Programme Artemis

Programme Artemis
Description de l'image Artemis Logo NASA.png.
Description de l'image Lunar Orbital Platform-Gateway with approaching Orion spacecraft.jpg.
Données générales
Pays Drapeau des États-Unis États-Unis
Agence National Aeronautics and Space Administration
Objectifs Exploration de la Lune
Statut En développement
Données techniques
Lanceurs Space Launch System
Bases de lancement Complexe de lancement 39, Centre spatial Kennedy
Historique
Début
1er lancement 2021 (prévu)
1er lancement habité 2023 (prévu, mission Artemis II)
Résultats
Programme spatial américain habité

Le programme Artemis est un programme spatial habité de la NASA, l'agence spatiale américaine, dont l'objectif est d'amener un équipage sur le sol lunaire d'ici 2024. À l'instigation du président américain Donald Trump, la date du retour de l'homme sur la Lune, que la NASA avait fixée à 2028 sans programmation clairement définie, a été avancée de quatre ans en avec des objectifs qui ont été précisés, donnant naissance au programme Artemis. Celui-ci doit déboucher sur une exploration durable de notre satellite c'est-à-dire l'organisation de missions régulières dont l’aboutissement serait l'installation d'un poste permanent sur la Lune. Le programme doit également permettre de tester et de mettre au point les équipements et procédures qui seront mis en œuvre au cours des futures missions avec équipage à la surface de la planète Mars. La réalisation des missions du programme Artemis nécessite le développement de plusieurs engins spatiaux : le lanceur lourd Space Launch System (SLS), le vaisseau spatial Orion, dont la réalisation a débuté dans les années 2010 mais est marquée par des dérapages budgétaires et calendaires réguliers, un vaisseau lunaire entièrement nouveau Human Landing System (HLS), chargé d'emporter les hommes sur le sol lunaire, et des missions robotiques, chargées de réaliser des reconnaissances et des études scientifiques complémentaires. L'architecture des missions repose sur la future station spatiale Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G) qui, placée en orbite autour de la Lune, servira de relais entre la Terre et la surface de la Lune.

Pour remplir les objectifs ambitieux du programme Artemis dans le délai très court qui lui est imposé, la NASA sous-traite de manière particulièrement marquée la conception de composants importants (vaisseau lunaire HLS, modules de la station spatiale LOP-G, atterrisseurs des missions robotiques) ainsi que les prestations de lancement de ces engins et de ravitaillement de la station spatiale. En , le développement du HLS est confié à la société SpaceX, qui proposait une version de son Starship. Selon le programme établi en , Artemis III, lancée en 2024, sera la première mission qui amènera un équipage mixte de deux astronautes sur la Lune pour un séjour d'une durée de six jours et demi. À compter de 2026 doivent être menées des missions caractérisées par des séjours plus longs, un équipage au sol de quatre personnes au lieu de deux, davantage d'équipements permettant d'étoffer le retour scientifique. Le vaisseau lunaire sera alors partiellement réutilisable. Les sites d'atterrissage retenus pour toutes ces missions se situent au pôle Sud de la Lune car les réserves de glace d'eau présentes dans les cratères perpétuellement à l'ombre présentent un intérêt stratégique dans la perspective de missions de longue durée.

L'équipage d'une mission Artemis à la surface de la Lune près du pôle sud (vue d'artiste).

Outre son délai très serré, le projet rencontre un problème budgétaire similaire à celui qui avait été fatal en 2009 au programme Constellation qui poursuivait les mêmes objectifs. Courant 2019, une ligne budgétaire de 1,6 milliard de dollars est allouée à la NASA pour le projet alors que 5 à 7 milliards US$ par an seront nécessaires entre 2021 et 2025 pour développer la première phase du programme.

Contexte

Depuis la mission habitée Apollo 17 de 1972, dernière mission du programme Apollo de la NASA, plus aucun astronaute ne s'est éloigné de plus de quelques centaines de kilomètres de la Terre. L'agence spatiale américaine réalise depuis cette époque des études sur le scénario d'une mission habitée vers Mars, mais aucun planning précis n'a pu jusque là être défini pour ce projet dont les coûts sont supérieurs d'un ordre de grandeur à celui du programme lunaire. Les dirigeants américains de leur côté ont initié, au cours des décennies qui ont suivi le programme Apollo, plusieurs programmes habités ambitieux à destination de l'espace lointain (c'est à dire au delà de l'orbite terrestre basse), mais ceux-ci ont toujours échoué faute de moyens et d'une véritable volonté politique. Ces projets avortés sont dans l'ordre chronologique la Space Exploration Initiative de George H. W. Bush (1989), le programme Constellation de George W. Bush (2004) et le Flexible Path (2010) dont la première mission, l'Asteroid Retrieval and Utilization, a été annulée en 2017.

Programme Constellation (2004-2009)

Le programme Constellation est la tentative la plus aboutie de ramener des hommes à la surface de la Lune. Vue d'artiste du vaisseau Altair étudié pour ce programme.

Le , pour le 20e anniversaire de l'atterrissage d’Apollo 11, le président des États-Unis George H. W. Bush lance un programme spatial ambitieux sur 30 ans, le Space Exploration Initiative (SEI)[1], qui doit permettre l'installation d'une base permanente sur la Lune. Mais son coût, l'absence de soutien dans l'opinion publique et les fortes réticences du Congrès font échouer le projet. En 2004, son fils, le président George W. Bush, rend publics les objectifs à long terme qu'il souhaite assigner au programme spatial américain alors que l'accident de la navette spatiale Columbia vient de clouer au sol une flotte de navettes spatiales vieillissantes et que le sort de la Station spatiale internationale, dont l'achèvement approche, est en suspens. Le projet présidentiel Vision for Space Exploration veut replacer l'Homme au cœur de l'exploration spatiale : le retour d'astronautes sur la Lune est programmé avant 2020 pour une série de missions destinées à préparer une éventuelle présence permanente de l'homme sur le sol lunaire et mettre au point le matériel nécessaire à de futures missions habitées sur Mars fixées à une échéance beaucoup plus lointaine[2],[3]. Cette fois-ci, l'opinion comme le Congrès sont favorables au projet : le programme Constellation est alors mis sur pied par la NASA pour répondre aux attentes présidentielles. Il prévoit la construction de deux types de lanceur, Ares I et Ares V, ainsi que, de manière similaire au programme Apollo, deux vaisseaux habités, Altair et Orion[4]. La NASA utilise, en les adaptant, des moteurs-fusées développés pour la fusée Saturn V, les propulseurs à poudre de la navette spatiale ainsi que de nombreuses installations au sol remontant à l'époque du programme Apollo. Mais le programme prend du retard et se heurte à un problème de financement qui, selon les plans initiaux, doit s'effectuer sans augmentation substantielle du budget global de la NASA[5]. À la suite de son investiture, le président américain Barack Obama fait expertiser le programme Constellation par la commission Augustine, créée à cet effet le . Celle-ci conclut qu'il manque trois milliards de dollars par an pour atteindre les objectifs fixés[6], mais confirme l'intérêt d'une seconde exploration humaine de la Lune comme étape intermédiaire avant une mission habitée vers Mars[7]. Début , le président Obama annonce l'annulation du programme Constellation, qui est confirmée par la suite[8],[9].

