Katherine Johnson n’était pas seulement une “human computer” : elle a été l’un des cerveaux derrière les trajectoires des missions spatiales les plus emblématiques de la NASA.
Cet article vulgarise ses recherches et contributions :
Comment elle calculait manuellement des trajectoires, vérifiait les résultats des ordinateurs, et rendait possibles les premiers vols spatiaux humains, la mission Apollo, et bien plus encore.
Les fondations : calculer une trajectoire spatiale
Quand on envoie une fusée dans l’espace, il ne suffit pas de viser vaguement “vers le haut”.
Il faut prévoir des orbites, des fenêtres de lancement, le moment exact où allumer les moteurs, la rentrée, et bien sûr la trajectoire du retour.
Katherine Johnson faisait cela à la main - avec règle, papier, crayon et calculatrice mécanique - quand les ordinateurs étaient peu fiables ou nouveaux.
Par exemple, pour Alan Shepard (Freedom 7, 1961), premier Américain dans l’espace suborbital, elle calcula la trajectoire de montée et de descente en tenant compte des forces de gravité, de résistance de l’air, etc.
Schéma de la trajectoire de la fusée d’Alan Schepard - réalisé pour la mission Freedom 7
“Si elle dit que c’est bon, je suis prêt à y aller” : la vérification des ordinateurs
Quand les ordinateurs électroniques furent introduits au centre de recherche, leur usage resta souvent suspect et ambiguë pour certaines missions critiques.
En 1962, pour le vol orbital de John Glenn (Friendship 7, 1962), Glenn lui-même demanda que Katherine Johnson revérifie les calculs générés par les ordinateurs par peur d’une erreur non détectée.
Katherine Johnson refit les calculs à son bureau, sur sa calculatrice mécanique, et tout correspondait.
Cette exigence met en lumière deux choses : La fiabilité des calculs manuels, même avec les moyens limités de l’époque, par rapport aux calculs provenant des ordinateurs.
Mais surtout la confiance accordée à Katherine Johnson (malgré son genre et sa couleur), dans des contextes très tendus politiquement et techniquement.
Photographie de John Glenn au côté de la fusée Friendship 7
Apollo, Lune, secours en cas de panne : les contributions majeures
Quelques-unes de ses plus grandes réussites :
- Apollo 11 (1969)Rôle de K. Johnson : Calcul des trajectoires nécessaires pour la mission Lune – notamment les chemins de rendez-vous entre le module lunaire et le module de service (rentrée, manœuvres orbitales).
- Apollo 13 (1970)Rôle de K. Johnson : Ses plans “secours” ou plans alternatifs firent parties des paramètres de navigation utilisés quand la mission connut des avaries, aidant le retour sûr des astronautes.
- Projets Mercury (1958-1963)Rôle de K. Johnson : Fenêtres de lancement, trajectoires de rentrée, prédiction des points de contact dans l’océan, etc.
- Satellite Echo 1 (1960)Rôle de K. Johnson : Co-auteur d’un rapport sur le comportement orbital du premier satellite de communications (Echo 1), affecté par la pression solaire - un problème qui ajoute une perturbation aux trajectoires “idéales”.
Photographie de Katherine Johnson utilisant une machine de calcul
Techniques et mathématiques derrière ses calculs
Quelques éléments techniques vulgarisés :
- Modèles à deux corps : (Earth-satellite / Earth-Moon) : approximations où l’on considère la gravité de deux corps principaux pour prévoir l’orbite, les fenêtres de lancement, etc. Katherine Johnson les utilisait pour les trajectoires de base.
- Perturbations - résistance atmosphérique, pression solaire, gravité non uniforme - tous ces effets qui modifient légèrement la trajectoire prévue. Des calculs supplémentaires étaient nécessaires pour corriger ces écarts ou prévoir leur influence. (Echo 1 en est un exemple pour la pression solaire.)
- Rendez-vous orbital : pour Apollo, il fallait que le module lunaire quitte la surface de la Lune puis atteigne et s’amarre au module principal en orbite lunaire. Ces manœuvres demandent des calculs précis des vitesses, angles et temps, compte tenu de la rotation, du champ gravitationnel, etc.
Héritage : ce que ses calculs nous apprennent aujourd’hui
Même si aujourd’hui les ordinateurs traitent des milliers de variables et d’algorithmes complexes, beaucoup des fondements que Katherine Johnson a posés restent valables.
Les principes de géométrie, de trajectoires orbitales, de prise en compte des perturbations, et la rigueur nécessaire pour vérifier les résultats - manuellement ou informatiquement.
Photographie de Katherine Johnson en 2008
Conclusion
Les calculs de Katherine Johnson étaient bien plus que des opérations arithmétiques : ils étaient les clés de voûte de missions spatiales risquées, le lien entre théorie et pratique, entre le rêve de conquête spatiale et sa réalisation concrète.
Ses méthodes révèlent non seulement un haut niveau de compétence scientifique, mais aussi une détermination remarquable face aux obstacles techniques, sociaux et institutionnels.