Chang'e 5

Trajectoire de la mission Apollo 15.

Les premières missions de retour d'échantillons lunaires de l'histoire eurent lieu durant la course à l'espace à la fin des années 1960 jusqu'au milieu des années 1970. À l'époque les États-Unis et l'Union soviétique sont lancés dans une compétition idéologique et technologique, et la Lune y occupe vite une place centrale. Les deux superpuissances y envoient tout d'abord des sondes pour effectuer des survols (comme Luna 1 et Pioneer 4), puis s'y placer en orbite (Luna 10 et Lunar Orbiter 1) et enfin s'y poser de façon automatique (Luna 9 et Surveyor 1). Parallèlement à leurs sondes robotiques ils développent des programmes de vol habité dont l'objectif est de poser des astronautes à la surface de la Lune et de les ramener sur Terre. Une telle architecture de mission implique par conséquent la capacité de ramener des échantillons lunaires.

Maquette de la sonde soviétique Luna 16.

Dans ce but la NASA développe durant les années 1960 le programme Apollo. Ce dernier adopte la méthode du rendez-vous en orbite lunaire afin de limiter la charge à mettre en orbite par le lanceur, bien qu'il en résulte une architecture de mission plus complexe. Ainsi la fusée Saturn V injecte en orbite de transfert vers la Lune le module de commande et de service (CSM) et le module lunaire (LM) qui se placent ensuite tous deux en orbite basse lunaire. Les deux modules se séparent puis le LM se pose à la surface de la Lune à l'aide de son étage de descente. Une fois les opérations au sol terminés, l'étage de remontée du LM décolle de la surface et effectue un rendez-vous spatial avec le CSM en orbite lunaire. Les deux modules se séparent puis le CSM effectue le trajet de retour vers la Terre et amerrit dans l'océan. Cette architecture de mission porte ses fruits et à 6 reprises des astronautes parviennent à se poser à la surface de la Lune et à en ramener des échantillons, pour une masse totale de 382 kilogrammes[1].

Le programme lunaire habité soviétique retient également la méthode du rendez-vous en orbite lunaire, ses trois composants étant la fusée super lourde N-1, le vaisseau Soyouz 7K-LOK et le module lunaire LK. Mais pour diverses raisons le programme n'aboutit pas, le lanceur N-1 échouant à quatre reprises à atteindre l'orbite. Constatant l'avance prise par les américains, les soviétiques décident de développer parallèlement à leur programme lunaire habité des sondes robotiques chargées de ramener des échantillons lunaires. Dans le but de simplifier l'architecture de leurs missions et d'alléger leurs sondes, ils décident que le module de remontée rentrera directement sur Terre après son décollage depuis la surface, sans passer par un rendez-vous en orbite autour de la Lune. Malgré de nombreux échecs trois missions parviennent à ramener des échantillons de la surface lunaire : Luna 16, Luna 20 et Luna 24, pour un total de 326 grammes[2].

L'exploration lunaire est considérée dès les années 1960 par les scientifiques chinois, mais ce n'est qu'après le succès de la sonde japonaise Hiten au début des années 1990 que l'idée d'un programme d'exploration spatiale est sérieusement envisagée, mais les dirigeants chinois donneront la priorité au plus ambitieux programme habité Shenzhou. La communauté scientifique chinoise, en particulier l'Académie Chinoise des Sciences, mèneront plusieurs études de faisabilité jusqu'à ce que le programme lunaire baptisé Chang'e (du nom de la déesse Chang'e de la mythologie chinoise) soit approuvé en février 2003. L'architecture du programme divisé en trois phases de complexité croissante est approuvée en janvier 2004 par le premier ministre Wen Jiabao. La première phase consiste à placer un orbiteur autour de la Lune, puis s'y poser, et enfin d'en ramener des échantillons. Afin de pallier d'éventuels échecs, chaque sonde est construite en deux exemplaires[3].

Vue d'artiste de Chang'e 1.

La première mission du programme, Chang'e 1, décolle le 24 octobre 2007 depuis la base de lancement de Xichang puis se place en orbite autour de la Lune deux semaines plus tard le 5 novembre. La mission est un succès complet et remplit tous ses objectifs en produisant notamment la première carte de la Lune en trois dimensions, puis elle s'écrase volontairement le 1^er mars 2009. Sa doublure Chang'e 2 s'envole le 1^er octobre 2010 puis se place en orbite autour de la Lune quatre jours plus tard. Dotée d'instruments plus performants, elle remplit ses objectifs et permet de cartographier avec précision le site envisagé pour le premier atterrissage du programme, en plus de tester des manœuvre simulant une descente vers la surface lunaire. Elle quitte ensuite l'orbite de la Lune le 8 juin 2011 pour se rendre au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. Elle manœuvre de nouveau pour se placer dans une orbite héliocentrique avant de survoler l'astéroïde (4179) Toutatis le 13 décembre 2012[4].

Schéma de l'atterrisseur Chang'e 4 et du rover Yutu 2.

