La NASA a livré un réseau de rétroréflecteurs à l’ESA qui permettra à la mission Lunar Pathfinder d’être localisée par des stations de télémétrie laser sur Terre alors qu’elle orbite autour de la lune. De telles mesures laser au niveau centimétrique serviront de contrôle indépendant sur le vaisseau spatial car il fixe sa position à l’aide de signaux Galleo et GPS à une distance sans précédent de 400 000 km de la Terre, prouvant le concept de satnav lunaire tout en relayant les télécommunications avant l’initiative dédiée Moonlight de l’ESA.
Protégé dans plusieurs couches d’emballage avec des « montres de choc » en trois dimensions dans le boîtier d’expédition, pour détecter tout traitement brutal, le Laser Retroreflector Array, LRA, de la NASA, a été livré avec succès à Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL, à Guildford, Royaume-Uni
Après déballage et suivant les procédures établies, une inspection visuelle du LRA a été effectuée conjointement par l’ESA, la NASA et SSTL, confirmant qu’il n’y a pas de rayures ni d’entailles dans l’optique. En conséquence, l’instrument a été officiellement accepté par l’ESA le 4 novembre 2022 et a été transmis à SSTL pour intégration à bord de leur vaisseau spatial de la taille d’une machine à laver, qui doit être lancé en 2025.
Le Lunar Pathfinder de SSTL servira de satellite relais de télécommunications pour les futures missions sur la Lune, avec l’ESA comme client principal, tandis que la NASA utilisera également ses services en échange de la livraison de Lunar Pathfinder en orbite lunaire par le biais de ses services commerciaux de charge utile lunaire (CLPS ) initiative.
« La livraison d’aujourd’hui est un élément supplémentaire de cette collaboration unique ESA-NASA, qui comprend une campagne de tests en orbite pour démontrer l’utilisation des signaux de navigation par satellite en orbite lunaire et de la télémétrie laser pour authentifier ces correctifs de positionnement de navigation par satellite », explique Javier Ventura- Traveset, dirigeant le bureau scientifique de navigation Galileo de l’ESA et coordonnant les activités de navigation lunaire de l’ESA.
Aujourd’hui, le suivi d’un vaisseau spatial en orbite lunaire nécessite plusieurs stations au sol pour effectuer la télémétrie. Lunar Pathfinder utilisera un transpondeur standard en bande X à cette fin, mais transportera en outre le récepteur NaviMoon Global Navigation Satellite System de l’ESA.
Obtenir des positions fixes de Galileo et du GPS si loin dans l’espace nécessite des techniques d’ingénierie et de traitement du signal intelligentes, car les signaux s’étendant jusqu’à l’orbite lunaire sont des millions de fois plus faibles que ceux que nous recevons à l’aide de nos smartphones ou de nos voitures. Mais le succès signifierait que les futures missions lunaires pourraient se diriger efficacement – en fixant automatiquement leur position à l’aide du GNSS à plus de 100 m, une amélioration d’un ordre de grandeur par rapport à la télémétrie radio actuelle – tout en renonçant à l’utilisation d’infrastructures terrestres coûteuses.
Javier ajoute : « L’ESA et la NASA sont très intéressées par l’exploitation des données LRA avec notre récepteur de navigation par satellite NaviMoon, qui permettra la vérification croisée des repères de positionnement sur la distance cislunaire et ouvrira de nouvelles possibilités en géodésie lunaire. Ces tests fourniront également un un apprentissage technologique très précieux pour l’initiative Moonlight de l’ESA, qui fournira avant la fin de cette décennie un réseau autonome de satellites de communication et de navigation soutenant l’exploration lunaire. »
Les rétroréflecteurs laser sont une technologie spatiale bien établie, normalement utilisée pour déterminer avec précision l’orbite des satellites autour de la Terre. En mesurant le temps de vol des impulsions laser pour se rendre de la Terre au satellite et vice-versa, sa distance précise peut être calculée, de la même manière que la télémétrie radio, mais avec une précision beaucoup plus élevée en raison de la courte longueur d’onde de la lumière.
En approche, ils ressemblent aux « yeux de chat » en miroir intégrés dans les autoroutes pour refléter la lumière avec précision vers sa source, grâce à une configuration de réflexion interne complexe – un total de 48 « cubes d’angle » dans le cas de la LRA, qui ont été individuellement et rigoureusement contrôlés et mesurés en laboratoire. Les performances optiques du réseau ont été mesurées avec précision au Goddard Space Flight Center de la NASA.
De la taille d’un ordinateur portable, le LRA a été produit pour la NASA par KBR, sur la base d’un précédent LRA volant déjà sur le Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA. Stephen Merkowitz, responsable du projet de géodésie spatiale de la NASA, déclare : « Ce LRA est plus grand et renverra plus de 12 fois la lumière laser que celui du LRO puisqu’il a 48 cubes d’angle de 4 cm de diamètre, par rapport aux 12 cubes réflecteurs du LRO à 3 cm de diamètre. Cette opportunité est alors assez unique. »
Lunar Pathfinder orbitera sur une «orbite lunaire gelée» hautement elliptique, conçue pour optimiser la couverture du pôle sud de la lune, l’objectif principal des futurs efforts d’exploration. Pour cette démonstration, le satellite Lunar Pathfinder sera réorienté en orbite, typiquement pendant une fenêtre expérimentale continue de cinq jours, de sorte que le LRA, l’antenne de réception NaviMoon et le transpondeur X-Band allant, tous situés sur le même panneau du satellite , ensemble pointent vers la Terre. Cela maximisera les performances atteignables et la visibilité conjointe de ces trois techniques géodésiques, qui seront utilisées simultanément pour la première fois en orbite lunaire.
Le Service international de télémétrie laser dispose actuellement de quatre stations capables de télémétrie laser jusqu’à la distance lunaire, trois basées en Europe (Grasse, Wetzel et Matera) et une aux États-Unis (Apache Point). En outre, l’ESA envisage d’utiliser sa propre station de télémétrie laser basée à Tenerife, qui est actuellement en cours de modernisation.
Dans une prochaine étape, le LRA subira une inspection finale à SSTL avant d’être intégré à Lunar Pathfinder – devant être ajusté et aligné avec précision pour maximiser la précision de positionnement.
Lily Forward, SSTL Lunar Pathfinder Systems Engineer, déclare : « Il s’agit du premier matériel de vol de SSTL pour le Lunar Pathfinder et est le résultat d’une excellente collaboration entre l’ESA, la NASA et SSTL. Nous sommes tous impatients de mettre cette expérience de télémétrie au tester une fois le Lunar Pathfinder de SSTL lancé. »
Ensuite, dans la décennie à venir, des satellites dédiés au clair de lune et éventuellement du matériel supplémentaire sur la surface lunaire établiront une infrastructure de communication et de navigation commune pour toutes les missions lunaires, rapprochant efficacement la lune de la Terre en termes pratiques, ce qui en fera le huitième continent de notre planète.