Programme Artémis : la Lune comme étape avant Mars

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En ce début d’année 2020 et pour la démarrer sur une note positive, je vous propose un petit article visant à synthétiser les informations concernant le programme Artémis de la NASA. Je vous invite par ailleurs à cliquer sur le lien, qui est celui de la page de présentation de leur programme et qui possède vraiment un magnifique visuel. Rien que pour cet aspect, il vaut le détour. L’agence spatiale américaine a pour ainsi dire, mis les petits plats dans les grands au niveau de la communication et c’est un véritable délice pour les yeux de tout amateur d’actualité sur les programmes spatiaux. Néanmoins, il est trop succin et modestement, je vais essayer de synthétiser, en abordant quand même plus en profondeur certains points, ce que prévoit la NASA avec cet ambitieux programme.

Le déroulé du programme Artemis phase 1 – 2020-2024 – crédits NASA

Comme vous pouvez le voir, le programme comporte plusieurs phases et doit débuter cette année et se poursuivre au moins jusqu’en 2024. L’année 2020, soit dit en passant, promet d’être une année riche en activité spatiale entre ce programme, ExoMars de l’ESA (l’agence européenne pour l’espace – petit rappel) et la Chine qui s’active sur la question également avec le lancement de Longue Marche-5 le 27 décembre 2019 (fusée spatiale) avant une mission sur Mars prévue dans l’année.

Si vous êtes un peu observateurs, vous avez sûrement remarqué ce petit détail qui en dit beaucoup sur l’infographie fournie par la NASA. La Terre d’un côté, la Lune comme théâtre des opérations et en bout de programme, tout en haut à droite, Mars. La planète rouge est le but final affiché de cette mission. Le programme Artémis est une sorte de répétition générale pour glaner de l’expérience avant le premier vol habité martien.

1 – Le menu de cet alléchant programme

La station Gateway finalisée – crédits NASA – cliquez pour agrandir

Artémis, déesse de la chasse et de la nature sauvage, était associée à la Lune dans la mythologie grecque. Le nom n’est donc pas choisi au hasard. Harrison Schmitt et Eugène Cernan, respectivement scientifique et astronaute sont, j’ai envie de dire tristement, célèbres pour être les derniers humains à avoir posé un pied sur notre cher satellite. C’était en décembre 1972 avec la mission Apollo 17… il y a déjà plus de 48 ans !

Pour la petite histoire, le programme Artémis remplace celui qui portait comme appellation le doux nom de Constellation et devait emmener sur la Lune un équipage pour… 2020. Certains éléments développés dans ce cadre seront d’ailleurs réemployés pour Artémis. La phase une (Artémis I) débutera par un premier vol inhabité, de manière à tester le vaisseau Orion, dans un vol elliptique faisant survoler le sol lunaire à une distance d’environ 200 km. 2022 sera normalement l’année de la phase deux, et sera celle du test, après le décorticage des données collectées par le précédent vol et éventuels ajustements, du vol habité de l’Orion, toujours en orbite.

Les trois vols suivants ne sont pas numérotés, mais ont pour but de mettre en place une pièce maîtresse pour l’avenir de l’exploration lunaire et spatiale : une petite station en orbite lunaire du nom de « Gateway », ce qui se traduit littéralement par passerelle. Assemblée par modules comme ce fut le cas de la station Mir puis de l’ISS, la station Gateway servira de poste avancé faisant la transition entre la Terre et la Lune. Lors de ces trois missions successives, Gateway se verra dotée tout d’abord du module de propulsion via alimentation énergétique par panneaux solaires, le SEP. Le second sera un élément pressurisé, auquel pourront s’ajouter d’autres modules de manière à accueillir les équipages lors des missions futures.

Simulation de l’orbite de la station Gateway – crédits ESA

Enfin, le dernier voyage pour équiper la station sera celui apportant le module permettant de s’y arrimer. Avec un module énergétique lui permettant d’alimenter ses systèmes et de se maintenir en orbite lunaire dite « NRHO ». Bon, c’est un peu technique, mais il faut retenir que ce n’est pas une orbite classique puisqu’elle doit jongler entre deux corps générant une attraction : la Terre et la Lune. Il s’agit d’une orbite dite « de halo« .

Elle effectuera sa révolution autour de notre astre lunaire en 6,5 jours approximativement. Le périlune (point de passage le plus proche), se fera à un environ 1500km, pour un apolune lui à près de 70000 km, beaucoup plus éloigné donc et permettant ainsi à un vol en provenance de la Terre de rejoindre la « passerelle » en seulement 5 jours.