La première mission de la deuxième phase du programme, Chang'e 3, décolle le 2 décembre 2013 à bord d'une Longue Marche 3B, le plus puissant lanceur chinois à l'époque, puis se pose avec succès dans la mer des pluies le 14 décembre. Il s'agit alors du premier atterrissage sur la Lune depuis la sonde soviétique Luna 24 en 1976. L'atterrisseur déploie un petit astromobile, Yutu, qui explore la surface lunaire durant un mois avant d'être immobilisé par une panne[5]. La doublure de la mission ayant déjà été construite, il est décidé de s'en servir pour accomplir le premier atterrissage de l'histoire sur la face cachée de la Lune. Cela est rendu difficile par l'impossibilité d'établir un lien de télécommunication direct avec la Terre, un problème que les ingénieurs chinois contourneront en plaçant un satellite relai, Queqiao, en orbite autour du point de Lagrange L2 du système Terre-Lune. Chang'e 4 décolle le 7 décembre 2018 puis atterrit avec succès le 4 janvier 2019 dans le cratère Von Karman, déployant ensuite le rover Yutu 2[6].

Logo du programme chinois d'exploration lunaire. Il est commun à toutes les missions Chang'e.

Les premières études commencent dès le lancement du projet en 2004, alors que la Chine n'a encore lancé aucune sonde spatiale. Le scénario initialement préféré par les ingénieurs chinois est celui du retour direct sur le modèle des sondes soviétiques Luna de retour d'échantillons. Ces dernières avaient recourt à une trajectoire particulière qui permettait à l'étage de remontée, à l'aide d'un décollage depuis la surface lunaire très précis, d'effectuer le voyage retour vers la Terre sans nécessiter de manœuvre de correction de trajectoire durant le transit. Cette méthode permet de gagner en masse et en simplicité, au prix d'un choix très restreint des sites d'atterrissage possibles, en raison des critères mathématiques de la trajectoire de retour à satisfaire. Les ingénieurs chinois décidèrent plutôt d'opter pour la méthode du rendez-vous en orbite lunaire, une architecture de mission similaire à celle adoptée par les américains et les soviétiques dans leur programme habité lunaire dans les années 1960. Cette technique a l'avantage de permettre un atterrissage à n'importe quel point de la surface lunaire (y compris les pôles), de ramener un échantillon plus conséquent et de développer des technologies utilisables a posteriori pour une mission habitée ou un retour d'échantillon martien. La mission est formellement approuvée par le gouvernement le 1^er janvier 2011 pour un coût estimé de 2,5 milliards d'euros[7]. Le projet est supervisé par l'Administration d'État pour la Science, la Technologie et l'Industrie de la Défense nationale (SASTIND) via l'Administration spatiale nationale chinoise (CNSA)[8]. Comme pour toutes les sondes spatiales chinoises, la conception et la construction de la mission est confiée à la Société de sciences et technologies aérospatiales de Chine (CASC) via ses trois filiales dédiées à la recherche et au développement des engins spatiaux. Ainsi l'Académie chinoise de technologie des lanceurs (CALT) est chargée de fournir la fusée Longue Marche 5 (alors encore en développement à l'époque)[9] tandis que l'Académie chinoise de technologie spatiale (CAST) devient le contractant principal de la sonde. Le développement et la construction de l'orbiteur et du système d'amarrage avec l'étage de remontée est confié à l'Académie de Shanghai pour la technologie des vols spatiaux (SAST)[10]^,[11].

Les composants de Chang'e 5 sont séparément testés au sol ou validés par des missions précédentes employant des technologies similaires (comme le succès de l'atterrissage de Chang'e 3 par exemple). Mais la capsule de retour des échantillons devra employer la méthode de la rentrée par ricochets (en) qui consiste à rebondir sur l'atmosphère lors de la rentrée atmosphérique afin de diminuer plus graduellement la vitesse et de limiter l'échauffement du bouclier thermique. Une telle manœuvre n'ayant encore jamais été accomplie en Chine, la SASTIND annonce en août 2014 qu'une mission dénommée Chang'e 5 T1 (pour Test 1) doit décoller en 2015 afin de la valider en situation réelle. La sonde réutilise tout comme Chang'e 1 et 2 la plateforme d'une satellite DFH-3 sur laquelle est fixée la capsule de rentrée, une version miniaturisée de la capsule de rentrée du vaisseau habité Shenzhou. L'ensemble a une masse de 2 450 kilogrammes au décollage, dont 1 065 kilogrammes d'ergols et 330 kilogrammes pour la capsule de retour. Le lancement a finalement lieu plus tôt que prévu, le 24 octobre 2014 à bord d'une fusée Longue Marche 3C depuis la base de lancement de Xichang. La sonde est injectée dans une trajectoire de retour libre puis survole la Lune trois jours plus tard le 27 octobre à 11 300 kilomètres d'altitude, avant de retourner en direction de la Terre. Alors que la sonde se trouve à 5 000 kilomètres de cette dernière le 31 octobre, la capsule de rentrée est larguée à 21h53 UTC puis commence sa rentrée atmosphérique à 22h12 UTC. Le rebond sur l'atmosphère se passe comme prévu, la capsule reprenant de l'altitude, avant de retomber une nouvelle fois vers la Terre. Elle atterrit finalement en Mongolie-Intérieure à 22h42 UTC. La mission est un succès complet, faisant de la Chine le troisième pays après les États-Unis et l'Union soviétique à effectuer une mission aller-retour vers la Lune[12].