Flexible Path : Mars en plusieurs étapes (2010)

Malgré l'arrêt du programme Constellation, la NASA décide de poursuivre le développement du lanceur lourd Space Launch System (SLS) et du vaisseau spatial interplanétaire Orion. Ces engins spatiaux doivent être utilisés pour réaliser des missions interplanétaires d'une complexité croissante dans le but ultime de déposer des hommes sur Mars. La stratégie ainsi définie, baptisée « Flexible Path », est beaucoup plus progressive que ce qui a été envisagé dans les projets martiens antérieurs. Avant de poser l'homme sur Mars, il est prévu de mener des missions autour de la Lune, sur des astéroïdes proches puis sur la lune martienne Phobos pour mettre au point les matériels et gagner en expérience. Les premières missions de SLS et Orion à destination de l'espace cis-lunaire sont progressivement définies au cours des années suivantes. Toutefois la stratégie d'exploration du système martien proprement dit reste vague[10].

Mission avortée Asteroid Retrieval and Utilization (2012-2017)

La première mission du programme Flexible Path est l'envoi d'un équipage à la surface d'un astéroïde géocroiseur : l'Asteroid Retrieval and Utilization (ARU) doit combiner l'étude in situ de cet objet et tester les nouveaux équipements, notamment en déplaçant une roche de quatre mètres de diamètre située à la surface de l'astéroïde pour la placer sur une orbite lunaire[10]. Toutefois, en interne à la NASA comme au Congrès des États-Unis, peu de personnes soutiennent cette mission et celle-ci est finalement annulée en [11]. Cette annulation replace la Lune au cœur du programme spatial habité.

Analyse des raisons de l'échec des projets lunaires et martiens antérieurs

Plusieurs raisons expliquent les échecs répétés des projets de missions lunaires et martiens[12].

  • Il n'y a pas de justification économique à de telles missions. Une mission robotique, certes moins agile, permet d'explorer l'espace lointain à un coût cent fois moins élevé et sans risquer la vie d'un équipage. La justification avancée pour une mission habitée - c'est dans la nature de l'homme d'explorer et d'étendre son horizon - est faible si on la rapproche de ses implications financières.
  • Les Américains qui soutiennent ces projets sont minoritaires. Les sondages récents, qui rejoignent des analyses antérieures, montrent que seulement un quart des américains considèrent comme important ou très important l'envoi d'hommes sur la Lune ou sur Mars. Une large majorité considère que les priorités vont à la protection de la Terre contre l'impact d'un astéroïde, l'étude de notre planète et l'exploration du système solaire par des missions robotiques.
  • Une mission habitée vers Mars est un objectif très ambitieux sur le plan financier et technologique. Pour illustrer cette complexité, l'astronaute Don Petitt cite le fait que si les toilettes ne fonctionnaient plus à bord de la Station spatiale internationale, la NASA peut envoyer une pièce de rechange, tandis que si le même incident se produit sur Mars il entraîne la mort de l'équipage.
  • Une mission lunaire de son côté constitue aux yeux de beaucoup d'Américains un objectif présentant peu d'intérêt dans la mesure où il s'agit seulement de renouveler à un coût élevé une réalisation remontant déjà à plus de 50 ans.
  • Les différents acteurs impliqués dans le programme spatial ont des vues divergentes qui freinent la réalisation de projets de grande envergure. La Maison-Blanche est favorable à un programme ambitieux mais elle dépend du Congrès américain pour obtenir le budget. Ce dernier est souvent hostile à des dépenses aussi importantes dans le domaine spatial. Certains de ses membres sont guidés par des objectifs purement électoraux (créer de l'emploi dans leur circonscription) comme le sénateur républicain de l'Alabama Richard Shelby qui contrôle de facto le budget de la NASA. Les différents établissements de la NASA sont eux-mêmes en conflit entre eux pour préserver leur budget et leur pouvoir au sein de l'agence spatiale. Enfin les grands industriels du spatial (Boeing, Orbital ATK, Aerojet Rocketdyne) font jouer leurs appuis au Congrès de manière à préserver leur activité éventuellement en contradiction avec les objectifs de l'agence spatiale. Les acteurs du NewSpace (SpaceX, Blue Origin...) tentent également d'influencer les décideurs au mieux de leurs intérêts financiers.

Développement récent du programme lunaire habité

Regain d'intérêt des puissances spatiales pour la Lune

La Russie annonce au milieu de la décennie 2010 qu'elle projette de développer une station orbitale lunaire, la Lunar Orbital Station et d'envoyer des hommes à la surface de la Lune à l'horizon 2030 en utilisant le vaisseau Federatsia en cours de développement. De son côté l'Agence spatiale européenne lance en 2015 l'idée d'un village lunaire, c'est-à-dire d'une base permanente sur la Lune développée par l'ensemble des nations spatiales. La Chine, dont les réalisations spatiales progressent à grands pas, envisage depuis 2017 de débarquer des hommes à la surface de la Lune au cours de la décennie 2030[13].

Station spatiale lunaire Deep Space Gateway (2017)

En avril 2017, la NASA précise la stratégie de son programme spatial habité dans la perspective de l'abandon de la Station spatiale internationale qui est frappée d'obsolescence à moyen terme. Elle annonce le développement d'une station spatiale placée en orbite lunaire baptisée Deep Space Gateway (DSG). Celle-ci pourra accueillir des équipages pour une durée de 42 jours. Elle comprendra un module d'habitation, un module de propulsion et peut être un module servant de sas. La DSG sera assemblée à partir de composants transportés par le futur lanceur lourd SLS et elle sera desservie par le vaisseau Orion. Dans une première phase du programme, les équipages qui devraient occuper la station à partir de 2025 l'utiliseront pour apprendre à vivre et à travailler en orbite lunaire. Cette phase permettra également de pratiquer les rendez-vous entre vaisseaux loin de l'orbite terrestre basse. La NASA souhaite à ce stade faire appel aux entreprises privées et aux partenaires internationaux pour les missions de ravitaillement. Ces missions sont un préambule à l'envoi de missions vers Mars constituant la phase ultime du programme. Pour convoyer les équipages, il est prévu de développer un vaisseau spatial de grande taille, le Deep Space Transport. Celui-ci sera convoyé jusqu'à la station lunaire après un lancement par le SLS puis sera ravitaillé avant d'être lancé vers Mars avec un équipage de 4 personnes[14],[15],[16].

Objectif d’atterrissage lunaire en 2024

Objectif fixé par le président Trump

En avril 2019, à quelques mois du cinquantième anniversaire de la mission Apollo 11 qui a vu le premier homme fouler le sol lunaire, le vice-président américain Mike Pence, après avoir adressé des reproches à la NASA et à ses sous-traitants pour le retard pris dans le développement du lanceur lourd SLS (la date du premier vol a glissé de 2017 à 2021), annonce que le président américain Donald Trump souhaite qu'un premier équipage soit déposé à la surface de la Lune dès 2024 soit quatre ans avant l'échéance prévue jusque là par la NASA[17]. Le président assigne deux objectifs à l'agence spatiale : d'une part tenir la date de 2024 et d'autre part réaliser à terme des missions "dites durables" permettant l'exploration de la Lune puis de Mars. Pour pouvoir remplir le premier objectif, la NASA décide de concevoir deux types de missions. Les premières missions sont simplifiées (séjour court de six jours et demi sur la Lune, masse emportée limitée, équipage de deux personnes, pas de pré positionnement de matériel à la surface, vaisseau lunaire non réutilisable). Les missions dites durables qui interviennent à compter de 2026 utilisent un vaisseau lunaire plus gros qui permet d'emporter plus d'équipements et un équipage de quatre personnes tandis que le séjour à la surface est plus long[18]. Le site d'atterrissage des missions serait situé près du pôle sud lunaire car celui-ci est à la fois un objectif scientifique important et recèle également des stocks d'eau qui peuvent être exploités pour faciliter les séjours prolongés sur la Lune en augmentant l'autonomie des équipages (eau, oxygène)[19].