Les astronautes sélectionnés – Artémis – crédits NASA

Elle sera à ce titre essentielle pour la phase quatre avec le vol Artémis III. Dernière étape du programme éponyme, un équipage humain sera acheminé jusqu’à la station Gateway à laquelle sera raccroché le module Orion dans un premier temps. Dans un second temps, il y aura alunissage et l’humain (un duo comprenant une femme -la première de l’histoire- et un homme) marchera de nouveau sur la lune en 2024 ! En agrandissant la troisième vignette ci-dessous, vous pourrez constater que l’objectif de ce dernier vol sera de se poser à proximité du Pôle Sud. Celui-ci, du fait de la légère inclinaison de la Lune, possède de nombreux cratères où les rayons du soleil ne frappent jamais la surface lunaire. Aussi, l’hypothèse privilégiée est actuellement qu’au fond de ces cratères se trouverait de l’eau sous forme solide. Environ 1km³ de molécules H2O seraient ainsi retenues sur notre satellite naturel, ce qui est donc très intéressant quant aux possibilités d’une base lunaire dans le futur.

Mise à jour du 15 janvier 2020 : après un processus de deux ans, mené conjointement par les Etats-Unis et le Canada via leurs agences spatiales respectives, la sélection des douze astronautes est terminée. Dix personnes ont été sélectionnées par la NASA et deux par l’Agence Spatiale Canadienne. Elles ont été présentées le 10 janvier et vous pouvez les voir dans la vidéo ci-dessus. Sept hommes et cinq femmes iront donc bientôt dans l’espace, certains sur la Lune et… je l’espère pour les plus chanceux d’entre eux et pour l’avancée de la conquête spatiale humaine, sur Mars.

Mais ce n’est pas tout, le programme Artémis ne s’arrêtera pas avec l’échéance 2024 du vol Artémis III. Il comporte une deuxième phase à compter de 2026 que j’aborderai plus en détail en fin d’article. Progressivement, la NASA veut mettre au point du matériel réutilisable qu’il suffira de recharger via la station Gateway. Celle-ci aura donc pour but de préparer l’avenir à moyen et long terme, c’est-à-dire l’exploration martienne.

2 – Les moyens mis en oeuvre

Le SLS – crédits NASAcliquez pour agrandir

Dans cette partie, sera abordé le volet technologique de cette aventure spatiale. Des techniques spécifiques ont été développées pour cette mission, d’autres je l’ai déjà mentionné, vont être réutilisées. Mais une chose est sûre, c’est un pas de plus qui est veut être fait vers la conquête de notre système solaire. Néanmoins, il est possible d’émettre des réserves sur la faisabilité d’un programme aussi ambitieux au regard du coût budgétaire. Constellation, le programme précédent pour aller sur Mars, fût avorté pour ce motif financier. Et le programme Artémis souffre lui aussi d’un manque de budget de fonds public (1,9 milliards de dollars en 2019 au lieu des 6 à 8 estimés pour une telle ambition). En gros, il risque de dépendre des partenaires privés et des sous-traitants dont certains ont déjà pris du retard ou ont déjà forcé la NASA à abandonner temporairement certaines exigences comme je l’évoquerai plus loin.

Je ne vais pas aborder toutes les modifications et améliorations technologiques qu’un programme aussi ambitieux comporte, voire a imposé aux ingénieurs de la NASA, de l’ESA et de leurs partenaires (Boeing, Lockheed Martin ou encore Airbus pour n’en citer que quelques-uns). Mais je vais en revanche me focaliser sur cinq d’entre elles.

Le lanceur spatial : comme ils diraient chez l’Oncle Sam, la « piece of cake » ! Le fameux SLS, pour Space Launch Rocket, en toute simplicité ! La NASA a vu les choses en grand : quatre moteurs RS-25 équipent l’étage principal du lanceur, culminant à un peu plus de 98 mètres (soit 5 mètres de plus que la statue de la liberté New-Yorkaise). Deux boosters de propergol solide lui sont adjoints, le tout délivrant une poussée maximale de près de 4000 tonnes de poussée (39,224 millions de kN*) en configuration basique -dite Block 1, laquelle représente déjà une puissance de 15% supérieure à celle de l’actuel lanceur, Saturn V et peut mettre en orbite jusqu’à 26 tonnes de charge utile. En configuration pour accueillir l’Orion (ou en mode « cargo », soit gros porteur), le SLS développera près de 5000 tonnes de poussée (49,030 millions de kN*) en ayant pour plus de 45 tonnes de charge utile. En bref, la NASA annonce fièrement que le SLS sera le plus puissant lanceur du monde. * kN = kilonewtons, l’unité de mesure du Système International d’une force.

