Objectif Lune : la première mission Artemis

Le programme des nouvelles missions lunaires de la NASA s’appelle Artemis. Nommé depuis la déesse grecque, sœur d’Apollon, en référence au programme Apollo qui a vu les premiers pas d’Hommes sur la Lune, le programme Artemis est toutefois très différent de son ancêtre.

La première mission Artemis 1 sera une mission sans équipage mais constitue le retour d’un vaisseau habitable en dehors de l’orbite terrestre depuis 1972 !

Artemis 1 est le premier test intégré des systèmes d’exploration de l’espace lointain de la NASA : le vaisseau spatial lunaire Orion, la fusée Space Launch System (SLS) et les systèmes au sol du Kennedy Space Center en Floride. Premier vol d’une série de missions de plus en plus complexes.

La première partie du vol d’Artemis 1 (Crédit NASA)

Pendant ce vol, Orion sera lancé au sommet de la fusée la plus puissante à ce jour (plus puissante que Saturn V des missions Apollo). Le vaisseau ira plus loin que n’importe quel vaisseau spatial habité jusqu’à maintenant. En effet, le vaisseau ira 64 000 km au-delà de la face cachée de la Lune, soit 48 000 km de plus que l’orbite d’Apollo 13. En tout lors de la mission, il devrait parcourir 450 000 kilomètres environ au-delà de la surface terrestre et parcourir plus de 2 millions de kilomètres.

Le déroulé attendu du vol Artemis 1

Synthèse de la mission Artemis 1 (crédit ASC)

L’aller – de 5 à 7 jours

  • Étape 1 : Après un décollage tonitruant grâce aux 4 moteurs puissants et aux boosters du SLS, le lanceur atteindra le Max Q, soit le moment de la plus grande pression atmosphérique à T +90 secondes.
    Les propulseurs solides se sépareront après environ 2 minutes et l’étage central et les RS-25 épuiseront leur carburant après environ 8 minutes.
    Après avoir largué les boosters, les panneaux de protection du module de service et le système d’abandon de lancement, les moteurs de l’étage central s’arrêteront et l’étage central se séparera du vaisseau spatial, laissant Orion attaché à l’étage de propulsion cryogénique provisoire (ICPS).
    Orion déploiera ensuite ses panneaux solaires et fera une orbite autour de la Terre
Séquence de lancement Artemis 1 jusqu’à la séparation du vaisseau Orion (crédit NASA)
  • Étape 2 : L’ICPS donnera à Orion la grande poussée dont il a besoin pour quitter l’orbite de la Terre et se diriger vers la Lune. C’est l’insertion translunaire. Cette manœuvre cible précisément un point sur la Lune qui guidera Orion assez près pour être capturé par la gravité de la Lune.
  • Étape 3 : Orion se séparera de l’ICPS environ 2 heures après le lancement. L’ICPS déploiera ensuite 10 petits satellites [voir plus bas]. Alors qu’Orion continue sur son chemin de l’orbite terrestre à la Lune, il sera propulsé par le module de service ESM (European Service Module, fourni par l’ESA) qui corrigera les trajectoires au besoin.
    Le voyage aller vers la Lune prendra plusieurs jours (environ 6), pendant lesquels les ingénieurs évalueront les systèmes d’Orion.
  • Étape 4 : Orion volera à environ 97 kilomètres au-dessus de la surface de la Lune à son approche la plus proche.

L’orbite rétrograde autour de la Lune – de 6 à 16 jours

  • Étape 5 : Orion utilisera la force gravitationnelle de la Lune pour se propulser dans une orbite rétrograde éloignée, parcourant environ 64 000 kilomètres après la Lune. 
  • Étape 6 : Orion fait une révolution et demie autour de la Lune à environ 70 000 km de distance.
  • Étape 7 : Orion allume ses moteurs pour se rapprocher de la Lune et un deuxième survol.

