Dans les années à venir, la NASA sera occupée sur la lune.
Une fusée géante projettera une capsule sans astronautes à bord autour de la lune et retour, peut-être avant la fin de l’été. Un défilé d’atterrisseurs robotiques déposera des expériences sur la lune pour collecter des tonnes de données scientifiques, en particulier sur la glace d’eau enfermée dans les régions polaires. D’ici quelques années, les astronautes y retourneront, plus d’un demi-siècle depuis le dernier alunissage d’Apollo.
Ceux-ci font tous partie du programme lunaire de la NASA du 21e siècle nommé d’après Artemis, qui dans la mythologie grecque était la sœur jumelle d’Apollon.
Tôt lundi, un vaisseau spatial nommé CAPSTONE devrait être lancé en tant que premier morceau d’Artemis à se diriger vers la lune. Comparé à ce qui va suivre, il est de taille et d’envergure modestes.
Il n’y aura pas d’astronautes à bord de CAPSTONE. Le vaisseau spatial est trop petit, à peu près aussi gros qu’un four à micro-ondes. Cette sonde robotique n’atterrira même pas sur la lune.
Mais à bien des égards, elle ne ressemble à aucune autre mission précédente sur la Lune. Cela pourrait servir de modèle pour les partenariats public-privé que la NASA pourrait entreprendre à l’avenir pour obtenir un meilleur rapport qualité-prix lors de voyages interplanétaires.
“La NASA est déjà allée sur la Lune, mais je ne suis pas sûr que cela ait jamais été organisé comme ça”, a déclaré Bradley Cheetham, directeur général et président d’Advanced Space, la société qui gère la mission pour la NASA.
La couverture du lancement débutera lundi à 5 h, heure de l’Est, sur la télévision de la NASA. La fusée doit être lancée à un moment précis, à 5 h 50, pour que le vaisseau spatial soit placé sur la bonne trajectoire.
Le nom complet de la mission est l’expérience d’exploitation et de navigation de la technologie du système de positionnement autonome Cislunar. Il servira d’éclaireur pour l’orbite lunaire où une station spatiale avec équipage sera éventuellement construite dans le cadre d’Artemis. Cet avant-poste, nommé Gateway, servira de station de passage où les futurs équipages s’arrêteront avant de poursuivre leur route vers la surface lunaire.
CAPSTONE est inhabituel pour la NASA à plusieurs égards. D’une part, il est assis sur une rampe de lancement non pas en Floride mais en Nouvelle-Zélande. Deuxièmement, la NASA n’a ni conçu ni construit CAPSTONE, et ne l’exploitera pas non plus. L’agence n’en est même pas propriétaire. CAPSTONE appartient à Advanced Space, une entreprise de 45 employés située à la périphérie de Denver.
Le vaisseau spatial prend une trajectoire lente mais efficace vers la lune, arrivant le 13 novembre. Si la météo ou un problème technique fait que la fusée manque ce moment de lancement instantané, il y a des chances supplémentaires jusqu’au 27 juillet. Si le vaisseau spatial descend du au sol d’ici là, il atteindra toujours l’orbite lunaire le même jour: le 13 novembre.
La mission CAPSTONE poursuit les efforts de la NASA pour collaborer de nouvelles façons avec des entreprises privées dans l’espoir d’acquérir plus rapidement des capacités supplémentaires à moindre coût.
“C’est une autre façon pour la NASA de découvrir ce dont elle a besoin et de réduire les coûts”, a déclaré Bill Nelson, administrateur de la NASA.
Le contrat d’Advance Space avec la NASA pour CAPSTONE, signé en 2019, a coûté 20 millions de dollars. Le trajet vers l’espace pour CAPSTONE est également petit et bon marché : un peu moins de 10 millions de dollars pour un lancement par Rocket Lab, une société américano-néo-zélandaise leader dans la livraison de petites charges utiles en orbite.
“Cela va coûter moins de 30 millions de dollars en moins de trois ans”, a déclaré Christopher Baker, responsable du programme pour la technologie des petits engins spatiaux à la NASA. “Relativement rapide et relativement peu coûteux.”
“Je vois cela comme un éclaireur sur la manière dont nous pouvons aider à faciliter les missions commerciales au-delà de la Terre”, a déclaré M. Baker.
La mission principale de CAPSTONE est de durer six mois, avec la possibilité d’une année supplémentaire, a déclaré le Dr Cheetham.