Recherche d'un financement

Mi-, une enveloppe supplémentaire de 1,6 milliard de dollars est débloquée au titre de l'année budgétaire 2020 pour ce programme lunaire, qui est baptisé à cette occasion « programme Artemis », du nom de la déesse grecque personnifiant la Lune dans la mythologie grecque. Il s'agit d'une référence explicite au programme Apollo, qui est nommé d'après Apollon, le dieu grec et frère jumeau d'Artémis. Les fonds doivent être utilisés de la manière suivante[20]  :

  • un milliard de dollars sont consacrés à la réalisation d'un atterrisseur capable de déposer des hommes sur la Lune. La conception et la fabrication de ce module seraient complètement sous-traitées à l'industrie privée ;
  • le budget engagé pour le développement de la station spatiale lunaire sera réduit de 321 millions de dollars en limitant sa fonction à celle de support pour déposer l'équipage sur la Lune. La somme libérée doit être affectée à d'autres dépenses du programme Artemis ;
  • 651 millions de dollars sont affectés au développement du lanceur SLS et du vaisseau Orion ;
  • le développement des systèmes de propulsion reçoit 132 millions de dollars, dont 90 millions affectés à l'exploration robotique.

En septembre 2020, la NASA produit un document recensant les coûts de la phase 1 du programme Artemis, qui comprend les missions Artemis I à Artemis III sur la période 2021-2025. Le budget nécessaire est évalué à 28 milliards US$ mais n'inclut pas la station spatiale Gateway, les habitats de surface et le développement d'un stromobile, qui ne deviennent nécessaires que pour la phase 2 du programme. Les principaux postes budgétaires sont le développement du module lunaire HLS (16 milliards US$) ainsi que celui du vaisseau Orion et du lanceur SLS (7,6 milliards US$ en tout)[21]. À titre de comparaison, le coût du programme Apollo est évalué à 250 milliards US$ (en dollars 2020) mais les 28 milliards ne comprennent pas les sommes déjà dépensées au cours des deux dernières décennies pour développer le lanceur lourd SLS et le vaisseau Orion[22].

Pour tenir le planning très serré imposé par une première mission à la surface de la Lune en 2024, l'administrateur de la NASA demande en septembre 2020 à disposer de 3,2 milliards US$ dès 2021 pour le financement du développement du module lunaire[23].

En février 2021, l'Administation Biden confirme son soutien au programme Artemis[24].

Développement du programme Artemis

Logo du programme Artemis.

Désignation des fournisseurs des équipements et vaisseaux lunaires

En 2019 et 2020 la NASA prend de nombreuses décisions pour tenter de tenir l'échéance de 2024 fixée pour la réalisation du premier objectif du programme Artemis, c'est à dire le retour d'astronautes sur la Lune. L'agence spatiale décide de déléguer aux entreprises du secteur spatial non seulement la réalisation mais également la conception de plusieurs équipements :

  • Courant mai l'agence spatiale sélectionne la société Maxar Technologies pour le développement du module PPE (Power and Propulsion Element) de la station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway[25].
  • La NASA veut lancer plusieurs missions robotiques ayant pour objectif d'effectuer une première reconnaissance. Le développement des atterrisseurs chargés de déposer ces équipements scientifiques sur la Lune est confié à l'industrie privée dans le cadre du programme Commercial Lunar Payload Services (CLPS) fonctionne de manière analogue au programme COTS consacré au ravitaillement de la Station spatiale internationale. Trois entreprises, sont pré-sélectionnées en juin 2019[26].
  • En juillet la NASA sélectionne la société Northrop Grumman pour le développement du module d'habitation HALO de la station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway [27].
  • Début septembre l'agence spatiale soumet aux industriels un cahier des charges pour le vaisseau lunaire HLS. Les réponses sont attendues début novembre et le vainqueur est sélectionné en décembre 2019. Une somme de 1 milliard US$ a été demandée par la NASA pour financer les développements de ce vaisseau sur l'année budgétaire 2020 (le coût total sera de plusieurs milliards US$). Les trois entreprises susceptibles d'être choisies sont Blue Origin, Boeing et SpaceX[28].
  • Fin octobre 2019 la NASA lance le développement de l'astromobile (rover) VIPER dans le but d'étudier la glace d'eau présente dans le régolithe du fond des cratères situés au pôle sud de la Lune. Celui-ci doit effectuer une reconnaissance fin 2022 de la région dans laquelle atterriront les premiers équipages[29].
  • En juin 2020 l'agence spatiale sélectionne le constructeur de l'atterrisseur qui déposera le rover VIPER à la surface de la Lune en 2023. Il s'agit de l'engin Peregrine développé par la société Astrobotic Technology de Pittsburgh[30].

Planification de la phase I

En septembre 2020 la NASA détaille dans un document la phase 1 du programme Artemis, qui regroupe les trois premières missions dont Artemis III, laquelle doit déposer un équipage sur la Lune.

Les premières missions du programme Artemis sont précisées en 2020 :

Calendrier et caractéristiques principales des premières missions du programme Artemis (mis à jour en septembre 2020)[31].
Date Mission / engin spatial Type engin Description / objectif Destination Lanceur Commentaire
2021 CAPSTONE Nano-satellite 12U expérimental Test de la stabilité de l'orbite choisie pour la station lunaire Gateway NRHO autour de la Lune Electron
juin 2021 Peregrine 1[32] Atterrisseur lunaire Dépose d'instruments à la surface de la Lune Surface de la Lune Vulcan/Centaur Premier vol de l'atterrisseur
octobre 2021 Nova-C [33] Atterrisseur lunaire Dépose d'instruments à la surface de la Lune Surface de la Lune Falcon 9 Premier vol de l'atterrisseur
novembre 2021 Artemis I Vaisseau Orion Premier vol du lanceur lourd SLS Orbite circumlunaire Space Launch System Bloc 1 Premier vol du lanceur SLS. Mission sans équipage
décembre 2022 XL-1[34] Atterrisseur lunaire Dépose d'instruments à la surface de la Lune Surface de la Lune Falcon 9 Premier vol de l'atterrisseur
2023 Artemis II Vaisseau Orion Premier vol avec équipage du vaisseau Orion Orbite circumlunaire Space Launch System Bloc 1
fin 2023 Griffin et VIPER[35] Atterrisseur (Griffin) et Astromobile lunaire Étude de la glace d'eau Surface de la Lune Lanceur commercial
fin 2023 HLS Vaisseau lunaire Pré-positionnement du vaisseau pour la mission Artemis III Surface de la Lune Lanceur commercial Trois lancements
2024 PPE et HALO Modules de la station lunaire Gateway Modules de propulsion et habitat NRHO autour de la Lune Falcon Heavy[36]
2024 Artemis III Vaisseau Orion Mission avec équipage à destination de la surface de la Lune NRHO autour de la Lune Space Launch System Bloc 1 Les astronautes utilisent le HLS pré-positionné en orbite lunaire pour se poser et séjourner à la surface de la Lune

Un projet international

Les pays principaux partenaires traditionnels de la NASA ont annoncé leur intention de participer au programme Artemis. L'agence spatiale canadienne doit fournir le bras télécommandé Canadarm 3 de la station spatiale Lunar Gateway[37]. La Canada dispose d'un budget de 1,5 milliard US$ sur 24 ans pour développer et maintenir cet équipement. L'Italie a conclu un accord de coopération en septembre 2020 avec la NASA pour le programme Artemis. Le budget de 1 milliard € pourrait porter sur la construction des modules ESPRIT et iHab de la station spatiale lunaire Lunar Gateway[38]. Le même mois, le Japon a de son côté conclu également un accord avec la NASA pour participer au programme Artemis. Ce pays pourrait fournir un vaisseau cargo HTV-X dérivé du HTV qui serait chargé de ravitailler la station spatiale lunaire ainsi qu'un module d'habitation[39]. De son côté l'Agence spatiale européenne finance la réalisation du module de service du vaisseau Orion[40].

