En 1960, alors qu'à l'OKB-1 de Sergueï KOROLIOV le développement du Vostok, le premier vaisseau spatial de l'humanité, va bon train, on pense déjà à son successeur. Un rapport est rédigé pour montrer que rendez-vous et amarrage en orbite terrestre sont deux objectifs tout à fait réalisables d'ici quelques années.

Deux avant-projets de vaisseaux sont à l'étude depuis la fin des années 1950 : le 5K « Sever » et le 1L. Deux Départements de l'OKB-1, le n°9 de TIKHONRAVOV et le n°11 de ROCHTCHINE, apportent leurs idées pour améliorer les deux concepts. BOUCHOUÏEV et KRIOUKOV, les adjoints de KOROLIOV, supervisent les travaux.

Quel profil de rentrée adopter ? Quelle forme doit avoir la capsule ? Quelle technologie utiliser pour l'atterrissage ? Comment effectuer un rendez-vous en orbite ? Combien de module devra compter le vaisseau ? Autant de dilemmes qui donnent du fil à retordre aux ingénieurs.

Concernant le mode de retour sur Terre, l'idée des ailes, soutenue par TIKHONRAVOV, est vite abandonnée car elle entraînerait une masse bien trop importante et l'utilisation de matériaux encore très mal connus. Le profil de rentrée balistique est lui aussi rejeté car il imposerait trop d'efforts à la structure de l'engin.

Le concept retenu est celui d'une rentrée dite guidée, ou oblique. Ici, à l'inverse d'une rentrée strictement balistique où la capsule se laisserait littéralement tomber, on l'oriente constamment vers la Terre de manière à ce que sa partie avant génère une poussée sous l'effet du flux d'air incident. Le vaisseau et son équipage subissent ainsi une charge beaucoup plus supportable.

Les ingénieurs du Département n°11 ont même une idée pour réduire encore les charges : effectuer une rentrée selon un profil dit du « double plongeon ». Le vaisseau effleurerait une première fois les couches supérieures de l'atmosphère afin de perdre une grande partie de sa vitesse, puis, dans un second temps, il rentrerait pour de bon. Les calculs montrent que les cosmonautes ne subiraient ainsi pas plus de 3 ou 4G, à comparer aux 8 à 9G que devront supporter les pilotes des Vostok.

Mais quelle forme devra avoir la capsule pour survivre à une telle traversée ? L'OKB-1 s'associe au NII-88, au NII-1 et à l'Institut Central d'Aérohydrodynamique pour défricher la question. Il en ressort que le profil le plus apte à supporter les contraintes de la rentrée est une « sphère segmentée » avec un centre de gravité excentré.

L'atterrissage, quant à lui, devra impérativement avoir lieu sur le sol soviétique, et le retour sur l'eau est exclu. Les vaisseaux Vostok se poseront grâce à un parachute, mais le contact avec le sol sera si violent que le pilote devra s'éjecter avant. Plusieurs organisations se lancent dans la réflexion, chacune ayant sa solution :

Le Département n°11 de l'OKB-1 propose quant à lui une solution hybride utilisant des parachutes et un moteur à ergols solides pour freiner la capsule au dernier moment. La direction de l'OKB-1 ne sait pas quelle décision prendre et préfère attendre que les études soient plus avancées.

Alors que la configuration même du futur vaisseau n'est même pas encore gelée, le département n°27 de l'OKB-1, dirigé par Boris RAOUCHENBAKH, commence à réfléchir à la question du rendez-vous en orbite terrestre. Le problème est scindé en deux phases : l'approche à grande distance et l'approche finale.

La première ne semble pas poser trop de difficultés, car les ingénieurs parviennent à calculer qu'avec la précision actuelle des lanceurs et la possibilité d'effectuer des corrections d'orbites, il sera possible d'amener deux vaisseaux spatiaux dans un volume de 25km x 15km x 15km.

L'approche finale est beaucoup plus complexe. La rencontre entre deux vaisseaux spatiaux ne peut pas être contrôlée depuis le sol, car aucun instrument de mesure n'est suffisamment précis pour pouvoir les différencier. Il va donc falloir développer un radar suffisamment petit pour pouvoir être embarqué à bord du vaisseau. Quatre bureaux d'études spécialisés dans ce type d'instruments reçoivent un appel d'offre. Il s'agit du TsNII-108, du TsKB Gueofizika, du NII-648 et du Bureau de Conception Expérimental de l'Institut d'Energétique de Moscou.

En avril 1961, un vaisseau Vostok décolle avec à son bord le premier cosmonaute de l'Histoire, Youri GAGARINE. L'exploit est renouvelé dès le mois d'août avec le vol de Hermann TITOV. D'autres « premières » sont au programme des missions suivantes, mais il est important de poursuivre le développement du véhicule qui succédera au Vostok. Au début de l'année 1962, la configuration des deux avant-projets Sever et 1L est arrêtée.

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