Le retour – de 6 à 19 jours

  • Étape 8 : Survol de la Lune à plus de 100 km d’altitude. Orion effectuera ensuite une autre assistance gravitationnelle de la Lune en allumant ses moteurs précisément au bon moment pour exploiter la gravité de la Lune. Il se désorbitera et accélérera en direction de la Terre
  • Étape 9 : Trajet vers la Terre.
  • Étape 10 : Rentrée atmosphérique et amerrissage dans le Pacifique.

Un amerrissage comme Apollo

Lorsque Orion reviendra sur Terre après la mission Artemis I, il utilisera une manœuvre de rentrée qu’aucun vaisseau spatial habité (habitable ici) n’a jamais tentée : une entrée en saut (mais Chang’e5 par exemple). Orion entrera dans la haute atmosphère terrestre, puis « sautera » à l’aide des frictions de l’atmosphère et de l’ascenseur de la capsule, et enfin rentrera dans l’atmosphère pour sa descente finale.

Une entrée en rebond offre plusieurs avantages, y compris un site d’atterrissage plus précis et qui ne dépend pas de la date ou du point de départ de la Lune. Il diminue également les forces G auxquelles les astronautes sont soumis lors de leur rentrée. Et, du point de vue du transfert de chaleur, il divise la chaleur de la rentrée en deux événements, améliorant la sécurité des astronautes.

Orion entrera dans l’atmosphère terrestre en voyageant à environ 40 000 km/h. L’atmosphère terrestre ralentira le vaisseau spatial à une vitesse d’environ 480 km/h, produisant des températures d’environ 2800°C, un bon test pour des performances du bouclier thermique [lire Le nouveau vaisseau lunaire : Orion].

Une fois que le vaisseau spatial aura franchi cette phase de chauffage extrême du vol, le couvercle de la baie avant qui protège ses parachutes sera largué. Les 2 parachutes de freinage d’Orion se déploient d’abord, à 7 600 mètres, et en une minute ralentissent Orion à environ 160 km/h avant d’être largués. Ils sont suivis de trois parachutes pilotes qui sortent les trois parachutes principaux qui ralentiront la descente d’Orion à moins de 32 km/h. Le vaisseau spatial effectuera un amerrissage précis à la vue du navire de récupération au large des côtes de San Diego.

Orion Underway Recovery Tests 3 & 4
Test de récupération 3 de la capsule Orion.
Les membres de l’équipe de récupération travaillent sur une version de test d’Orion dans l’océan Pacifique. Une équipe combinée de la NASA et de la marine américaine pratique des techniques de récupération au large des côtes de la Californie au cours de la semaine – d’abord avec une grue à bord du USS Salvor de la Marine, puis en utilisant le pont de puits de l’USS Anchorage (crédit photo : NASA)

Le concept n’est pas nouveau, mais la technologie de guidage et de navigation et la puissance de calcul nécessaire pour l’utiliser n’existaient pas à l’époque d’Apollo.

Avec une date de décollage au 29 août, le retour sur Terre aurait lieu le 10 octobre, soit après une mission de 42 jours.

Avec un décollage au 3 septembre, le retour sur Terre aurait lieu le 11 octobre, soit une mission de 38 jours. Le premier survol de la Lune interviendrait à J+6 (le 9 septembre à 0h39 UTC) et le second à J+32 (le 5 octobre 21h16 UTC).

Les principaux objectifs du test en vol Artemis I sont de démontrer les performances du bouclier thermique de la capsule Orion dans les conditions de rentrée d’une orbite lunaire (beaucoup plus contraignant que depuis une orbite comme l’ISS), de démontrer les opérations et les installations pendant toutes les phases de la mission et de récupérer le vaisseau spatial après l’amerrissage, avec en ligne de mire le vol Artemis 2 avec cette fois-ci un équipage à bord d’Orion.

Sans équipage mais avec des charges utiles à bord

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Orion en haut du SLS sur le pas de tir LC-39B le 26/08/2022 (crédit NASA/Bill Ingalls)

Des mannequins et des instruments dans Orion

Il n’y a pas d’équipage à bord du vaisseau Orion pour cette première mission mais des passagers un peu spéciaux : 3 mannequins.