Sélection des astronautes

Huit membres du 22ème groupe d'astronautes photographiés avec le vice-président Mike Pence.

Les équipages des missions Artemis seront composés d'astronautes des différents pays participant au programme Artemis : américains, japonais, européens, canadiens, etc.

Les membres américains des équipages des premières missions du programme Artemis sont sélectionnés dans le corps des astronautes de la NASA qui comprend 48 membres (dont 17 femmes) depuis l'intégration en début 2020 de la promotion 22 (les Turtles c'est à dire les tortues). Les astronautes de cette promotion comprennent 7 femmes et 6 hommes, 6 civils et 7 militaires[41]. Fin 2020 les 18 astronautes américains (neuf hommes et neuf femmes) qui doivent participer au le programme Artemis sont désignés. Huit d'entre eux font partie de la dernière promotion[42],[43],[44],[45].

L'administrateur de la NASA, Bridenstine, indique en juillet 2019 que le premier équipage à débarquer sur la Lune comprendrait une femme ayant déjà l'expérience d'une mission spatiale c'est à dire ayant fait partie de l'équipage de la Station spatiale internationale. [22]. La sélection des équipages des missions Artemis devrait être effectuées au moins deux ans avant leur lancement. Aussi la composition de l'équipage Artemis II devrait être annoncé en 2021. Elle comprendrait trois américains et un canadien.[46].

Objectifs

Les objectifs du programme définis par la NASA sont à la fois scientifiques et techniques.

Objectifs scientifiques

Le programme Artemis doit contribuer à remplir les objectifs scientifiques assignés par le rapport décennal sur les sciences planétaires produit par le Conseil national de la recherche des États-Unis. Les principaux thèmes du rapport traités par le programme Artemis sont la compréhension des processus planétaires et du cycle des volatiles, la reconstitution de l'histoire de l'impact à l'origine de la formation du système Terre-Lune, la recherche d'éléments fournissant des informations sur le Soleil à ses origines, l'observation de l'univers depuis la Lune, la réalisation d'expériences dans l'environnement lunaire et la recherche de méthodes et d'équipements permettant de réduire les risques courus par les équipages des missions d'exploration planétaire[47].

Pour remplir ces objectifs la stratégie développée par la NASA dans le cadre du programme Artemis comprend[47] :

  • la mise en place d'une logistique, confiée à des sociétés commerciales, permettant de livrer de manière continue à la surface de la Lune des équipements techniques et scientifiques ;
  • le développement de moyens de transport permettant de faciliter et d'étendre les investigations scientifiques à la surface de la Lune ;
  • la mise en place de partenariats internationaux pour accroitre les opportunités (en particulier pour les instruments et les rovers) ;
  • l'utilisation de nano-satellites pour obtenir de nouvelles données scientifiques depuis l'orbite lunaire.

Les astronautes à la surface de la Lune seront chargés de mener des expériences scientifiques :

  • étude de la géologie lunaire ;
  • collecte d'échantillons de sol qui seront ramenés sur Terre ;
  • installation d'instruments chargés de collecter des données sur les caractéristiques de la surface et de la couche de sol superficielle : interférences électromagnétiques, particules chargées, particules neutres ;
  • exploration des zones froides de la Lune (terrains perpétuellement à l'ombre) ;
  • exploration de la face cachée de la Lune.

Objectifs techniques

La présence continue d'astronautes à la surface de la Lune doit permettre de développer et tester de nouvelles approches, technologies et systèmes qui pourront être utilisés dans des environnements plus difficiles. Les investissements effectués doivent permettre d'abaisser le coup de l'exploration de l'espace profond et permettre de lancer des missions avec équipage vers Mars. Les domaines de recherche prioritaire sont[48]  :

  • l'utilisation des ressources in situ : collecte, traitement, stockage et utilisation de matériaux disponibles à la surface de la Lune et d'autres corps planétaires ;
  • production d'énergie à la surface de la Lune permettant de disposer en permanence d'énergie de jour comme de nuit ;
  • technologies permettant de diminuer l'impact de la poussière lunaire sur les équipements déployés à la surface de la Lune : caméras, panneaux solaires, combinaisons spatiales et instruments scientifiques ;
  • technologies permettant à des robots et à des hommes de se déplacer de manière efficace, de s'orienter et d'accéder à des emplacements en surface ou sous la surface inaccessibles jusque là ;
  • technologies permettant de fabriquer de manière automatique des matériaux et de construire des installations.

Équipements du programme lunaire Artemis

Vue d'artiste du lanceur lourd Space Launch System, qui sera chargé de lancer le vaisseau Orion.

L'architecture de la mission lunaire, telle que définie en , repose sur la disponibilité de plusieurs vaisseaux spatiaux : le lanceur lourd Space Launch System, la station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway qui joue le rôle de relais entre l'orbite lunaire et la surface de la Lune, le vaisseau Orion qui est utilisé pour transférer l'équipage entre la Terre et la station spatiale lunaire et le vaisseau lunaire HLS (Human Landing System) chargé de déposer l'équipage sur le sol lunaire puis de le ramener à la station spatiale. Plusieurs vols de lanceurs commerciaux sont également prévus pour positionner des missions robotiques à la surface de notre satellite afin de préparer l'arrivée des équipages et ravitailler la station spatiale lunaire.

Lanceur lourd SLS

Le lanceur lourd Space Launch System bloc 1 développé principalement par Boeing permet de placer 26 tonnes en orbite lunaire. Il est chargé de lancer le vaisseau Orion avec l'équipage à bord. Huit des 37 lancement prévus d'ici 2028 pour le programme Artemis sont pris en charge par ce lanceur. Son premier vol doit avoir lieu en 2020 ou 2021. La version bloc 1 comprend un premier étage dérivé du réservoir externe de la navette spatiale américaine et propulsé par quatre moteurs-fusées RS-25E version dérivée de moteurs de la navette spatiale. Au décollage la poussée est principalement fournie par deux propulseurs d'appoint à propergol solide à cinq segments, directement dérivés des Solid Rocket Boosters (SRB) de la navette spatiale, qui n'avaient eux que quatre segments. Le deuxième étage ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) est dérivé du second étage du lanceur Delta IV, est propulsé par un unique moteur-fusée à ergols liquides RL-10B2, brûlant un mélange d'hydrogène liquide et d'oxygène liquide.

Vaisseau Orion

Le vaisseau Orion de la mission Artemis I.