Après avoir largué la capsule de retour, la plateforme de la sonde manœuvre afin de contourner la Terre et de prolonger sa mission. Elle survole de nouveau la Lune le 23 novembre afin d'effectuer une assistance gravitationnelle qui lui permet de se placer en orbite autour du point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. La mission ne s'achève pas là et la sonde manœuvre de nouveau pour se placer dans une orbite basse circulaire de 200 kilomètres d'altitude autour de la Lune le 13 janvier 2015. Par la suite la mission pratique différents tests, simulant des phases de la mission Chang'e 5 telle que l'insertion en orbite lunaire du module de remontée et l'amarrage entre ce dernier et l'orbiteur. Elle permet également de photographier avec une grande précision (jusqu'à 1 mètre de résolution) de potentiels sites d'atterrissages pour de futures missions, en plus d'étudier le champ de gravitation de la Lune[13].

La sonde en salle blanche avec les 4 modules assemblés.

La sonde s'appuie beaucoup sur les technologies développées pour les précédentes missions du programme, notamment le système d'atterrissage de Chang'e 3 et 4. De plus des analystes ont constaté que ces atterrisseurs étaient plus grand que nécessaire pour les rover Yutu et Yutu 2 de 140 kilogrammes, les ingénieurs chinois les ayant probablement surdimensionnés afin qu'ils puissent ensuite être reconfigurés pour les missions de retour d'échantillon emportant un lourd étage de remontée[14]. La capsule de retour est quant à elle testée à partir de novembre 2013 avec des essais de largage. L'orbiteur et le module de remontée ont recours à un nouveau moteur de 3 000 newtons de poussée qui est testé pour la première fois en décembre 2013. Il est mis à feu 37 fois avec succès à la fin du mois de novembre 2014. Par la suite en janvier 2015 une série de tests des moteurs principaux de l'atterrisseur et du module de remontée sont conduits sur une période de 9 jours, avant que les deux modules soient finalement approuvés à la fin du mois de mars. Durant l'été 2015 une nouvelle série de tests a lieu comprenant des essais de mise à feu des propulseurs d'attitude dans une chambre à vide, un test de la descente de l'atterrisseur suspendu à un portique afin de simuler la gravité lunaire, et un test du système de séparation entre la sonde et la fusée[15]. Lors du décollage depuis la surface lunaire, le moteur principal du module de remontée doit s'allumer alors qu'il se trouve juste au-dessus de l'atterrisseur. Le peu d'espace pour l'échappement des gaz rend cette phase complexe, c'est pourquoi elle est testée avec succès de juin à juillet 2015 dans une chambre à vide simulant les conditions à la surface de la Lune[16]. Les capteurs utilisés pour l'amarrage automatisé en orbite lunaire entre le module de remontée et l'orbiteur, des versions miniaturisées de ceux employés pour le programme habité, comprenant des lidar et senseurs à micro-onde passèrent leur tests d'étalonnage en décembre 2015. Le bras robotique est livré en 2014. La foreuse de l'atterrisseur est testée sur différent matériaux dont cinq basaltes de haute densité ainsi des briques de grès et d'argile simulant les roches susceptibles d'être rencontrées. Elle est également testée dans une chambre à vide, sans air pour dissiper la chaleur, le foret y atteint une température de 250 °C en 4 minutes. De telles conditions l'exposant à un risque de rupture, il est décidé de limiter la vitesse de forage à 120 tours par minute avec des pauses régulières de 5 minutes[15].

Une version de test du lanceur lourd Longue marche 5 fait pour la première fois le trajet de son bâtiment d'assemblage à son pas de tir le 23 novembre 2015 avec une maquette de la sonde Chang'e 5 sous la coiffe[17]. Mais le 2 juillet 2017 le deuxième vol de la fusée se solde par un échec, alors que le lancement de Chang'e 5 était prévue plus tard dans l'année. Le lanceur étant indispensable à la mission, le décollage de la sonde subit un retard de trois ans, le temps d'identifier le problème et de conduire de nouveaux vols d'essais[18]. Le 17 janvier 2020 la CASC annonce que la sonde Chang'e 5 — qui est complète depuis 2017 — décollera fin octobre[19].

L'orbiteur de forme cylindrique est chargé des manœuvres de corrections de trajectoires pendant le transit entre la Terre et la Lune, puis de l'insertion en orbite lunaire. Après son décollage depuis la surface, le module de remontée vient s'amarrer à l'orbiteur afin de transférer les échantillons dans la capsule de rentrée. Cette dernière quitte ensuite l'orbite lunaire grâce à l'orbiteur, ici chargé de l'injection dans l'orbite de transfert en direction de la Terre. Il dispose d'un moteur principal à ergols liquides d'une poussée constante de 3 000 newtons, ainsi que de 2 ailes symétriques comportant chacune 3 panneaux solaires fournissant l'énergie. Ces deux caractéristiques en font un engin semblable à l'orbiteur de la sonde martienne Tianwen-1. Il dispose également de moyens de télécommunication afin de transmettre au contrôle au sol ses télémesures et de recevoir des commandes, ainsi que de petits propulseurs pour contrôler son attitude. En configuration de lancement l'orbiteur est fixé sur le dernier étage de la fusée, il comporte de plus un adaptateur en forme de cône tronqué sur sa face supérieure qui fait la jonction avec l'atterrisseur[25]. Après l'amarrage avec le module de remontée en orbite lunaire, un mécanisme composé de deux bras robotiques est chargé de transférer le conteneur des échantillons dans la capsule de retour. Le conteneur est guidé par des rails tandis que les bras s'agrippent à des crans en forme de triangle inversé sur le flan du conteneur, empêchant ce dernier de faire marche arrière. Les bras robotiques répètent leur mouvement 4 fois afin de compléter le transfert du conteneur[26].