Nommé d’après le non d’Arturo Campos, ingénieur électricien qui a contribué à sauver l’équipage d’Apollo 13, le mannequin Moonikin Campos occupera le siège du commandant pendant la mission Artemis 1. Il porte la combinaison de vol orange vif appelée Orion Crew Survival System (OCSS).

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Une vue de Moonikin Campos sécurisé dans un siège à l’intérieur du module d’équipage Orion Artemis I au sommet du SLS au Vehicle Assembly Building au Kennedy Space Center de la NASA en Floride le 3 août 2022 (crédit photo : NASA / Frank Michaux)

Cette combinaison spatiale, dérivée de celle des navettes Spatiales, comporte de nombreuses améliorations (ergonomie, gants tactiles, casque plus léger, etc.). Ces combinaisons seront adaptées sur mesure à chaque membre d’équipage et pourront accueillir des astronautes de toutes tailles.

Elle sera portée à l’intérieur du vaisseau spatial Orion principalement pour le lancement et la rentrée atmosphérique, la combinaison Orion peut garder les astronautes en vie si la capsule devait perdre la pression dans la cabine pendant le voyage vers la Lune, lors des ajustements d’orbites vers la Lunar Gateway ou sur le chemin du retour. Les astronautes pourraient survivre avec la combinaison jusqu’à six jours pour un retour sur Terre. Les combinaisons sont également équipées d’équipements de survie dans le cas où l’équipage devrait quitter Orion après l’amerrissage avant l’arrivée du personnel de récupération : un gilet de sauvetage qui contient une balise de localisation personnelle, un couteau de sauvetage, un kit de signalisation avec miroir, lumière stroboscopique, lampe de poche, sifflet et bâtons lumineux. La couche de revêtement externe est orange afin de rendre les membres d’équipage facilement visibles dans l’océan s’ils ont besoin de quitter Orion sans l’aide du personnel de récupération.

Campos sera équipé de nombreux capteurs pour recueillir des données sur ce que vivrait un astronaute pendant le vol, et de deux capteurs de rayonnement et disposera de capteurs supplémentaires sous son appui-tête et derrière son siège pour enregistrer les données d’accélération et de vibration tout au long de la mission.

Helga et Zohar, accompagnent Moonikin Campos dans le cadre de la collaboration de la NASA avec l’Agence spatiale israélienne (ISA) et le Centre aérospatial allemand (DLR). Ce sont des torses féminins fabriqués à partir de matériaux qui imitent les os humains, les tissus mous et les organes (les femmes semblent avoir une plus grande sensibilité aux effets du rayonnement spatial).

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Deux mannequins, Helga et Zohar, sont installés dans les sièges passagers à l’intérieur du module d’équipage Orion Artemis I au sommet du SLS dans le VAB au Kennedy Space Center de la NASA en Floride le 8 août 2022 (crédit photo: NASA / Frank Michaux)

Une fois que les astronautes s’aventurent au-delà de l’atmosphère protectrice de la Terre et du champ magnétique, ils peuvent être exposés aux particules chargées de haute énergie des rayons cosmiques galactiques et aux particules solaires. Les conséquences sur la santé des astronautes, notamment à long terme, sont encore assez mal connues.

Zohar testera un gilet de radioprotection (AstroRad) dans le cadre de l’étude Matroshka AstroRad Radiation Experiment (MARE). A l’aide de milliers de capteurs, les scientifiques pourront étudier les niveaux de rayonnement reçus par les 2 mannequins et l’efficacité du gilet.

La capsule transportera également plusieurs instruments pour étudier l’environnement de rayonnement de l’espace lointain qui est présent pour des missions lunaires et au-delà.