Le vaisseau spatial Orion est chargé de transporter l'équipage entre la Terre et la station spatiale lunaire à l'aller comme au retour. Contrairement aux vaisseaux américains développés récemment il dispose de la capacité à aller au-delà de l'orbite terrestre basse : bouclier thermique permettant de résister à une vitesse de rentrée atmosphérique de 11 km/s, capacité de manœuvre importante, protection thermique adaptée au trajet interplanétaire, habitacle permettant un séjour long de l'équipage, etc. Il reprend l'architecture du vaisseau Apollo avec un module de commande en forme de cône contenant l'habitacle dans lequel séjourne l'équipage et un module de service dans lequel est rassemblé tout ce qui n'est pas nécessaire au retour sur Terre. Ce dernier module est largué avant la rentrée atmosphérique. L'ensemble a une masse de 26 tonnes dont 15,5 tonnes pour le module de service. Contrairement au vaisseau Apollo, il utilise des panneaux solaires pour la fourniture d'énergie. Il dispose d'un système d'amarrage similaire à celui de la navette spatiale américaine. Il dispose d'une quantité d'ergols nettement inférieure à celle d'Apollo ce qui ne lui permet pas de se placer sur une orbite lunaire basse comme le vaisseau Apollo (delta-V de 1 340 m/s contre 2 800 m/s) (il s'amarre à la station spatiale lunaire qui est placée sur une orbite haute qui permet d'économiser un delta-V d'environ 1 500 m/s). Le vaisseau Orion est conçu pour se poser sur l'eau à son retour sur Terre. Il peut emporter quatre personnes pour une mission d'une durée de trois semaines[49] .

Comparaison des caractéristiques d'Orion avec celles de ses prédécesseurs
Caractéristiques Orion (Artemis II)[49] Apollo Soyouz
Longueur ~8,14 m 11,03 m 7,48 m
Diamètre max 5,03 m 3,9 m 2,72 m
Envergure 18,8 m 3,9 m 10,06 m
Masse totale (ergols) 25,85 t ( ?) 30,33 t (18,5 t) 7,25 t (0,9 t)
Volume pressurisé / habitable 19,56 m3 / 8,95 m3 / 6,17 m3 / 9 m3
Delta-V 1 340 m/s 2 800 m/s 390 m/s
Source énergie Panneaux solaires Piles à combustible Panneaux solaires
Production énergie 11 kW kW 0,6 kW
Durée mission 21 j 14 j 14 j
Taille équipage 4 3 3
Zone d'atterrissage Mer Mer Terre

Station spatiale lunaire

La station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway sert de relais entre la Terre et la surface de la Lune. Elle ne constitue pas un élément obligatoire pour les premières missions vers le sol lunaire : dans le cahier des charges du vaisseau lunaire HLS, un rendez-vous en orbite lunaire entre le vaisseau Orion et le HLS est une possibilité pour laquelle le candidat peut opter. En revanche, pour les missions dites durables à compter de 2026, la station lunaire devient obligatoire, notamment pour permettre la réutilisation de tout ou partie du vaisseau lunaire[18]. Pour les premières missions du programme Artemis, la priorité est donnée aux deux modules nécessaires pour les missions qui doivent se dérouler sur le sol lunaire :

  • le module PPE (Power and Propulsion Element) produit l'énergie de la station et dispose d'un système propulsif principal utilisant des moteurs ioniques. Les panneaux solaires dont il est équipé fournissent 50 kW. Le module dispose également de systèmes de télécommunications permettant d'assurer la liaison avec la Terre d'une part et la surface de la Lune d'autre part. La construction de ce module a été confiée en à la société Maxar Technologies (autrefois SSL) pour un montant de 375 millions US$. Le module doit être mis à disposition pour un lancement fin 2022[25] ;
  • le module d'habitation HALO (Habitation and Logistics Outpost), également baptisé MHM (Minimal Habitation Module), est éveloppé par la société Northrop Grumman. Il s'inspire du cargo spatial Cygnus. De forme cylindrique, il comporte deux ports d'amarrage radiaux pour permettre l'amarrage du vaisseau Orion et des cargos chargés du ravitaillement, et deux autres ports d'amarrage dans l'axe pour se fixer aux autres modules de la station spatiale. Le module pressurisé dispose d'un système de communications, d'un système de support de vie permettant à un équipage de quatre personnes de vivre durant 30 jours dans le volume fourni par ce module et le vaisseau Orion. Le module HALO doit être fourni par Northrop Grumman de manière à permettre son lancement fin 2023[27].

La station spatiale est placée sur une orbite autour de la Lune dite NRHO (Near Rectilinear Halo Orbit). C'est une orbite de halo dont la période orbitale est de 6,5 jours, le périlune (le point le plus proche de la Lune) est de 3 366 km et l'apolune de 70 000 km. Cette orbite est sélectionnée parce qu'elle présente plusieurs avantages[50],[51] :

  • elle permet à la station spatiale d'être en permanence visible de la Terre, c'est-à-dire que celle-ci n'est jamais masquée par la Lune. Les liaisons radio ne sont donc jamais interrompues ;
  • il n'y a aucune éclipse du Soleil par la Terre. Celles-ci sont les plus gênantes car elles peuvent atteindre une durée de 2,6 heures (éclipse totale), ce qui dépasse les capacités des batteries du vaisseau Orion et de la station spatiale lunaire (les batteries doivent prendre le relais des panneaux solaires durant les éclipses) ;
  • elle comporte quelques éclipses du Soleil par la Lune chaque année mais leur durée n'excède pas 80 minutes ;
  • elle est instable, mais elle ne nécessite que de petites corrections : la correction de vitesse nécessaire pour la maintenance de l'orbite est de 1,86 mm/s par orbite. Cette valeur ne prend pas en compte les perturbations diverses que subit tout engin spatial dans l'espace, quelle que soit sa trajectoire, en particulier la pression solaire.

Vaisseau lunaire

Le vaisseau lunaire HLS (Human Landing System) a pour rôle de déposer deux astronautes sur le sol lunaire. A la surface il sert d'habitat durant la mission d'une durée initiale d'environ une semaine puis il ramène l'équipage à la station spatiale.

Cahier des charges

Pour remplir ces objectifs la NASA préconise une architecture comprenant trois modules qui permet de limiter la masse de chaque module à moins de 15 tonnes, ce qui la rend compatible avec le positionnement autour de la Lune par des véhicules commerciaux (la version à deux modules similaire au module Apollo aurait une masse de 9 à 12 t (module de remontée) + 32-38 t. (module de descente)[19],[52] :

  • un module propulsif qui est uniquement chargé d'abaisser l'orbite des deux autres modules. D'une masse de 12 à 15 tonnes, il permet une modification de la vitesse de 850 m/s. Il est éventuellement réutilisable dans le cas des missions « durables » ;
  • un module de descente qui après largage du module propulsif est chargé d'annuler la vitesse horizontale et de déposer le module habitable (module de remontée) sur le sol lunaire. D'une masse de 15 à 16 tonnes, il permet une modification de la vitesse de 2 000 m/s. Il pourrait être également utilisé dans une autre configuration pour déposer du fret sur le sol lunaire ;
  • un module de remontée/module habitable qui sert d'habitat à l'équipage de quatre astronautes (c'est le seul module pressurisé de l'ensemble) et qui dispose d'une propulsion lui permettant de remonter en orbite. D'une masse de 9 à 12 tonnes, il permet une modification de la vitesse de 2 850 m/s. Après la remontée du sol lunaire, il peut être réutilisé après avoir été ravitaillé en consommables.

Le cahier des charges de la NASA précise les principales caractéristiques du vaisseau HLS. Deux versions successives du vaisseau doivent être construites la version non réutilisable 2024 capable de transporter deux astronautes et devant séjourner durant la journée lunaire et la version définitive utilisée à partir de 2026 pouvant transporter trois à quatre astronautes et permettant de survivre à une nuit lunaire[53].