Vue d'artiste de l'atterrisseur posé à la surface de la Lune, avec le module de remontée sur sa face supérieure.

L'atterrisseur est l'élément chargé de se poser à la surface de la Lune avec le module de remontée. Il reprend une architecture et des caractéristiques très similaires aux atterrisseurs mis en œuvre par les missions Chang'e 3 et Chang'e 4 qui l'ont précédé. D'une masse à sec d'une tonne, il pèse 3,8 tonnes avec les ergols. Pour se poser à la surface de la Lune, il utilise un moteur-fusée à ergols liquides principal dont la poussée peut être modulée entre 1 500 et 7 500 newtons. De cette manière il fonctionne en continu durant la descente vers la surface lunaire en diminuant progressivement sa poussée afin de maintenir une décélération constante compte tenu de l'allégement progressif de l'engin spatial dû à la consommation des ergols. Le contrôle d'attitude repose sur 28 petits propulseurs d'une poussée de 10 et 150 newtons. L’énergie est fournie par deux panneaux solaires déployables et repliables à la demande, notamment pour les protéger des projections de poussières lunaire lors de l'atterrissage qui pourraient les endommager. Une centrale à inertie est chargée de donner l'orientation de la sonde, tandis que durant la descente vers la surface lunaire l'ordinateur de bord utilise pour le guidage un altimètre laser, un altimètre à micro-onde, des caméras et un capteurs laser imageant le sol en trois dimensions, afin d'analyser la surface et de repérer les obstacles[27]. La précision de l'atterrissage est de 700 mètres. L'atterrisseur est conçu pour fonctionner dans des conditions proches du milieu de la journée lunaire, lorsque l'ensoleillement lui procure suffisamment d'énergie via ses panneaux solaires[25]. Contrairement aux atterrisseurs Chang'e 3 et Chang'e 4, il n'est pas équipé de source de chaleur radioactive ou d'un générateur thermoélectrique à radioisotope et n'est donc pas conçu pour survivre à la nuit lunaire[28].

Une fois posé l'atterrisseur dispose d'un bras robotique télécommandé à 4 degrés de liberté de 3,6 mètres de long et d'une masse de 22 kilogrammes. Il est conçu pour fonctionner malgré la température à la surface lunaire qui dépasse les 100 °C et sa précision de positionnement est de 2 millimètres. Une caméra télescopique est positionnée sur le deuxième segment du bras afin de suivre les opérations. L'extrémité du bras est équipé de deux systèmes de prélèvement d'échantillons distincts dits échantillonneur A et B. Ils sont placés dos à dos sur un plateau de sorte que le bras fait pivoter sa dernière articulation pour placer l'un ou l'autre des échantillonneurs au contact du régolithe lunaire. L'échantillonneur A dispose d'une pelle rotative pour creuser un sol meuble, qui fonctionne de concert avec une autre pelle télescopique pour recueillir des échantillons superficiels. Leur mouvement respectif sont obtenus à l'aide de deux moteurs indépendants. Placées l'une contre l'autre les deux pelles permettent de contenir les échantillons et d'ainsi les transférer dans le conteneur. L'échantillonneur B a une forme cylindrique avec 8 pétales rétractables qui en position déployée forment une demi-sphère. Lors d'un prélèvement, les pétales sont en position ouverte et le cylindre est appliqué contre la surface. Un moteur fait tourner le cylindre sur lui-même, creusant le sol à l'aide de l'extrémité des pétales qui dépassent des bords du cylindre. Une fois enfoncé à son maximum, les pétales se déploient pour contenir le prélèvement, puis les échantillons sont transférés dans le conteneur. Un piston est chargé de pousser le prélèvement vers l'extérieur pour vider le cylindre. Deux caméras sont installés parallèlement à chaque échantillonneur afin de suivre les opérations de prélèvement[29]. Après chaque prélèvement, les échantillons sont transférés dans un conteneur situé sur l'atterrisseur à proximité du bras robotique. Lorsque les prélèvements sont terminés, le bras robotique à l'aide de l'échantillonneur A extrait le conteneur du corps de l'atterrisseur et vient le placer dans le module de remontée. Le conteneur et les deux échantillonneurs sont conçus par l'Université Polytechnique de Hong Kong[30]. L'atterrisseur dispose également d'une foreuse de type rotatif à percussion capable de prélever des carottes du sol lunaire jusqu'à une profondeur de 2 mètres. Celles-ci sont ensuite stockées dans un tube en kevlar qui est transféré dans le module de remontée[25]. Le système est capable de prélever un maximum de 4 kilogrammes d'échantillons, mais l'objectif est d'en collecter un minimum de 2 kilogrammes, dont 0,5 kilogramme par la foreuse et 1,5 kilogramme par le bras robotique[31].