Résumé du premier test effectué par la NASA sur le nouveau SLS – tout est ok !

Le lanceur SLS était déjà prévu pour le programme Constellation, qui fût abandonné faute de moyens financiers. Mais cet échec pour la NASA n’a pas empêché la continuité dans sa recherche pour avoir un lanceur très puissant et ainsi pouvoir emmener dans l’espace l’autre rescapé de cet abandon, le vaisseau Orion.

Orion, un module conjoint NASA / ESA – crédits Airbuscliquez pour agrandir

Le véhicule ou vaisseau spatial Orion : véritable vaisseau de l’équipage à lors de la mission Artémis II ainsi que dans les missions futures, il va sans dire que c’est la pièce la plus sensible. Comme un symbole montrant que le programme Artémis va au-delà d’une mission américaine, la NASA et l’ESA travaillent conjointement sur le véhicule spatial Orion. C’est la première fois qu’une telle participation à ce niveau est entreprise. Et comme on peut le voir sur l’infographie ci-contre, Airbus, en tant que l’un des partenaires principaux de l’ESA, s’est occupé d’une grosse part de la technique en travaillant sur le module de service de l’Orion. En effet, Airbus est désormais un acteur reconnu en ayant, par exemple, été l’architecte du plus gros porteur de ressources pour l’ISS.

L’Orion est conçu pour transporter un équipage humain sur des distances supérieures au voyage vers la Lune. Il possède également un système d’éjection du module d’urgence lors du tir initial depuis la Terre. En cas de problème l’équipage pourra donc se désolidariser du SLS et ainsi limiter les risques de pertes humaines des suites d’une défaillance technique. La phase de tir est toujours la plus risquée. La NASA en sait quelque chose avec la navette Challenger qui a explosé 73 secondes après son décollage en 1986.

Alimenté par panneaux solaires une fois en orbite (permettant de délivrer jusqu’à 11kW), le vaisseau Orion est prévu pour embarquer jusqu’à quatre membres d’équipage et ce pour des missions pouvant durer jusqu’à 21 jours, soit une semaine de plus qu’un module Soyouz ou Apollo. Comme ce dernier, c’est un module prévu pour un retour sur Terre avec un atterrissage en mer et non sur la terre ferme. La partie conique est le module de commande de l’Orion, celle où se trouve l’équipage physiquement, ayant un volume habitable de 8,95m³ et qui constitue la seule partie du vaisseau revenant sur Terre. Sa structure est en aluminium-lithium et son bouclier thermique, dans la lignée du module Apollo est en nid-d’abeilles rempli de résine, Boeing est le constructeur de cette partie. Il est capable de dissiper la chaleur d’une rentrée atmosphérique depuis l’ISS pour une vitesse de 27 000 km/h, mais surtout il pourra dissiper la chaleur d’une rentrée après une mission en orbite lunaire. La vitesse sera alors de 40 000 km/h et le bouclier aura la lourde tâche de résister à un échauffement thermique alors cinq fois supérieur.

Photo Crédits: (NASA/Joel Kowsky)

La propulsion de l’Orion est assurée, une fois détaché du SLS, par un moteur-fusée principal dérivé du moteur OMS qui équipait la navette spatiale américaine. Et une fois en orbite, 8 propulseurs auxiliaires et 24 petits moteurs sont présents sur le module de service pour assurer le contrôle de l’altitude. Enfin, et ce n’est pas négligeable, le module de service comprend le stockage des consommables, en particulier l’eau et de quoi renouveler l’air interne. 280 kg d’eau sont ainsi répartis en 6 réservoirs pour alimenter aussi bien l’équipage, que le système de contrôle thermique du module de l’équipage. Des résistances chauffantes permettent ainsi de chauffer une partie de cette eau et éviter le gel. Si la température sur la Lune est en « moyenne » à -23°C (-250°K), elle est surtout comprise entre +125°C (396°K) sur la face au soleil et -238°C (35°K) au plus froid dans les cratères au pôle Sud. Le record étant détenu par le cratère Hermite au pôle Nord lors du solstice d’hiver lunaire avec un joli -247°C (26°K), température la plus basse jamais mesurée dans le système solaire, battant même celles sur Pluton ! Toutefois, la tâche de l’alunissage ne sera pas dévolue au vaisseau Orion mais à un autre véhicule que j’aborderai plus loin.