  • Radiation Area Monitor (RAM)
    6 détecteurs passifs de la taille d’une boîte d’allumettes qui enregistreront la dose de rayonnement totale de l’environnement de la capsule pendant la mission. Ses données seront analysées au retour sur Terre.
  • Hybrid Electronic Radiation Assessor (HERA)
    Un détecteur de rayonnement qui mesurera les particules chargées qui traversent ses capteurs. En tant qu’instrument actif, il sera connecté au circuit électrique et pourra envoyer ses données sur Terre pendant le vol. Lors des missions avec équipage, HERA fera partie du système de sécurité du vaisseau et émettra un avertissement dans le cas d’un événement de particules énergétiques solaires, informant l’équipage pour se mettre à l’abri. HERA est actuellement en test aussi à bord de la Station Spatiale Internationale.
  • ESA Active Dosimeters
    5 dosimètres fournis par l’ESA de la taille d’un jeu de cartes sont montés à l’intérieur de la cabine et équipés de plusieurs capteurs qui couvrent une large gamme d’énergies provenant des rayonnements ionisants dans l’espace. Ils enregistreront des données sur l’environnement de rayonnement à l’intérieur de la capsule en temps réel avec un horodatage pour permettre aux scientifiques de voir les débits de dose de rayonnement pendant diverses phases de mission, ainsi que la dose totale de mission. Ces dosimètres ont été testés dans l’ISS
  • Etudes en biologie
    Orion transporte également une charge utile appelée Biological Experiment-01 contenant 4 expériences de biologie spatiale. Elles examineront les effets de l’environnement de l’espace lointain sur la valeur nutritionnelle des graines, la réparation de l’ADN des champignons, l’adaptation de la levure et l’expression génique des algues pendant le voyage autour de la Lune. Les analyses seront effectuées après retour sur Terre.
  • Callisto
    Callisto est une démonstration technologique développée par Lockheed Martin, Amazon et Cisco. Callisto est destinée à montrer comment la technologie commerciale pourrait aider les futurs astronautes dans les missions dans l’espace lointain. La charge utile est située sur la console centrale d’Orion et comprend une tablette qui testera le logiciel de visioconférence Webex de Cisco pour transmettre la vidéo et l’audio du Centre de Mission du Centre Johnson de la NASA à bord d’Orion, et comment l’assistant virtuel Alexa (adapté pour le vol spatial) peut répondre à l’audio transmis.
Callisto à bord d’Orion Artemis 1 (crédit David Limp/Amazon)

Dix cubesats sur le lanceur

Dix charges utiles secondaires, des cubesats, ont été installées sur l’Orion Stage Adapter (OSA, ou étage adaptateur d’Orion, interface lanceur pour accueillir le vaisseau).

Les Cubesats seront déployés à partir de l’OSA à des endroits stratégiques après la séparation d’Orion de la NASA et à une distance de sécurité du vaisseau.

Illustration de la position des 10 cubesats embarqués sur l’OSA d’Artemis 1 et de la séquence de déploiement (crédit NASA)

Les 10 cubesats et leurs objectifs scientifiques :