Les données recueillies aideront les planificateurs de l’avant-poste lunaire connu sous le nom de Gateway.
Lorsque le président Donald J. Trump a déclaré en 2017 que l’une des principales priorités de la politique spatiale de son administration était de renvoyer des astronautes sur la Lune, les mots à la mode à la NASA étaient « réutilisable » et « durable ».
Cela a conduit la NASA à faire d’une station spatiale autour de la lune un élément clé de la façon dont les astronautes se rendraient sur la surface lunaire. Un tel site de rassemblement leur permettrait d’atteindre plus facilement différentes parties de la lune.
La première mission d’atterrissage d’Artemis, actuellement prévue pour 2025 mais susceptible d’être repoussée, n’utilisera pas Gateway. Mais les missions suivantes le feront.
La NASA a décidé que le meilleur endroit pour placer cet avant-poste serait dans ce que l’on appelle une orbite de halo quasi rectiligne.
Les orbites de halo sont celles influencées par la gravité de deux corps – dans ce cas, la Terre et la Lune. L’influence des deux corps contribue à rendre l’orbite très stable, minimisant la quantité de propulseur nécessaire pour faire tourner un vaisseau spatial autour de la lune.
Les interactions gravitationnelles maintiennent également l’orbite à un angle d’environ 90 degrés par rapport à la ligne de visée depuis la Terre. (C’est la partie presque rectiligne du nom.) Ainsi, un vaisseau spatial dans cette orbite ne passe jamais derrière la lune où les communications seraient coupées.
L’orbite que Gateway parcourra se situe à environ 2 200 milles du pôle Nord de la lune et boucle jusqu’à 44 000 milles lorsqu’elle passe au-dessus du pôle Sud. Un voyage autour de la lune prendra environ une semaine.
En termes de mathématiques sous-jacentes, les trajectoires exotiques comme une orbite de halo quasi rectiligne sont bien comprises. Mais c’est aussi une orbite où aucun vaisseau spatial n’est allé auparavant.
Ainsi, CAPSTONE.
“Nous pensons que nous l’avons très, très bien caractérisé”, a déclaré Dan Hartman, responsable du programme pour Gateway. “Mais avec cette charge utile CAPSTONE particulière, nous pouvons aider à valider nos modèles.”
En pratique, sans aucun satellite du système de positionnement global autour de la lune pour localiser des emplacements précis, il faudra peut-être quelques essais et erreurs pour déterminer la meilleure façon de maintenir le vaisseau spatial sur l’orbite souhaitée.
“La plus grande incertitude est de savoir où vous êtes”, a déclaré le Dr Cheetham. “Vous ne savez jamais dans l’espace où vous êtes. Donc, vous avez toujours une estimation de l’endroit où il se trouve avec une certaine incertitude autour d’elle.
Comme d’autres missions de la NASA, CAPSTONE triangulera une estimation de sa position à l’aide des signaux du Deep Space Network d’antennes paraboliques radio de la NASA, puis, si nécessaire, se ramènera vers l’orbite souhaitée juste après avoir passé le point le plus éloigné de la lune.
CAPSTONE testera également une méthode alternative pour trouver sa position. Il est peu probable que quiconque consacre du temps et des dépenses à la construction d’un réseau GPS autour de la lune. Mais il existe d’autres engins spatiaux, dont le Lunar Reconnaissance Orbiter de la NASA, qui tournent autour de la lune, et d’autres arriveront probablement dans les années à venir. En communiquant entre eux, une flotte d’engins spatiaux sur des orbites disparates pourrait essentiellement mettre en place un GPS ad hoc.
Advanced Space développe cette technologie depuis plus de sept ans et va maintenant tester le concept avec CAPSTONE envoyant des signaux dans les deux sens avec le Lunar Reconnaissance Orbiter. “Nous serons en mesure de déterminer où se trouvent les deux engins spatiaux au fil du temps”, a déclaré le Dr Cheetham.
Lorsqu’il a commencé à développer CAPSTONE, Advanced Space a également décidé d’ajouter une horloge atomique à l’échelle d’une puce informatique au vaisseau spatial et de comparer cette heure avec ce qui est diffusé depuis la Terre. Ces données peuvent également aider à localiser l’emplacement du vaisseau spatial.
Étant donné qu’Advanced Space est propriétaire de CAPSTONE, il avait la possibilité d’effectuer ce changement sans obtenir l’autorisation de la NASA. Et bien que l’agence collabore toujours étroitement sur de tels projets, cette flexibilité peut être une aubaine tant pour les entreprises privées comme Advanced Space que pour la NASA.