Principales caractéristiques du vaisseau lunaire HLS spécifiées dans le cahier des charges de la NASA[53]
Caractéristique Exigences pour la mission de 2024 Exigences pour les missions postérieures à 2026
Équipage 2 personnes 3 à 4 personnes
Capacité de manœuvre Permet d'effectuer un aller-retour entre l'orbite lunaire et un site situé entre les latitudes 84 et 90° sud
Capacité à interrompre la mission
Atterrissage automatique à la surface de la Lune
Rendez-vous et ammarrage automatique à la station spatiale et au vaisseau Orion
Fiabilité 97,5 % avec au minimum deux sorties extravéhiculaires (non réutilisable) 98 % par mission, 87 % sur une période de 10 ans (>= 5 missions)
Précision à l'atterrissage 100 m.
Site d'atterrissage Éclairé en permanence > 50 heures de nuit continue (objectif 191 heures)
Durée du séjour dans le module huit jours terrestres
A la surface de la Lune 6,5 jours
Sorties extravéhiculaires durée > 4 h.
Nombre > 2
durée > 8 h.
Nombre = 5
Charge utile déposée à la surface de la Lune > 865 kg dont
combinaison xEMU 373 kg
Nourriture 59 kg
Équipage 175 kg
> 1 595 kg
Autre charge utile à l'atterrissage au minimum 80 kg d'instrumentation
dont 10-20 kg pour les caméras et instruments dans l'habitacle
voir supra
Charge utile au décollage > 525 kg dont
combinaison xEMU 167 kg
Nourriture 18 kg
Equipage 175 kg
> 1 070 kg
Autre charge utile au décollage au minimum 15 kg (cible 100 kg) voir supra

Sélection du HLS

Pour respecter ces échéances serrées, la NASA se tourne vers le privé pour développer le module lunaire. Mi-mai 2019 les propositions de onze industriels sont pré-sélectionnés pour développer un module lunaire ou une partie de module lunaire : Aerojet Rocketdyne, Blue Origin, Boeing, Dynetics, Lockheed Martin, Masten, Maxar (qui fournit le module de propulsion de la Gateway), Northrop Grumman, Orbit Beyond, Sierra Nevada et SpaceX. Blue Origin, avec son Blue Moon, et Lockheed Martin, avec un atterrisseur dérivé du vaisseau Orion font figure de favoris[54].

Le processus de sélection est effectué en deux temps. Le , l'administrateur de la NASA Jim Bridenstine annonce que trois candidats ont été retenus pour détailler leur offre : Blue Origin qui reçoit 579 millions US$ pour détailler son offre, Dynetics qui reçoit 253 millions US$ et SpaceX qui reçoit 135 millions US$. Le finaliste doit être annoncé en février 2021. Les trois engins pré-sélectionnés fin avril sont[55],[56],[57] :

  • La proposition de Blue Origin est la plus classique. Elle s'inspire du module lunaire Blue Moon et reprend l'architecture à deux étages du module lunaire Apollo. Les deux étages sont propulsés par un moteur BE-7 du constructeur. Un troisième module de transfert est chargé d'abaisser l'orbite du vaisseau lunaire de l'orbite NRHO (sur laquelle se trouve la station spatiale lunaire et le vaisseau Orion) vers l'orbite lunaire basse. Cette version du HLS doit être placée en orbite par le lanceur lourd New Glenn de Blue Origin ou à défaut par le lanceur Vulcan.
  • Dynetics propose un engin comprenant deux modules dont le module de transfert et le module lunaire proprement dit combinant le rôle de l'étage de descente et de l'étage de remontée. Le DHLS comporte deux réservoirs largables ce qui simplifie la conception. Les réservoirs sont placés de part et d'autre de la cabine pressurisée ce qui permet de réduire la hauteur au-dessus du sol. Les sociétés Sierra Nevada et Thales Alenia Space participent en tant que sous-traitant.
  • SpaceX propose un vaisseau lunaire mono-module (pas d'étage de descente et de remontée séparés) dérivée de son vaisseau Starship. Celui-ci doit être placé sur une orbite terrestre par un étage Starship Super Heavy sur une orbite basse puis ravitaillé sur cette orbite par plusieurs vaisseaux Starship avant de gagner sans équipage la Lunar Gateway en orbite lunaire, où le vaisseau récupère l'équipage. Le vaisseau Starship lunaire se pose sur la Lune puis redécolle également par ses propres moyens. Le vaisseau se distingue des deux autres par le fait qu'il remplit immédiatement les exigences de réutilisabilité prévue par la NASA dans le cadre de la deuxième phase du programme Artemis. Mais cela s'accompagne d'une grande complexité[58].

Le la NASA sélectionne la proposition de SpaceX pour le développement et le lancement des deux premières missions. L'évaluation de la NASA a porté sur trois critères : dans l'ordre d'importance décroissante les aspects techniques (conception, développement, risques, tests, opérations de lancement et déroulement de la mission...), le cout et la gestion du projet (organisation, gestion du planning, risques...). Sur le plan technique la solution de SpaceX et Blue Origin sont considérées comme acceptable (niveau moyen 3/5 dans l'échelle de la NASA qui comporte cinq niveaux) tandis que celle de Dynetics est considérée comme peu pertinente (2/5). Le cout de la proposition de SpaceX (2,89 milliards US$) est beaucoup moins élevée que celui de ses concurrents (deux fois moins que celle de Blue Origin et quatre fois moins que celle de Dynetics. En matière de gestion de projet la proposition de SpaceX est évaluée comme remarquable (5/5) alors que celle de ses deux concurrents est considérée comme très bonne (4/5). Il était initialement envisagé de sélectionner une deuxième proposition à ce stade du développement mais la proposition de Blue Origin, évaluée comme recevable sur le plan technique et de la gestion de projet, n'a pas été retenue compte tenu de son cout et du budget limité dont dispose la NASA pour ce volet du programme Artemis[59],[58],[60].

Combinaisons spatiales

Prototype de la combinaison spatiale xEMU utilisée pour les sorties extravéhiculaires.
Suite OCSS utilisée lors du lancement et de la rentrée atmosphérique.

Deux types de combinaison spatiale sont mis au point pour le programme Artemis

La combinaison spatiale OCSS (Orion Crew Survival System) est portée par les astronautes dans le vaisseau Orion durant le décollage et la phase de rentrée atmosphérique. Étanche (elle comporte un casque), elle permet de survivre en cas de décompression accidentelle et est traditionnellement de couleur orange pour faciliter le repérage des astronautes après leur amerrissage à la suite de leur retour sur Terre. Ses caractéristiques sont proches de celles des combinaisons spatiales utilisées pour les missions vers la station spatiale internationale. Mais contrairement à celles-ci chaque combinaison spatiale est taillée aux dimensions exactes de son porteur. Les zones de frottement ont été retravaillées, les gants permettent un meilleur toucher et les bottes fournissent une meilleure protection contre le feu tout en étant plus confortable[61].

La combinaison spatiale xEMU (Exploration Extravehicular Mobility Unit) est portée par les astronautes durant leurs sorties extravéhiculaires à la surface de la Lune. De nombreuses améliorations ont été apportées par rapport aux combinaisons spatiales portées par les équipages de la Station spatiale internationale lors de leurs sorties dans l'espace et aux combinaisons des astronautes du programme Apollo. La combinaison est mieux protégée contre la contamination corrosive de la poussière lunaire. La miniaturisation de l'électronique a permis de dupliquer la plupart des systèmes vitaux ce qui permet de réduire les risques et d'envisager des sorties de plus longue durée. Elle est capable de résister à des températures extrêmes comprises entre -250 °C et +250 °C. L'xEMU permet une meilleure agilité grâce à des articulations repensées qui limitent également les efforts fournis par l'astronaute. Le nouveau système micro/écouteurs, amélioré pour une meilleure qualité audio, permet de supprimer l'inconfortable casquette snoopy. Les astronautes enfilent la combinaison spatiale en rentrant par une porte située à l'arrière de celle-ci reprenant le dispositif des combinaisons russes Orlan[62].