Le module de remontée d'une masse de 800 kilogrammes est fixé sur le pont supérieur de l'atterrisseur où il reste en sommeil jusqu'à son décollage depuis la surface de la Lune. Un mécanisme relie latéralement les deux véhicules, canal par lequel transitent l'énergie, les données mais également les échantillons. Cette interface se détache ensuite du module de remontée et s'écarte afin de laisser le champ libre au décollage[25]. Pour ce faire il utilise un moteur principal d'une poussée de 3 000 newtons identique à celui mis en œuvre sur l'orbiteur et dispose de 20 propulseurs d'attitude pour contrôler son orientation et effectuer de petites manœuvres. Sa tuyère se trouve à seulement 20 centimètres du haut de l'atterrisseur, un petit déflecteur de flamme en forme de cône joue le rôle de carneau en contrôlant l'écoulement des gaz générés lors de l'allumage du moteur. Ce dernier est isolé du reste du module de remontée par plusieurs couches d'isolant thermique pour que sa chaleur n'endommage pas ses composants. Le module de remontée est conçu pour pouvoir décoller de la surface lunaire même avec un atterrisseur incliné à 20 degrés. Le décollage depuis la surface lunaire repose sur le système de Guidage, Navigation et Contrôle qui se base sur les données de plusieurs capteurs à savoir des gyroscopes, accéléromètres et viseurs d'étoiles pour corriger la trajectoire. Il est conçu pour gérer différentes situations d'urgence comme une extinction prématurée du moteur principal, allumant dans un tel cas les propulseurs d'attitude pour compléter l'insertion en orbite [16]. Le rendez-vous orbital emploie un système miniaturisé de celui mis en œuvre dans le programme de vol habité, avec une combinaison de radar, de laser et de capteur micro-onde[27]. Le mécanisme d'amarrage passif sur le module de remontée est composé de 3 barres faisant un angle de 120° les unes avec les autres. Elles sont agrippées par 3 pinces sur le mécanisme de l'orbiteur, maintenant les deux modules fermement ensemble. Les échantillons sont ensuite transférés dans la capsule de retour[26].

La capsule de retour est fixée durant la majeure partie de la mission sur l'orbiteur, dans une cavité entre ses réservoirs d'ergols. Son architecture est très similaire à une version miniaturisée du vaisseau spatial habité Shenzhou, avec la forme en cloche caractéristique héritée des vaisseaux soviétiques Soyouz et Zond. La capsule de retour comprend un bouclier thermique chargé de la protéger de la forte chaleur générée lors de la rentrée atmosphérique, d'autant plus que cette dernière se fera à la seconde vitesse cosmique (environ 11 kilomètres/secondes). Durant cette phase la capsule dispose de propulseurs d'attitude, contrôlant de fait sa portance et donc sa trajectoire afin d'atterrir dans la zone visée. Une fois en dessous de 10 kilomètres d'altitude, elle déploie son parachute de freinage puis son parachute principal, indiquant à l'aide d'un balise sa position aux équipes au sol chargées de la récupérer[25].

La fusée Longue Marche 5 au moment de l'allumage des moteurs, lors du lancement de Chang'e 5.

La sonde Chang'e 5 arrive par avion à la base de lancement de Wenchang en juillet 2020 pour commencer les préparatifs[39]. Les médias d'État chinois annoncent que le lancement doit avoir lieu fin novembre, sans spécifier le jour ni l'heure. Le lanceur Longue Marche 5 est finalement transporté sur sa table de lancement de son bâtiment d'assemblage jusqu'à son pas de tir le 17 novembre, le trajet de 2,8 kilomètres durant environ 2 heures[40]. Le remplissage des réservoirs de la fusée avec l'oxygène liquide et l'hydrogène liquide cryogénique débute le 23 novembre à 10h30 UTC[41]. Le lancement a lieu de nuit pour plusieurs raisons : la mécanique orbitale impose des contraintes vis-à-vis de la position relative de la Terre et de la Lune ; éviter les perturbations que pourraient causer les radiations solaires sur l'électronique de la fusée ; la densité moindre de la couverture nuageuse de nuit facilite les télécommunications entre le contrôle au sol et le lanceur ; la lumière du jour pourrait "éblouir" les antennes des stations au sol, ce qui nuirait au suivi de la trajectoire de la sonde après sa séparation de la fusée[42].