Deux nouvelles combinaisons spatiales pour la mission Artémis III : si j’ai abordé la résistance au froid du vaisseau et donc du module habitable, c’est bien parce que le dernier voyage se fera vers le Pôle Sud, comme mentionné en première partie de cet article. Il va sans dire que la sortie humaine, devant se faire dans cette zone, la combinaison aussi a eu besoin d’une refonte presque totale. En fait, il s’agit même d’un jeu de deux combinaisons. La première, visible à droite, est l’OCSS – Orion Crew Survival Systeme – qui aura la fonction d’incorporer les technologies permettant la survie de l’équipage dans le module habitable de l’Orion, aussi bien le jour du lancement que lors du voyage à très haute vélocité du retour sur Terre. Il faudra donc qu’elle résiste à la fournaise de l’entrée en atmosphère à près de 40000 km/h. Elle a été présentée au Johnson Space Center de la NASA le 15 octobre 2019 par Dustin Ghomert, le manager du projet OCSS lui-même, tout comme la combinaison de sortie extra-véhiculaire (à voir tout en bas de l’article).

La combinaison xEMU – crédits NASA

La deuxième combinaison, qui existe en prototype, mais peut encore évoluer. De nombreux concepts art ont été fournis par la NASA, et elle porte le nom de Exploration Extravehicular Mobility Unit, avec pour appellation rapide xEMU. C’est cette combinaison qui doit résoudre la délicate équation de la mobilité de l’astronaute d’une part tout en assurant la survie aux températures extrêmement basses à proximité du Pôle Sud lunaire d’autre part. Sur la question mobilité, certains ont probablement déjà vu Harrison Schmidt trébucher et finir au sol en voulant ramasser une caisse sur la Lune lors de la dernière mission Apollo avec sortie extra-véhiculaire en 1972.

À cela, il ne faut pas oublier la protection aux radiations, dans l’espace et en particulier ici sur la Lune avec le phénomène de la Ceinture de Van Allen… c’est une menace directe pour un astronaute. Sans couche d’ozone pour protéger le corps humain (et respirer, mais ça c’est le plus évident), nous sommes exposés à une mort certaine en milieu spatial. Mais la véritable cerise sur le gâteau de cette combinaison, c’est d’après ce qui est nous est annoncé, son aspect « modulable ». Certaines parties seront interchangeables selon que les missions concernent des sorties extra-véhiculaires en microgravité, ou sur des surfaces planétaires (lunaires dans un premier temps). Elle pourra donc aussi bien fonctionner sur l’ISS, sur la station Gateway, sur la Lune et pour voir encore plus loin, sur Mars.

La station orbitale lunaire, Gateway : voulue pour servir de relais entre la Lune et la Terre, elle assurera dans un premier temps la transition entre le vaisseau Orion et le HLS (ci-dessous), permettant à l’équipage de passer donc d’une mission spatiale pure à une mission d’exploration de surface. Elle pourra accueillir au total un équipage de quatre personnes pour 42 jours. Son utilité ne s’arrêtera pas là puisqu’elle pourra servir par la suite de relais avec les missions « commerciales » futures. Mais surtout, elle servira de point d’accroche au futur Deep Space Transport (pdf NASA) qu’espère pouvoir finaliser l’agence spatiale américaine pour rallier Mars et sa mini lune difforme Phobos, avec un équipage humain à l’horizon 2029.

Le vaisseau d’atterrissage (sur le sol lunaire) : répond au nom tout simple de Human Landing System -HLS-. En absence d’utilisation, il aura pour base la station orbitale lunaire, la fameuse « Gateway ». En premier lieu, la NASA souhaitait que le HLS soit 100% réutilisable, mais cette exigence semblait trop difficile à atteindre pour l’échéance 2024. Aussi, elle l’a abandonnée, tirant les leçons des échecs successifs du programme Constellations puis Asteroid Retriveval and Utilization. À ce stade, le HLS n’est pas encore finalisé et l’agence spatiale américaine continue ses appels d’offres à cette fin.

