Avant la fin de cette décennie, la NASA enverra des astronautes sur la Lune pour la première fois depuis l’ère Apollo. Dans le cadre du programme Artemis, la NASA prévoit également d’établir l’infrastructure qui permettra un « programme soutenu d’exploration lunaire ». Un élément clé de cela est la passerelle lunaire, une station spatiale en orbite qui facilitera les voyages réguliers vers et depuis la surface lunaire. En plus d’être un point d’amarrage pour les navires à destination et en provenance de la Terre, la station permettra également des missions de longue durée vers Mars.
La passerelle aura ce que l’on appelle en mécanique orbitale une « orbite de halo quasi rectiligne » (NRHO), ce qui signifie qu’elle orbitera autour de la lune d’un pôle à l’autre. Pour tester la stabilité à long terme de cette orbite, la NASA enverra l’expérience CAPSTONE (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) sur la Lune d’ici la fin du mois de mai. Cette mission CubeSat de neuf mois sera le premier vaisseau spatial à tester cette orbite et à démontrer ses avantages pour la passerelle.
Le CAPSTONE, un CubeSat de 12 unités détenu et exploité par Advanced Space à Westminster, Colorado, est un démonstrateur technologique qui testera la stabilité d’une orbite de halo et de plusieurs systèmes cruciaux. Le lancement de la mission est prévu le 31 mai (au plus tôt), lorsqu’un bus spatial Rocket Lab Photon lancera le CAPSTONE lors de son voyage de quatre mois vers la lune. Après une série de manœuvres de « nettoyage » qui insèreront le vaisseau spatial sur son orbite, le CAPSTONE passera au moins six mois autour de la lune, n’allumant ses propulseurs qu’occasionnellement pour maintenir son orbite.
Crédit : NASA
Cette orbite elliptique emmènera CAPSTONE sur un chemin qui mène d’un pôle lunaire à l’autre, traçant un motif ovale constant autour de la lune. Il faudra près d’une semaine pour le terminer et verra le CubeSat voyager le plus lentement lorsqu’il sera autour du pôle Sud, où il sera à sa distance la plus éloignée de la surface (76 000 km, 47 000 mi). Lorsqu’il atteindra le pôle Nord, le vaisseau spatial atteindra sa vitesse maximale et effectuera son passage le plus proche de la surface à 3 400 km (2 100 mi).
Elwood Agasid, directeur adjoint du programme Small Spacecraft Technology au centre de recherche Ames de la NASA, a expliqué dans un communiqué de presse de la NASA : « CAPSTONE sera contrôlé et entretenu avec précision et bénéficiera énormément de la physique presque stable de son orbite de halo quasi rectiligne. les brûlures seront chronométrées pour donner au vaisseau spatial un coup de pouce supplémentaire car il crée naturellement un élan – cela nécessite beaucoup moins de carburant qu’une orbite plus circulaire nécessiterait.
« Cette orbite a l’avantage supplémentaire de permettre à Gateway d’avoir des communications optimales avec les futures missions Artemis opérant sur la surface lunaire ainsi que sur Terre. Cela pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour les futurs efforts d’exploration et de science lunaire. »
Animation de la mission CAPSTONE en orbite lunaire. Crédit : NASA/Daniel Rutter
Ces tests valideront les besoins en puissance et en propulsion pour maintenir son orbite comme prévu par les modèles de la NASA, réduisant les incertitudes logistiques. Au cours de ses nombreuses orbites, le CAPSTONE démontrera la fiabilité d’un système innovant de navigation entre engins spatiaux. Ce système mesurera la position du CAPSTONE CubeSat par rapport au Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA, qui est en orbite autour de la Lune depuis 2009, sans dépendre de stations au sol.
Pour tester ce système, CAPSTONE emportera un deuxième ordinateur de vol et une radio dédiés à la charge utile, qui effectueront des calculs pour déterminer où se trouve le CubeSat sur sa trajectoire orbitale. Les données obtenues à partir de cette liaison croisée avec le LRO seront utilisées pour mesurer la distance entre les deux satellites et la vitesse à laquelle cette distance change. Ce partage d’informations entre pairs permettra aux contrôleurs de mission d’évaluer le logiciel de navigation autonome de CAPSTONE et de déterminer la position du CubeSat en temps réel.
En validant ce logiciel, connu sous le nom de système de positionnement autonome Cislunar (CAPS), les futures missions de la NASA (ainsi que les agences et les partenaires commerciaux) pourront déterminer l’emplacement de leur vaisseau spatial sans s’appuyer sur des systèmes de suivi terrestres. Cela vient avec l’avantage supplémentaire de libérer de la bande passante pour les antennes au sol, permettant aux contrôleurs de mission de transmettre des données scientifiques de mission sur le processus de suivi relativement routinier.
Les ingénieurs de la NASA s’attendent également à ce que le NRHO leur permette de stationner des engins spatiaux beaucoup plus gros en orbite autour de la lune pendant environ 15 ans. Cela inclut la passerelle elle-même et le vaisseau spatial qui s’y accouplera pour faire le plein ou effectuer la prochaine étape de leur voyage, c’est-à-dire le vaisseau spatial Orion et le Deep Space Transport (DST). Ceci est crucial pour l’architecture de la mission « lune vers Mars » de la NASA, qui impliquera l’envoi de missions avec équipage sur la planète rouge au début des années 2030.