Le 23 novembre à 20h30 UTC (T-0) la sonde s'envole à bord du sixième exemplaire de la fusée Longue Marche 5 depuis la base de lancement de Wenchang sur l'île d'Hainan. Les quatre propulseurs d'appoint apportant l'essentiel de la poussée au décollage comportent chacun deux YF-100, le seul moteur-fusée chinois brûlant du kérosène et de l'oxygène liquide. Ils se séparent de l'étage central comme prévu à T+3 minutes, puis la coiffe est larguée à T+6 minutes. La trajectoire de la fusée la conduit à survoler Luçon, la plus grande île des Philippines, les propulseurs d'appoint et la coiffe retombant dans l'océan au large de ses côtes. L'étage central cryogénique propulsé par deux YF-77 fonctionne jusqu'à T+8 minutes avant de se séparer à son tour, le deuxième étage prenant le relais. Ce qui reste de la fusée atteint finalement une orbite terrestre basse dite de parking à T+12 minutes 20 secondes. Les deux moteurs YF-75D du deuxième étage s'allument de nouveau à T+28 minutes pendant presque 7 minutes afin de procéder à l'injection trans-lunaire. Finalement la sonde se sépare du deuxième étage à T+36 minutes 25 secondes, le lancement est un succès. Les panneaux solaires de l'orbiteur se déploient à T+55 minutes, puis suivent ceux de l'atterrisseur. Ils sont disposés de façon perpendiculaire, de sorte qu'ils ne se gênent pas mutuellement[28]. L'intégralité du lancement est diffusée en direct par la télévision chinoise, notamment grâce à des caméras embarquées à bord de chacun des étages[43]. La sonde est alors dans une orbite de transfert vers la Lune, soit une orbite terrestre très elliptique de 200 × 410 000 kilomètres inclinée de 23,5° par rapport à l'équateur[44]^,[45].

Au cours de son transit vers la Lune la sonde doit procéder à plusieurs manœuvres de correction de trajectoire ou TCM (de l'anglais Trajectory Correction Maneuver) afin de compenser certaines perturbations telles que la pression de rayonnement provoquée par le soleil qui pourraient causer d'importantes déviations en bout de course[46]. La première manœuvre de correction de trajectoire a lieu avec succès le 24 novembre à 14h06 UTC à l'aide du moteur principal de l'orbiteur de 3 000 newtons de poussée mis à feu durant 2 secondes. Cette mise à feu permet également de tester son bon fonctionnement, en prévention de la manœuvre cruciale d'insertion en orbite lunaire. L'ampleur de la correction à apporter est faible car la précision du lancement a été meilleure que prévue. La sonde est alors dans l'espace depuis 17 heures et se trouve à 160 000 kilomètres de la Terre[47]. La deuxième manœuvre de correction de trajectoire a lieu le 25 novembre à 14h06 UTC lorsque l'orbiteur allume simultanément deux de ses moteurs d'attitude de 150 newtons de poussée durant 6 secondes. La sonde se trouve alors à 270 000 kilomètres de la Terre et est dans l'espace depuis 41 heures. La CNSA annonce de plus que tous les systèmes sont dans de bonnes conditions et que le suivi et les télécommunications de la sonde avec le sol se passent normalement[48] par le champ de gravité de la Lune. La manœuvre dite d'insertion en orbite lunaire a lieu le 28 novembre à 12h58 UTC lorsque le moteur principal de l'orbiteur est mis à feu en continu durant 17 minutes. La sonde survolait la Lune à une altitude de 400 kilomètres environ, 112 heures après son décollage depuis la Chine[49]. Cette manœuvre place la sonde dans une orbite elliptique qu'elle doit parcourir durant 24 heures avant de freiner une nouvelle fois pour se placer dans une orbite basse autour de la Lune. Cela est dû à la masse très importante de la sonde en comparaison de la poussée du moteur de l'orbiteur, ce qui contraint à avoir recours à deux freinage successifs[50]. La seconde manœuvre a finalement lieu le 29 novembre à 12h23 UTC à 400 kilomètres d'altitude[51]. La sonde s'insère dans une orbite basse circulaire de 200 kilomètres autour de la Lune, puis la séparation entre l'atterrisseur et l'orbiteur a lieu le 29 novembre à 20h30 UTC[52].

Photographie depuis l'orbite de l'atterrisseur de Chang'e 5 posé à la surface de la Lune prise par l'orbiteur LRO de la NASA.

La séquence d'atterrissage est très proche de celle mise en œuvre par les sondes Chang'e 3 et Chang'e 4. L'atterrisseur utilise son moteur principal pour se placer dans une orbite de 200 × 15 kilomètres, le périsélène étant positionné en amont du site visé. L'atterrisseur reste 3 jours dans cette orbite, attendant un ensoleillement favorable du site visé et analysant ce dernier à l'aide de ses capteurs embarqués. La séquence d'atterrissage commence le 1^er décembre à 14h57 UTC lorsque l'atterrisseur allume son moteur à poussée variable au niveau du périsélène, et ce en continu durant 700 secondes dans le sens opposé à son déplacement afin de diminuer graduellement sa vitesse initiale qui était de 1,7 kilomètre/seconde. L'atterrisseur devient plus léger au fur et à mesure que les ergols sont consommés, il réduit donc la poussée de son moteur afin de maintenir une décélération constante.

Carte du contexte géologique du site d'atterrissage de Chang'e 5 (cercle noir) prise par l'orbiteur LRO de la NASA. La colline Louville ω est visible depuis l'atterrisseur.