3 – « Vers l’infini et au delà ! »

Comme évoqué brièvement en début d’article, le programme Artémis ne se terminera pas en 2024 et connaîtra une seconde phase à partir de 2026 et devant s’étaler au moins jusqu’en 2029. L’opinion publique étant assez frileuse sur la question de la conquête spatiale, la NASA a adopté une nouvelle approche et se tourne vers les partenaires privés en projetant des activités commerciales sur la Lune. Les Américains considèrent (dans une enquête menée pour la NASA) que l’étude du climat et de la planète est prioritaire et qu’en termes d’exploration spatiale, l’envoi de robot est bien plus plébiscité que l’envoi d’un équipage humain. De plus, la Lune ayant déjà été arpentée il y a 50 ans, le désintéressement pour notre satellite est perceptible dans les réponses données.

Partant du principe de restriction budgétaire, le privé est sollicité en lui faisant miroiter une future activité commerciale. La station orbitale lunaire par exemple, avec cette ouverture, se verrait être ravitaillée à moindre coût pour l’agence spatiale et donc pour le contribuable américain. Cette logique commerciale est directement issue de la nouvelle philosophie de l’agence spatiale, adoptée en 2010 : la « flexible path ». Consciente des contraintes financières, elle sait que désormais, elle ne pourra plus compter sur un programme public aussi ambitieux qu’Apollo, lorsque les USA et l’URSS cherchaient à asseoir leur domination y compris dans cette course à la Lune. Ce fut même une exception dans l’histoire, où deux empires ne se livraient pas à une guerre ouverte traditionnelle, mais avaient entrepris de régler le différend du rayonnement civilisationnel à travers la course technologique civile.

Mais qu’est-ce qui pourrait bien intéresser le secteur privé et donc revêtir un aspect commercial sur la Lune ou tout simplement dans l’espace ? Je vous invite tout simplement à agrandir l’infographie ci-contre. Simplement pour résumer celle-ci sur l’intérêt d’aller sur la Lune, c’est qu’on peut y trouver de l’eau sous forme de glace dans les cratères en surface ou en dessous. De plus, il est également possible à partir de cette eau, de produire de l’Helium-3 (³He). C’est tout simplement l’élément indispensable pour l’énergie du futur -la fusion nucléaire-, aussi bien pour les voyages que pour la production d’électricité d’une base lunaire ou ailleurs.

Enfin, et ce n’est pas négligeable, la Lune comporte quantité de terres rares. Lesquelles ne sont pas si rares sur Terre d’ailleurs, mais comme évoqué dans l’article sur la croissance verte de ce même blog, la Chine en a quasi le monopole d’extraction. Et surtout, les extraire sur notre planète est un véritable désastre écologique. Nous fermons les yeux, car… ces matériaux sont des éléments indispensables de bases pour la haute technologie.

Cette partie du programme porte l’acronyme de CLPS – Commercial Lunar Payload Service. De très nombreuses compagnies, de tailles variables, sont ainsi sollicitées et devraient donc, contribuer à la fois à la nécessaire évolution technologique de ces missions ainsi qu’au bon fonctionnement de la station orbitale Gateway.

La planète rouge est la finalité du programme. Son sol et son sous-sol sont scrutés, analysés, cartographiés. L’étude géologique de Mars semble mettre en évidence que de l’eau y est présente et c’est maintenant une quasi-certitude. Si nous voulons prendre pleinement possession de notre système solaire, la quatrième planète s’impose alors comme une évidence.

Kristine Davis, ingénieure travaillant sur la combinaison spatiale au NASA’s Johnson Space Center, posant avec un prototype de la nouvelle combinaison de la NASA : l’Exploration Extravehicular Mobility Unit (xEMU). Elle salue de la main et effectue une démonstration de celle-ci le mardi 15 octobre 2019 au quartier général de la NASA à Washington. La combinaison xEMU fait suite à celle utilisée durant la période du programme Apollo et celle utilisée lors des sorties extravéhiculaire autour de la station spatiale internationale ISS. Elle sera aussi bien portée par la première femme à poser le pied sur la Lune ainsi que le prochain homme qui l’exploreront conjointement dans le cadre du programme Artémis. Crédits: (NASA/Joel Kowsky)

Je mettrai l’article à jour lorsque des annonces importantes seront faites, confirmant ou infirmant le calendrier du programme. La vidéo ci-dessous est à voir même si vous êtes un peu anglophobe, et à revoir tout simplement si vous êtes un passionné d’exploration spatiale ! Elle vous permettra de bien visualiser tout ce que vous venez de lire. Et si cet article vous a intéressé en tant que synthèse de vulgarisation de cette future grande aventure humaine, n’hésitez pas à le partager (comme le reste du blog) sur les réseaux sociaux.

Vidéo de présentation du retour sur la Lune mise en ligne le 19 décembre 2019 – Crédits NASA

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