CAPSTONE : le début du retour sur la Lune pour la NASA

Ce 27 juin 2022, la fusée Electron de Rocket Lab vient de lancer un cubesat de la NASA vers la Lune : CAPSTONE. Il s’agit d’une mission précurseur à la Lunar Gateway, la future station spatiale orbitale du programme Artemis.

C’est la première mission lunaire de la NASA depuis 2013 et l’orbiteur LADEE qui a étudié l’atmosphère et la poussière de la Lune.

CAPSTONE un démonstrateur technologique en orbite lunaire NRHO

CAPSTONE pour Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment (Expérience d’exploitation et de navigation de la technologie du système de positionnement autonome cislunaire) est un cubesat fabriqué par Terran Orbital et exploité commercialement par Advanced Space à Westminster (Colorado), pour la NASA.

CAPSTONE est un cubesat 12U surmonté d’une antenne radio lui donnant une longueur totale de 50 cm sur 33 cm de large. Son envergure, panneaux solaires déployés est de 144,5 cm (crédit Terran Orbital)

CAPSTONE est passé d’une idée à un contrat financé par la NASA à la mi-2019. Le développement a été effectué sur un rythme effréné pour pouvoir être lancé en avance du programme Artemis. Le développement de la technologie de navigation de CAPSTONE est soutenu par le programme de recherche sur l’innovation dans les petites entreprises et de transfert de technologie des petites entreprises de la NASA.

Le cubesat 12U étendu, de 26 kg et de la taille d’un micro-ondes, est un démonstrateur de nouvelles technologies de navigation et pour vérifier la dynamique d’une orbite lunaire très particulière : l’orbite quasi rectiligne de halo, ou Near Rectilinear Halo Orbit, NRHO.

CAPSTONE en cours d’intégration finale (crédit NASA)

NRHO une orbite singulière

L’orbite quasi rectiligne de Halo (NRHO) se trouve à un point d’équilibre précis dans les gravités de la Terre et de la Lune et offre ainsi une stabilité pour les missions à long terme comme la Lunar Gateway, la future station spatiale lunaire, tout en ne demandant qu’un minimum d’énergie au satellite s’y trouvant pour se maintenir en orbite. CAPSTONE effectuera une petite manœuvre de maintien à poste environ une fois par semaine.

L’autre avantage de l’orbite NHRO est de fournir une « vue » dégagée de la Terre pour les communications avec les équipes au sol et aussi la couverture du pôle sud lunaire qui est l’emplacement privilégié pour les futures missions habitées sur le sol lunaire.

Le logiciel de navigation spécifique de CAPSTONE devra démontrer qu’il peut entrer sur l’orbite NHRO et la maintenir pendant au moins 6 mois.

Cette orbite amènera CAPSTONE à moins de 1 500 kilomètres du pôle nord lunaire et à 70 000 kilomètres du pôle Sud. Chaque orbite de la lune durera environ six jours et demi.

Des liaisons avec le satellite LRO (Lunar Reconnaissance Observer) de la NASA en orbite lunaire sont prévues afin de démontrer une liaison croisée unique en son genre selon la NASA. Cette démonstration de liaison croisée verra CAPSTONE envoyer un signal de télémétrie à LRO et LRO la renverra à CAPSTONE où il sera transformé en une mesure radiométrique et utilisé dans le logiciel CAPS à bord pour estimer l’état des deux orbiteurs, et surtout déterminer leurs postions relatives à la Lune sans un relais exclusif vers la Terre.

Principe du système de positionnement autonome autour de la Lune, CAPS, par Advanced Space

CAPSTONE n’ira pas directement sur la Lune mais suivra à la place un «transfert lunaire balistique» qui la fera sortir jusqu’à 1,5 million de kilomètres avant de retourner en orbite lunaire. Ce transfert, qui prendra environ quatre mois, est conçu pour économiser le propulseur, ce qui rend la mission réalisable pour un si petit vaisseau spatial

Une première mission en dehors de l’orbite basse pour Electron

Electron était jusqu’à présent dédié à lancer des satellites sur orbite basse. CAPSTONE est la première mission pour l’entreprise américaine dont le site de lancement est situé en Nouvelle-Zélande (avant l’ouverture d’un site à Wallops en Virginie aux Etats-Unis) au-delà de cette orbite.

A cet effet, le lanceur Electron est équipé d’un nouvel étage supérieur Lunar Photon pour l’insertion en orbite de transfert vers la Lune.

L’étage supérieur Photon surmonté de CAPSTONE avant installation sur le lanceur (crédit Rocket Lab)

Environ 9 minutes après le décollage [étape 2 du schéma ci-après], le deuxième étage d’Electron se sépare de Photon, plaçant le « bus » et sa charge utile CAPSTONE sur une première orbite basse à une altitude de 165 km. Puis Photon circularisera l’orbite à 250 km d’altitude [3].

Depuis cette orbite de stationnement initialle, le moteur HyperCurie de Photon s’allumera plusieurs fois sur 5 jours pour élever l’orbite et que celle-ci devienne de plus en plus elliptique [4]. Six jours après le lancement, HyperCurie s’allumera une dernière fois, accélérant Photon vers 39 500 km/h (ou 11 km/s) lui permettant d’échapper à l’orbite terrestre basse et de mettre CAPSTONE sur une trajectoire vers la Lune [5]. Vingt minutes après, Photon libérera CAPSTONE dans l’espace pour la première étape du vol solo du CubeSat [6]. La précision de l’injection est critique pour le succès de la mission.

Les différentes séquences du vol de CAPSTONE (crédit Rocket Lab)

Transfert lunaire balistique

Le vol vers l’orbite lunaire commence par 72 heures critiques pendant lesquelles CAPSTONE s’allumera, démarrera, obtiendra une solution de navigation et exécutera sa première manœuvre. Ce début de transfert est très important car il contribuera à avoir une trajectoire très efficace qui utilise la gravité solaire pour se rendre vers NRHO tout en nécessitant très peu de carburant. Cette phase du vol s’appelle le transfert lunaire balistique : à partir de l’injection par le lanceur, CAPSTONE se rendra à environ 1,5 million de km de la Terre, plus de 3 fois la distance Terre-Lune [8].

Le voyage de CAPSTONE vers NRHO devrait durer environ quatre mois, ponctué de plusieurs manœuvres de correction de trajectoire [entre 7 et 8].

Une fois inséré avec succès dans l’orbite NRHO [9], CAPSTONE devrait y rester pendant au moins six mois, permettant à la NASA d’étudier la dynamique de l’orbite [10].

On suivra la mission sur le blog, bien évidemment !

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