réservoir de LOX ainsi que le moteur J2 et sa tuyère du S-IVB.

3^ème étage : S-IVB

Pour l’étage S-IVB d’une hauteur de 17.8 m, on retrouve les mêmes ergols que ceux du S-II à savoir du LOX et du LH2 ainsi qu’un moteur J2.

Case à instruments

La case à instruments ou Instrument Unit (IU) est un compartiment équipé d’ordinateurs de bord et d’instruments qui assurent les opérations pendant le vol (télémesure, contrôle de vol, sauvegarde, commandes pyrotechniques…). C’est en quelque sorte le cerveau de la fusée.

Adaptateur LEM / CSM

Le Spacecraft-Lunar Module Adapter (SLA) fait la jonction entre le S-IVB de 6.6 m de diamètre et le CSM de 3.9 m de diamètre. Afin de libérer le LEM qu’il abrite, ses 4 panneaux s’ouvrent à 45° puis sont expulsés par sécurité. En effet, ce n’était pas prévu initialement mais un incident lors de la mission Apollo 7 a empêché d’ouvrir complètement un panneau.

Panneaux du SLA déployés (à 45° en réalité)

Module lunaire

Le Module lunaire ou Lunar Excursion Module (LEM) est le véhicule spatial utilisé pour débarquer les astronautes sur la Lune.

Le LEM comporte deux étages :

Un étage de descente qui a pour rôle principal de faire alunir verticalement le LEM grâce à son moteur à poussée variable alimenté par du peroxyde d’oxygène (N₂O₄) et d’aérozine 50. Il transporte tous les équipements et consommables… qui seront ensuite abandonnés sur la Lune à la fin de la mission. Cela permet de limiter le poids de l’étage de remontée et donc la consommation d’ergols.
Un étage de remontée qui possède son propre moteur alimenté par les mêmes ergols et dans lequel se trouve la cabine pressurisée où séjournent les astronautes.

À bord du LEM, le rover lunaire ou Lunar Roving Vehicle (LRV) est un astromobile utilisé par les astronautes à partir de la mission Apollo 15 pour explorer les environs des sites d’alunissage. Cet engin tout-terrain biplace de 210 kg et de 3 m de long pouvait transporter plus de 490 kg de charge utile à la vitesse de 14 km/h. Il est transporté en position repliée dans une baie de l’étage de descente à droite de l’échelle. Les parties avant et arrière du châssis sont ensuite déployées à la sortie.

Module de Commande et de Service

Le Module de Commande et de Service ou Command and Service Module (CSM) est un véhicule spatial conçu pour transporter les 3 astronautes durant leur mission entre la Terre et la Lune. Ses objectifs étaient de fournir un environnement vivable durant une dizaine de jours à l’équipage et de réaliser les principales manœuvres permettant d’atteindre la Lune, de s’insérer en orbite puis retourner vers la Terre.

Le module de service ou Service Module (SM) est un cylindre d’aluminium non pressurisé de 5 m de long et de 3.9 m de diamètre pesant 24.5 tonnes. Il est divisé en 6 secteurs. Quatre abritent les réservoirs d’ergols (peroxyde d’oxygène (N₂O₄) et aérozine 50), un autre contient les trois piles à combustible et un autre les réservoirs d’oxygène et hydrogène. Enfin, une section centrale contenait les réservoirs d’hélium et la partie haute du moteur principal SPS (Service Propulsion System).

Le module de commande ou Command Module (CM) est la partie dans laquelle les 3 astronautes séjournent durant la mission. Il est composé des panneaux de commandes, d’un bouclier thermique, de deux écoutilles et de cinq hublots.

À partir de la mission Apollo 15, le module de service était pourvu d’une baie spécifique, le Scientific Instrument Module (SIM). Il abritait divers instruments et caméras destinés à réaliser des mesures dans le vide spatial et des observations pendant la mission principale menée au sol .

Système d’évacuation d’urgence

Le Système d’évacuation d’urgence ou Launch Escape System (LES) est censé extirper le module de commande dans lequel est installés l’équipage en cas d’avarie ou de dysfonctionnement dans les premières minutes de vol. Les moteurs à poudre de la tour de sauvetage s’allument alors avec une poussée suffisante pour entraîner la capsule sur une autre trajectoire que celle de la fusée. Un bouclier, le Boost Protective Cover (BPC) protège la capsule des gaz d’échappement. Après avoir épuisé ses ergols et une fois la capsule éloignée de la fusée défaillante, elle se sépare et le module de commande déploie ses parachutes pour la redescente. Tous les décollages habités se sont bien déroulés donc le LES n’a jamais été activé.

Enfin, à la pointe de la tour de sauvetage, on retrouve un petit instrument conique ; la Q-Ball. Semblable à un tube de Pitot sur un avion, cet instrument mesure la pression de l »air pendant l’ascension et permet de déterminer la vitesse de la fusée.

Astronautes

Nous avons également confectionné 2 astronautes (la légende raconte que le 3^ème astronaute de l’équipage est installé dans le module de commande… à l’abris des regards) ainsi que le drapeau américain à l’échelle de la fusée !

Échelle

Une fois les 24 modules emboîtés sur le socle, la maquette s’élève à plus de 2.6 m ! Pourquoi diable cette taille ? L’idée de départ était de construire une maquette monumentale mais qui reste dans les limites de nos capacités de fabrication. Nous avons ainsi cherché à atteindre la plus grande échelle que nous le permettait l’imprimante de l’Association ; les dimensions de la plus grande pièce ont donc été ajustées de sorte à exploiter un maximum de surface du plateau. Moyennant une petite marge de sécurité, nous avons calculé l’échelle correspondante et le facteur d’agrandissement des modèles STL d’origine. Il nous a ensuite fallu appliquer ce facteur aux quelques 300 STL, un par un, pour produire nos fichiers gcodes personnalisés.

Anecdote : initialement, nous préparions les pièces à l’échelle 1 : 45 et nous avons pu estimer la hauteur totale de la maquette à environ 2.5 m. C’était sans compter sur les nombreux petits espacements entre les pièces dus à de légères boursouflures sur les arêtes et à des défauts mineurs d’emboitement des modules. Plus le projet avançait et mieux nous estimions la hauteur totale ; elle est finalement supérieure de quelques centimètres et porte la maquette a l’échelle verticale de 1 : 43 ! Les dimensions de la maquette nécessitent une hauteur sous plafond adéquate pour une exposition verticale…

Exposition

La maquette est démontable en 24 modules. Cela permet de l’exposer à l’horizontale pour voir l’intérieur des étages ainsi que le LEM et le module de commande qui sont cachés. Pour ce faire, chaque module est posé sur un support d’exposition accompagné d’un cartel qui donne son nom en français et en anglais.

Matériel

La majorité des pièces a été imprimée à l’aide de deux imprimantes 3D Artillery Sidwinder X2 dont celle de l’Association
Plateau flexible
Laque pour impression 3D
Spatule
Alcool pour nettoyage
Pince coupante
Des dizaines de tubes de colle à prise rapide
Disques à poncer
Limes
Outil rotatif type Dremel
Pinces de serrage