Le moteur F-1 et le J-2, les moteurs de la Saturn V

Mis à jour le 19 octobre 2026 · 6 min de lecture

Le moteur F-1, conçu par Rocketdyne, est le moteur-fusée à chambre de combustion unique le plus puissant jamais mis en service : environ 6,8 MN (690 tonnes-force) de poussée au niveau de la mer. Cinq F-1 équipaient le premier étage de la Saturn V et brûlaient ensemble près de 13 tonnes de kérosène et d'oxygène liquide par seconde. Les étages supérieurs utilisaient un autre moteur Rocketdyne, le J-2, alimenté à l'hydrogène liquide.

Un moteur hors d'échelle

Le F-1 est lancé dès 1955 par l'US Air Force, avant même que la NASA existe, pour répondre à un besoin alors théorique : un moteur d'environ 1,5 million de livres de poussée (6,7 MN). La NASA en reprend le développement en 1959 et en fait la pièce maîtresse du premier étage de la Saturn V. Aucun moteur à chambre unique en service ne l'a dépassé depuis ; les moteurs soviétiques plus puissants, comme le RD-170 de la fusée Energia, répartissent leur poussée entre quatre chambres.

Son architecture reste classique : un générateur de gaz brûle une petite fraction des ergols pour entraîner une turbine d'environ 55 000 chevaux, qui actionne les pompes à kérosène et à oxygène sur un même axe. Le kérosène circule d'abord dans les parois tubulaires de la chambre pour la refroidir, puis sert aussi de fluide hydraulique pour orienter le moteur. Les gaz d'échappement de la turbine, plus froids, sont injectés le long de l'extension de la tuyère pour la protéger, ce qui explique la zone sombre visible juste sous les moteurs sur les films de lancement.

Le cauchemar de l'instabilité de combustion

Au début des années 1960, les essais au banc tournent au désastre. À cette échelle, la combustion entre en résonance avec l'acoustique de la chambre : des ondes de pression se renforcent jusqu'à détruire le moteur en une fraction de seconde. Un F-1 explose ainsi en juin 1962.

Rocketdyne et la NASA lancent alors un programme dédié, le « Project First ». Faute de modèles théoriques suffisants, les ingénieurs procèdent de façon empirique : ils font exploser de petites charges dans la chambre en plein fonctionnement pour provoquer volontairement l'instabilité, puis mesurent si le moteur s'en remet. Après de nombreuses variantes d'injecteurs, la solution combine des chicanes (baffles) sur la plaque d'injection et une nouvelle disposition des orifices. Le moteur devient « dynamiquement stable » : il amortit une perturbation en moins d'un dixième de seconde. Le programme a mobilisé plusieurs années d'essais et quelque 2 000 mises à feu en vraie grandeur, et le F-1 n'a plus connu d'instabilité en vol.

Le F-1 en vol

Sur le S-IC, les cinq moteurs étaient disposés en croix. Le moteur central, fixe, s'arrêtait environ 25 secondes avant les quatre moteurs périphériques, orientables, afin de limiter l'accélération subie par l'équipage à environ 4 g. Les fusées de la fin du programme, à partir d'Apollo 15, recevaient des F-1 légèrement plus poussés.

Les 65 F-1 qui ont volé ont fonctionné sans panne. Le phénomène « pogo », qui secoua Apollo 6, n'était pas un défaut du moteur lui-même mais un couplage entre les vibrations de la structure et l'alimentation en ergols ; il fut corrigé en injectant de l'hélium dans les conduites d'oxygène pour amortir les oscillations.

En 2013, une expédition financée par Jeff Bezos a remonté du fond de l'Atlantique, à plus de 4 000 m de profondeur, des éléments de F-1 tombés avec les premiers étages. Des numéros de série retrouvés sur certaines pièces ont permis d'en attribuer une partie à la fusée d'Apollo 11.

Le J-2, le moteur à hydrogène des étages supérieurs

Le second moteur de la Saturn V, le J-2, est presque aussi important que le F-1. Brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène liquides, il délivre environ 1 MN de poussée dans le vide, avec une impulsion spécifique d'environ 420 s, bien supérieure à celle du kérosène. Cinq J-2 propulsaient l'étage S-II et un seul le S-IVB, détaillés sur la page des étages de la Saturne 5.

Sa qualité clé : il pouvait être rallumé en apesanteur. C'est ce second allumage du S-IVB, après une à deux orbites d'attente, qui assurait l'injection vers la Lune. Le J-2 servait aussi sur la Saturn IB. Il a connu des défaillances : sur Apollo 6, deux J-2 du S-II se sont arrêtés à cause d'une conduite rompue et d'un câblage croisé, et le rallumage du S-IVB a échoué. Les corrections apportées ont rendu le moteur fiable pour tous les vols habités.

Tableau comparatif F-1 et J-2

Héritage

Le F-1 n'a pas eu de successeur direct, mais il a gardé des admirateurs : dans les années 2010, la société Dynetics et Aerojet Rocketdyne ont étudié un F-1B modernisé pour les propulseurs d'appoint du SLS, projet resté sans suite. Le J-2, lui, a donné naissance au J-2X, développé pour le programme Constellation puis abandonné. La comparaison avec les lanceurs actuels figure sur la page Saturn V contre SLS et Starship.

Sources

• Joseph C. Oefelein et Vigor Yang, « Comprehensive Review of Liquid-Propellant Combustion Instabilities in F-1 Engines », Journal of Propulsion and Power, vol. 9, n° 5, 1993.
• Roger E. Bilstein, Stages to Saturn, NASA SP-4206, 1980.
• NASA Marshall Space Flight Center, Saturn V Flight Manual SA-503, 1968.