Installations au sol

Le lanceur SLS Bloc 1 avec le vaisseau Orion sur le pas de tir 39B (vue d'artiste).

L'EGS (Exploration Ground Systems) regroupe l'ensemble des installations nécessaires pour effectuer l'assemblage final et le lancement des fusées (SLS et lanceurs commerciaux) qui emporteront les différents vaisseaux et équipements vers la Lune. A cet effet les installations du complexe de lancement 39 au centre spatial Kennedy en Floride sont adaptées et remises en état. Cela concerne le pas de tir 39B d'où doit décoller le lanceur SLS[63], le bâtiment d'assemblage VAB[64], la plateforme de lancement mobile et le crawler chargé de la transporter.

Le réseau d'antennes paraboliques de 36 mètres de diamètre du Deep Space Network chargé de communiquer avec les vaisseaux dans l'espace lointain et avec les équipages à la surface de la Lune est mis à niveau. Les équipements des antennes de Goldstone, Canberra et Madrid (deux antennes sur chaque site) sont mis à jour de manière à permettre un débit de 100 mégabits/seconde en liaison descendante et 20 Mb/s en liaison montante. Un nouveau réseau d'antennes paraboliques de 18 mètres de diamètre, le LGS (Lunar Ground Stations) est créé pour les communications avec les missions lunaires. Un ensemble de protocoles, interfaces et standards de communications, le LunaNet, est défini pour faciliter les échanges etre les robots, les équipages et les équipements dans l'environnement lunaire[65].

Rôle des lanceurs commerciaux

Pour optimiser les coûts et les délais, la NASA fait appel aux lanceurs commerciaux d'une part pour positionner les différents composants - modules de la station spatiale lunaire et du vaisseau lunaire HLS - d'autre part pour assurer le ravitaillement de la station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway en consommables (ergols, eau, oxygène). Sur les 37 lancements programmés entre 1999 et 2028, 29 doivent être pris en charge par des lanceurs commerciaux, les huit autres l'étant par le lanceur géant SLS. Les modalités des contrats qui seront passés avec les fournisseurs de cette prestation, sont similaires à celles du programme COTS de ravitaillement de la Station spatiale internationale. Selon l'architecture de mission la plus probable les trois modules du vaisseau lunaire (il pourrait n'y en avoir que deux mais cela mettrait hors jeu les vaisseaux commerciaux pour l'un des deux modules) dont la masse totale atteint une quarantaine de tonnes seront expédiés séparément pour tenir compte des capacités limitées des lanceurs. Pour les missions de ravitaillement, selon le cahier des charges établi par la NASA au cours de l'été 2019, le fournisseur devra mettre à disposition un cargo spatial pouvant s'amarrer à la station spatiale lunaire, générer sa propre énergie et resté amarré durant un an[66].

Comparaison des lanceurs lourds utilisables par le programme Artemis[52]
Lanceur Constructeur 1er vol Capacité en orbite lunaire Coût Commentaire
Space Launch System bloc 1 Boeing 2020 ou 2021 26 t.
Falcon Heavy version non réutilisable SpaceX opérationnel 15 t. 90 millions US$
Vulcan avec étage Centaur United Launch Alliance 2021 13 t. env 200 millions US$ ? Version plus puissante disponible en 2024
New Glenn Blue Origin 2021 13,6 t. entre 100 et 200 millions US$ ?

Les missions robotiques

Maquette des trois atterrisseurs lunaires sélectionnés dans le cadre du programme Commercial Lunar Payload Services. De gauche à droite : Peregrine de la société Astrobotic Technology, Nova-C de Intuitive Machines et Z-01 de OrbitBeyond.

Avant de faire atterrir des hommes dans la région du pôle sud lunaire, la NASA veut lancer plusieurs missions robotiques ayant pour objectif d'effectuer une première reconnaissance. Le premier objectif de ces missions est d'étudier les caractéristiques de la glace d'eau présente, raison d'être de la sélection du pôle sud. Les autres objectifs sont l'étude de la géologie lunaire et de l'environnement pour préparer les premières missions avec équipage. Ces missions robotiques se poursuivront après le premier atterrissage d'un équipage sur le sol lunaire.

Le programme CLPS

L'agence spatiale a décidé de confier le développement des atterrisseurs chargés de déposer ces équipements scientifiques sur la Lune, à l'industrie privée. Le programme Commercial Lunar Payload Services (CLPS) fonctionne de manière analogue au programme COTS consacré au ravitaillement de la Station spatiale internationale. Elles devront effectuer un premier vol d'ici 2020 et 2021. Les engins développés doivent pouvoir disposer au minimum 40 à 100 kg à la surface de la Lune[26],[67].

Trois atterrisseurs lunaires ont été sélectionnés en 2019 et en 2020 pour placer 23 charges utiles technologiques ou scientifiques sur le sol lunaire : Peregrine de la société Astrobotic Technology, Nova-C de Intuitive Machines et XL-1 de Masten Space Systems devraient effectuer un premier vol entre 2021 et 2022[26],[68].

L'astromobile VIPER

En octobre 2019 la NASA décide de développer l'astromobile (rover) VIPER. dans le but d'étudier la glace d'eau présente dans le régolithe du fond des cratères situés au pôle sud de la Lune. L'eau pourrait jouer un rôle important pour les séjours à la surface de la Lune d'équipage d'astronautes en fournissant les consommables nécessaires - oxygène, eau consommable et ergols - grâce aux technologies d'utilisation des ressources in situ. L'engin spatial, qui doit être lancé vers décembre 2022, fait partie des missions développées dans le cadre du Programme Artemis. Il emporte une foreuse et trois instruments destinées à analyser les carottes de sol. La dépose du rover de 250 kg sur le sol lunaire doit être confiée au programme Commercial Lunar Payload Services[69],[70],[29].

Les missions de la phase 1 : d'Artemis 1 à Artemis III (2021-2024)

Selon le planning diffusé en mai 2019 la NASA prévoit d'effectuer 37 lancements entre 2019 et 2028 dans le cadre du programme Artemis. Ces vols comprennent l'envoi de missions robotiques de reconnaissance, le positionnement en orbite lunaire des composants de la station spatiale et des exemplaires du vaisseau lunaire HLS, le ravitaillement de la station spatiale et enfin l'envoi des équipages destinés à tester le lanceur SLS (Artemis I) le vaisseau Orion (Artemis II), puis à se poser sur la Lune (Artemis III, 4, 5, 6). La majorité des lancements est effectuée par des lanceurs commerciaux[71].

Les missions de la phase I du programme Artemis (2021-2024) ont pour objectif de tenir l'échéance fixée par le président Trump. Il s'agit, après avoir validé en vol le fonctionnement du lanceur SLS et du vaisseau Orion de déposer à l'aide du module lunaire HLS un premier équipage sur le sol lunaire en 2024 (mission Artemis III). Le déroulement des trois missions Artemis de cette phase n'exploite pas la station spatiale Gateway mais il est néanmoins prévu de lancer durant cette période les modules de propulsion PPE et d'habitation HALO de la station.