  • Lunar IceCube – Morehead State University, Morehead, Kentucky.
    Recherche d’eau sous toutes ses formes et autres volatiles avec un spectromètre infrarouge.
  • LunaH-Map – Arizona State University, Tempe, Arizona.
    Création de cartes de grande résolution de la présence d’hydrogène proche de la surface dans les cratères et autres régions ombragées en permanence du pôle Sud lunaire avec des spectromètres à neutrons.
  • LunIR – Lockheed Martin, Denver, Colorado.
    Effectuer une imagerie infrarouge avancée de la surface lunaire.
  • OMOTENASHI – JAXA, Japon
    Développer le plus petit atterrisseur lunaire du monde et étudier l’environnement lunaire.
  • CuSP – Southwest Research Institute, San Antonio, Texas.
    Mesurer les particules et les champs magnétiques comme station météorologique spatiale.
  • BioSentinel – Ames Research Center, Silicon Valley, Californie.
    Utilisation de levure unicellulaire pour détecter, mesurer et comparer l’impact du rayonnement dans l’espace lointain sur les organismes vivants sur une longue période de temps.
  • ÉQUULEUS – Université de Tokyo / JAXA, Japon.
    Imaginer la plasmasphère de la Terre pour une meilleure compréhension de l’environnement de rayonnement de la Terre depuis le point de LaGrange 2 Terre/Lune.
  • NEA Scout – Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama.
    Voyager en voile solaire vers un astéroïde proche de la Terre et prendre des photos et d’autres caractérisations de sa surface.
  • ArgoMoon – Agence spatiale italienne (ASI), ArgoTec, Italie.
    Observer l’étape de propulsion ICPS avec une optique avancée et un système d’imagerie logicielle
  • Team Miles – Tampa, Floride.
    Démontrer la propulsion à l’aide de propulseurs plasma sur un cubesat 6U.
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Les 10 cubesats de la mission Artemis 1 sont installés à l’intérieur de l’OSA (Orion Adapter Stage) au Kennedy Space Center de la NASA en Floride le 5 août 2021. L’adaptateur en forme d’anneau sera connecté à l’étage ICPS, et le vaisseau spatial Orion sera fixé sur le dessus (crédit NASA / Cory Huston)

Deux mascottes

Il y aura aussi 2 mascottes à bord d’Orion : Shaun le Mouton et Snoopy. Ils serviront d’indicateurs de gravité zéro : ils se mettent à flotter lorsqu’un vaisseau spatial a atteint l’orbite et donc la microgravité.

Snoopy est un habitué des missions spatiales. L’auteur Charles Shulz des comics Peanuts a créé des bandes dessinées de Snoopy sur la Lune pour encourager l’initiative de sécurité des vols spatiaux de la NASA à l’époque d’Apollo. En mai 1969, l’équipage d’Apollo 10, les astronautes Gene Cernan, John Young et Thomas Stafford, a nommé le module lunaire « Snoopy » et le module de commande  » Charlie Brown », d’après le fidèle propriétaire de Snoopy. Le premier vol vers l’espace de Snoopy a eu lieu en 1990 lors d’un vol avec la navette spatiale Columbia pendant la mission STS-32.

Aujourd’hui, le partenariat avec la NASA se poursuit. Pour le vol de Snoopy sur la mission Artemis I, il sera équipé d’une combinaison de vol orange personnalisée avec des gants, des bottes et un patch NASA. Peanuts publie une nouvelle suite de programmes et de courtes vidéos avec son partenaire, GoNoodle, pour encourager les enfants à en apprendre davantage sur la gravité, le travail d’équipe et l’exploration spatiale pendant qu’ils suivent Snoopy au cours de son voyage sur Artemis I.

Shaun le Mouton, le héros d’un dessin animé, a été sélectionné par l’ESA comme premier astronaute européen en route vers la Lune.

Selon le Site Web dédié de l’ESA, « Pour préparer son aventure épique, Shaun a participé à un programme de formation d’astronautes, voyageant dans divers endroits à travers l’Europe et les États-Unis pour connaître son vaisseau spatial et les étapes de sa mission. Il a également effectué un vol sur l’Airbus ‘Zero G’ A310 qui recrée des conditions d’apesanteur similaires à celles vécues dans l’espace » [lire J’ai testé le vol parabolique « Zéro G » avec Novespace et le CNES]

Quatre figurines LEGO voleront également à bord d’Orion, emballées avec d’autres souvenirs sélectionnés par la NASA pour voler sur Artemis I, pour connecter et engager davantage les enfants, grâce notamment à «Build to Launch», une série d’apprentissages numérique (en anglais) de 10 semaines explorant la technologie, les concepts STEM et les carrières derrière de l’agence.

On reparlera bien sûr de la mission après le décollage. Si la météo par exemple était mauvaise, il faudra attendre le 2 septembre pour une autre opportunité de lancement [lire Artemis 1 : Les dates de lancement du SLS].

Les prochaines années vont être passionnantes 🚀🌑

2 réflexions sur “Objectif Lune : la première mission Artemis

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