Aux alentours de 2 kilomètres d'altitude, l'atterrisseur utilise ses propulseurs d'attitude afin de changer progressivement son orientation de 90°, faisant ainsi la transition entre phase de descente horizontale et verticale. Lorsqu'il n'est plus qu'à 100 mètres d'altitude au-dessus de la surface lunaire, l'atterrisseur annule sa vitesse verticale afin d'analyser le sol à l'aide de nombreux capteurs dont une caméra optique et un capteur laser imageant le relief en trois dimensions. L'atterrisseur repère ainsi les obstacles et sélectionne un site dégagé vers lequel il se déplace horizontalement à l'aide de ses propulseurs d'attitude. Il descend ensuite verticalement à vitesse constante jusqu'à une altitude de 4 mètres. Il coupe alors son moteur principal et tombe en chute libre, les trains d'atterrissage amortissant l'impact[38]^,[28]. Le contact avec le sol lunaire a lieu le 1^er décembre à 15h11 UTC, l'atterrisseur se posant à 51,8 degrés ouest et 43,1 degrés nord, il est incliné de 2 degrés[16]. Il réalise ensuite un bilan de santé puis déploie avec succès ses panneaux solaires et son antenne parabolique directionnelle[53].

L’atterrissage a lieu au début de la journée lunaire (d'une durée de 14 jours terrestres), lorsque la température à la surface de la Lune est optimale pour les opérations au sol. De plus l'atterrisseur a besoin d'un bon ensoleillement car ses systèmes de prélèvement consomment beaucoup d'énergie. Une fois posé, l'atterrisseur dispose de 48 heures pour récolter les échantillons et les transférer dans le module de remontée. Il n'est pas conçu pour résister à la baisse drastique de température liée à la nuit lunaire, et l'arrivée de cette dernière signifiera la fin de sa mission[28]. Il utilise ses instruments scientifiques, une caméra panoramique (PCAM), un radar à pénétration de sol (LRPR) et un spectromètre visible/infrarouge (LMS) pour étudier le site d'atterrissage. Les données récoltées permettent de donner le contexte géologique des échantillons et de sélectionner les sites de prélèvement les plus prometteurs sur le plan scientifique[32]. La foreuse de l'atterrisseur est la première à entrer en action, elle prélève une carotte de sol jusqu'à 2 mètres de profondeur qui sont ensuite transférés dans le conteneur au sommet du module de remontée. La CNSA annonce que le forage a été réalisé avec succès le 1^er décembre à 20h53 UTC[54].

Vue d'artiste du drapeau chinois photographié par l'atterrisseur.

L'atterrisseur utilise son bras robotique afin de prélever du régolithe lunaire, qu'il verse ensuite dans le conteneur. Le bras est équipé de deux échantillonneurs A et B, mais l'échantillonneur B n'est finalement pas utilisé car conçu en cas de site d'atterrissage difficile[55]. L'échantillonneur A qui se rapproche d'une pelle réalise 12 prélèvements au lieu des 15 prévus initialement, car la quantité de régolithe collectée est supérieure à celle attendue. Le prélèvement le plus rapide dura 50 minutes[56]. Un double de l'atterrisseur et de son bras robotique sont utilisés par les équipes au sol pour simuler le prélèvement et guider les opérations. De plus la topographie de la zone d'échantillonnage est répliquée à l'identique à l'aide des images obtenus par l'atterrisseur afin de reproduire avec fidélité le contexte géologique. Le conteneur est scellé sur place pour que les échantillons ne soient pas contaminés lors du retour sur Terre, puis il est transféré par le bras robotique dans le module de remontée. Après 19 heures de travail, les opérations au sol sont terminées le 2 décembre à 14h00 UTC[57]. L'atterrisseur déploie également un petit drapeau de la République populaire de Chine qui est ensuite pris en photo par la caméra panoramique[58].

En préparation de l'amarrage avec le module de remontée, l'orbiteur largue l'adaptateur avec l'atterrisseur devenu inutile le 2 décembre à 19h46 UTC[59]. Le module de remontée décolle de la surface lunaire le 3 décembre à 15h10 UTC, s'insérant 6 minutes plus tard en orbite autour de la Lune à l'aide de son moteur principal de 3 000 newtons, l'atterrisseur lui ayant servi de table de lancement. C'est le premier décollage depuis un autre corps céleste que la Terre pour une mission spatiale chinoise. La lumière de la Lune empêchant le module de remontée de se repérer à l'aide de ses viseurs d'étoiles, il utilise ses capteurs internes afin de déterminer sa position et son attitude, avec le soutien de la télémesure du contrôle au sol[60]. Son orbite initiale est de 15 × 180 kilomètres autour de la Lune[38]. Le rendez-vous spatial entre l'orbiteur et le module de remontée se déroule en quatre phases, rapprochant successivement les deux modules à 50 kilomètres, 5 kilomètres, 1 kilomètre puis 100 mètres l'un de l'autre. L'amarrage est rendu difficile par la différence de masse entre les deux modules, l'orbiteur pesant encore 2,3 tonnes contre seulement 400 kilogrammes pour le module de remontée. C'est le premier rendez-vous et amarrage automatique en orbite d'un autre corps céleste que la Terre de l'histoire[61]. Le module de remontée s'amarre finalement à l'orbiteur le 5 décembre à 21h42 UTC. Le conteneur des échantillons est transféré dans la capsule de retour à 22h12 UTC[62].