“Parce que nous avions un contrat commercial avec nos fournisseurs, lorsque nous avions besoin de changer quelque chose, cela n’avait pas à passer par un examen approfondi des responsables gouvernementaux des contrats”, a déclaré le Dr Cheetham. “Cela a aidé du point de vue de la vitesse.”
Le revers de la médaille est que, comme Advanced Space avait négocié des frais fixes pour la mission, l’entreprise ne pouvait pas se rendre à la NASA pour demander de l’argent supplémentaire (bien qu’elle ait reçu des paiements supplémentaires en raison des retards de la chaîne d’approvisionnement causés par la pandémie de Covid-19). Des contrats plus traditionnels de la NASA, connus sous le nom de «cost-plus», remboursent les entreprises pour ce qu’elles dépensent, puis ajoutent des frais – reçus à titre de profit – en plus de cela, ce qui les incite peu à garder les coûts sous contrôle.
“Au fur et à mesure que les choses se présentaient, nous devions trouver comment les gérer très efficacement”, a déclaré le Dr Cheetham.
Ceci est similaire à la stratégie réussie de la NASA consistant à utiliser des contrats à prix fixe avec SpaceX d’Elon Musk, qui transporte désormais des marchandises et des astronautes vers et depuis la Station spatiale internationale à un coût bien inférieur à celui des navettes spatiales de l’agence. Pour SpaceX, les investissements de la NASA lui ont permis d’attirer des clients non-NASA intéressés par le lancement de charges utiles et d’astronautes privés en orbite.
Jusqu’à CAPSTONE, le travail d’Advanced Space était essentiellement théorique – analyse des orbites et écriture d’un logiciel pour son GPS ad hoc – et non de construction et d’exploitation d’engins spatiaux.
L’entreprise n’est toujours pas vraiment dans le domaine de la construction d’engins spatiaux. “Nous avons acheté le vaisseau spatial”, a déclaré le Dr Cheetham. «Je dis aux gens que le seul matériel que nous construisons ici chez Advanced est Legos. Nous avons une grande collection de Lego.
Au cours des deux dernières décennies, de minuscules satellites connus sous le nom de CubeSats ont proliféré, permettant à davantage d’entreprises de construire rapidement des engins spatiaux basés sur une conception standardisée dans laquelle chaque cube mesure 10 centimètres ou quatre pouces. CAPSTONE est l’un des plus grands, avec un volume de 12 cubes, mais Advanced Space a pu l’acheter, presque sur étagère, auprès de Tyvak Nano-Satellite Systems d’Irvine, en Californie.
Cela nécessitait encore beaucoup de résolution de problèmes. Par exemple, la plupart des CubeSats sont en orbite terrestre basse, à quelques centaines de kilomètres au-dessus de la surface. La lune est à près d’un quart de million de kilomètres.
“Personne n’a piloté un CubeSat sur la lune”, a déclaré le Dr Cheetham. “Il est donc logique que personne n’ait construit de radios pour faire voler des CubeSats sur la lune. Et nous avons donc dû vraiment plonger pour comprendre beaucoup de ces détails et nous associer à quelques personnes différentes pour avoir les systèmes qui pourraient fonctionner.
M. Hartman, le responsable du programme Gateway, est enthousiasmé par CAPSTONE mais dit qu’il n’est pas essentiel d’aller de l’avant avec l’avant-poste lunaire. La NASA a déjà attribué des contrats pour la construction des deux premiers modules de Gateway. L’Agence spatiale européenne contribue également à deux modules.
“Pouvons-nous voler sans lui?” M. Hartman a dit de CAPSTONE. “Oui. Est-ce obligatoire ? Non.”
Mais il a ajouté : “Chaque fois que vous pouvez réduire les barres d’erreur dans vos modèles, c’est toujours une bonne chose.”
Le Dr Cheetham réfléchit à ce qui pourrait suivre, peut-être d’autres missions sur la Lune, soit pour la NASA, soit pour d’autres partenaires commerciaux. Il pense aussi plus loin.
“Je suis très intrigué à l’idée de savoir comment pourrions-nous faire une chose similaire sur Mars”, a-t-il déclaré. «Je suis en fait assez intéressé personnellement par Vénus aussi. Je pense qu’il n’attire pas assez l’attention.