Les missions préparatoires : Artemis 1 et Artemis 2

Le programme Artemis doit commencer par deux missions destinées à mettre au point les véhicules et les procédures avant d'amener le premier équipage sur la Lune. Le premier vol, la mission Artemis 1, doit tester en 2021 le vaisseau Orion sans équipage. Artemis 2 doit emporter en 2022-2023 le même vaisseau avec équipage pour un vol autour de la Lune. Dans les deux cas le vaisseau Orion doit être placé en orbite par le lanceur lourd SLS Bloc 1. La même année, une fusée commerciale doit placer le premier module de la station en orbite lunaire. Il s'agit du module disposant d'une propulsion et fournissant de l'énergie. En 2023 le deuxième module MiniHab, de type habitat, doit être lancé par une fusée commerciale. Ce module dispose d'au moins deux ports d'amarrage libre permettant d'y amarrer simultanément le module lunaire chargé d'amener les astronautes sur le sol lunaire (un homme et une femme) et le vaisseau Orion. Le module lunaire, qui comprend trois sous-ensembles, sera placé en orbite lunaire grâce à trois vols commerciaux[72].

Artemis III : première mission sur le sol lunaire

La mission Artemis III est la première à amener un équipage sur le sol lunaire. Selon le scénario préconisé par la NASA, sa durée totale est 25 à 34 jours et le séjour sur la Lune est de six jours et demi. L'équipage est composé de quatre personnes dont deux (un équipage mixte) doivent descendre sur le sol lunaire. Le déroulement de cette première mission sur le sol lunaire est le suivant[18], [72] :

  • pour cette première mission, afin de respecter l'échéance fixée, la station spatiale lunaire Gateway n'est pas utilisée ;
  • le vaisseau lunaire HLS est lancé par des lanceurs commerciaux avant le lancement de l'équipage pour permettre un pré-positionnement. Des programmes de diagnostic sont lancés à distance ;
  • si le diagnostic est positif, le lanceur géant SLS Bloc 1 décolle en emportant le vaisseau Orion avec son équipage de quatre astronautes ;
  • le vaisseau Orion réalise une manœuvre de rendez-vous avec le vaisseau lunaire HLS auquel il s'amarre ;
  • deux des astronautes (dont au moins une femme) embarquent à bord du vaisseau lunaire HLS et entament la descente vers le sol lunaire ;
  • la descente se décompose en cinq phases : le transfert de l'orbite NRHO à une orbite basse circulaire de 100 km (durée 12 heures), l'abaissement du périlune, la phase de freinage consistant à annuler pratiquement la vitesse horizontale, la phase d'approche permettant de positionner le vaisseau au-dessus du site d'atterrissage et la descente verticale finale une fois le vaisseau au-dessus de la zone d'atterrissage.
  • le vaisseau lunaire se pose sur un site du pôle sud qui reste à fixer en . Il génère de manière continue de l'énergie avec ses panneaux solaires. Les astronautes pourraient disposer d'un astromobile non pressurisé analogue à celui du programme Apollo. Le séjour à la surface de la Lune doit durer six jours et demi soit trois jours de plus que la dernière mission Apollo. Au moins deux sorties extra-véhiculaires d'une durée minimale de quatre heures sont réalisées. Le cahier des charges de l'atterrisseur limite à 26 kg la quantité de roches lunaires que pourront ramener les astronautes[73] ;
  • à la fin de son séjour l'équipage redécolle de la surface avec le seul étage de remontée ;
  • une fois sur une orbite basse, le vaisseau lunaire est manœuvré de manière à réussir un rendez-vous spatial avec le vaisseau Orion ;
  • son équipage réintègre alors le vaisseau Orion qui est resté amarré à la station spatiale durant leur séjour sur la Lune et retrouve les deux coéquipiers restés en orbite ;
  • l'étage de remontée, qui n'est pas réutilisé pour ces premières missions, est largué ;
  • le vaisseau Orion quitte la station spatiale avec à son bord l'équipage complet, le résultat de la collecte des échantillons lunaires et certaines expériences scientifiques ;
  • de retour sur Terre, il amerrit dans l'océan et est recueilli avec son équipage par des navires pré-positionnés.

Missions de la phase 2 : vers des installations permanentes sur la Lune (2026-)

L'objectif final du programme Artemis est d'établir des installations permanentes dans la région du pôle sud permettant à des équipages d'effectuer des séjours de longue durée consacrés à la mise au point des technologies nécessaires pour l'exploration des planètes par des hommes (préparation de missions à la surface de Mars) et l'étude scientifique de la Lune. Les missions de la phase II du programme Artemis doivent permettre de roder les procédures à la surface d'une planète en s'appuyant sur une station spatiale lunaire Gateway aux capacités accrues et un camp de base lunaire établi à la surface de la Lune de manière permanente et occupé à intervalles réguliers. Ce dernier doit comprendre un module d'habitation, un système de production d'énergie, des équipements permettant d'exploiter les ressources in situ (eau, oxygène, matériaux de construction) et deux types d'astromobile (pressurisé et non pressurisé)[74].

Selon les plans publiés par la NASA en mai 2019, les astronautes disposeront d'un vaisseau lunaire HLS aux capacités largement accrues qui pourra déposer au sol jusqu'à quatre personnes. L'habitat pourra supporter une nuit lunaire partielle ou même complète (objectif). Les équipements mis à leur disposition sont pré-positionnés par des missions robotiques. La station spatiale sera progressivement étoffée avec de nouveaux modules (sas, habitat...). Le déroulement des missions, qui reste à figer courant 2020, pourrait être le suivant[75] :

  • Lancement de missions robotiques de reconnaissance dont l'astromobile VIPER pour analyser le terrain et identifier les ressources disponibles (eau...)
  • Envoi à la surface de la Lune d'un astromobile non pressurisé (LTV) permettant aux astronautes de se déplacer et d'étendre leur rayon d'action
  • La station spatiale lunaire Gateway est complétée avec les modules d'habitation i-Hab et de service ESPRIT fournis par l'Europe.
  • Envoi à la surface de la Lune d'un astromobile pressurisé permettant d'étendre le rayon d'exploration des astronautes à plusieurs dizaines de kilomètres. Divers équipements permettent d'allonger la durée des séjours de 7 à 30-45 jours : module d'habitation, système de production d'énergie, équipements ISRU permettant d'utiliser les ressources lunaires.
Architecture des missions Artemis à compter de 2026 : équipage sur le sol lunaire portée à 4 personnes, réutilisation d'une partie du vaisseau lunaire, ajout de modules à la station lunaire (février 2019).

Critiques du programme Artemis

Pour certains, la viabilité du programme Artemis avec l'objectif calendaire qui lui a été fixé est incertaine, compte tenu de la modestie des sommes allouées au programme au titre du budget 2020 et de l'absence d'une enveloppe budgétaire consacrée au programme pour les années suivantes[76],[71] :

  • les estimations de coût du programme varient selon les spécialistes interrogés entre 20-25 milliards et 30 milliards de dollars américains. Il faudrait donc consacrer entre six et huit milliards de dollars par an pour atteindre l'objectif à l'échéance imposée par le président Trump ;
  • la NASA dépend pour la tenue des objectifs de ses sous-traitants. Or Boeing, qui développe le lanceur géant SLS, a pris un retard considérable alors que celui-ci réutilise des composants existants. Dans ce contexte, le développement de l'atterrisseur lunaire qui comportera trois modules complètement nouveaux avec des moteurs à mettre au point ainsi que plusieurs systèmes complexes peut-il être envisagé dans un délai aussi court ?
  • l'architecture retenue nécessite le développement d'un nouvel étage pour le lanceur SLS dont le développement a été arrêté pour permettre à Boeing de tenir ses échéances.

Notes et références

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Bibliographie

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