Vue d'artiste de la séparation du module de remontée (à gauche) et de l'orbiteur (à droite).

L'orbiteur et le module de remontée se séparent le 6 décembre à 4h35 UTC, ce dernier reste accroché à l'interface d'amarrage[63]. Le contrôle au sol commande finalement le 7 décembre à 22h59 UTC au module de remontée d'utiliser une dernière fois sa propulsion pour se désorbiter. Il s'écrase sur la Lune 30 minutes plus tard au point prévu, de coordonnées sélénographiques 0 degrés ouest et 30 degrés sud environ. Cette manœuvre permet d'éviter d'en faire un débris spatial, ce qui aurait pu affecter les futures missions lunaires de la communauté internationale[64]. Après 6 jours d'attente en orbite lunaire afin de viser une fenêtre de transfert optimale, l'orbiteur utilise de nouveau ses moteurs le 12 décembre à 1h54 UTC et se place dans une orbite elliptique en prévision du retour vers la Terre. Cette méthode en deux temps est semblable à celle employée lors de l'insertion en orbite lunaire deux semaines plus tôt[65]. Le 13 décembre à 1h51 UTC l'orbiteur s'insère finalement dans une orbite de transfert vers la Terre en allumant quatre de ses moteurs de 150 newtons durant 22 minutes. La sonde spatiale se trouve à 230 kilomètres d'altitude au-dessus de la Lune au moment de la manœuvre[66]. Comme durant le voyage aller au début de la mission, la sonde a recourt à des manœuvres de correction de trajectoire afin d'ajuster sa course en direction de la Terre. La première d'entre elles a lieu le 14 décembre à 3h13 UTC lorsque l'orbiteur allume durant 28 secondes deux de ses moteurs de 25 newtons[67]. La deuxième manœuvre de correction de trajectoire a lieu le 16 décembre à 1h15 UTC, l'orbiteur utilisant deux de ses moteurs de 25 newtons durant 8 secondes[68].

Le 16 décembre à 17h00 UTC le contrôle au sol transmet à la sonde ses paramètres de navigation, puis la capsule se sépare de l'orbiteur à une altitude de 5 000 kilomètres au-dessus de l'océan Atlantique sud. L'orbiteur réalise ensuite une manœuvre d'évitement afin de ne pas se désintégrer dans l'atmosphère terrestre et de conduire une potentielle prolongation de mission. À 17h33 UTC la capsule débute sa rentrée atmosphérique à la deuxième vitesse cosmique, soit 11,2 kilomètres par seconde, pour une altitude d'environ 120 kilomètres au-dessus du sol[69]. Durant cette phase le bouclier thermique atteint plus de 2 000 °C tandis que la forme de la capsule génère une portance qui lui permet de contrôler sa trajectoire de rentrée[70]. Cette dernière utilise la méthode de la rentrée par ricochets (en) : la capsule effectue une rentrée atmosphérique jusqu'à une altitude de 60 kilomètres avant de rebondir sur l'atmosphère. Elle décrit alors une parabole jusqu'à une altitude maximale comprise entre 100 et 140 kilomètres, puis retombe de nouveau et poursuit sa rentrée à une vitesse moindre. Cette méthode permet de prolonger la phase de la rentrée atmosphérique, limitant ainsi la décélération et l'échauffement du bouclier thermique[38]. À une altitude d'environ 10 kilomètres la capsule déploie son parachute puis elle se pose finalement comme prévu dans la bannière de Siziwang en Mongolie-Intérieure le 16 décembre à 17h59 UTC. Les équipes au sol arrivent peu après sur le site d'atterrissage en prévision du transport par hélicoptère de la capsule vers Pékin où le conteneur des échantillons doit être extrait[69].

Programme Apollo et Programme Luna

• (en) Tom Lund, Early exploration of the moon : ranger to Apollo, Luna to Lunniy Korabl, Cham/Chichester, Springer Praxis, 2018, 381 p. (ISBN 978-3-030-02071-2, 3-030-02071-1 et 3-030-02070-3, OCLC 1080998916, lire en ligne)

Programme spatial chinois en général

• (en) Marco Aliberti, When China Goes to the Moon..., Springer, 2015, 336 p. (ISBN 978-3-319-19472-1, ISSN 1868-5307, DOI 10.1007/978-3-319-19473-8)
• (en) Brian Harvey, China in space : the great leap forward, Springer Praxis, 2019, 564 p. (ISBN 978-3-030-19587-8)

• Lune
• Géologie de la Lune

• Exploration de la Lune
• Mission de retour d'échantillons
• Programme Luna, programme de sonde robotique lunaire mené par l'Union Soviétique de 1959 à 1976
• Programme Apollo, programme de vol habité lunaire mené par la NASA de 1961 à 1972
• Programme Artemis, programme de vol habité lunaire mené par la NASA à partir de 2019

• Programme spatial de la Chine
• Programme chinois d'exploration lunaire
• Chang'e 5 T1, sonde lunaire chinoise qui survola la Lune en 2014 et testa la capsule de rentrée
• Chang'e 4, sonde lunaire chinoise qui effectua le premier atterrissage sur la face cachée de la Lune en 2019

• (en) Chang'e 5 sur le site Spaceflight101

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