Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer

Au milieu des années 2000, deux rapports - l'Étude décennale sur les sciences planétaires produit par le Conseil national de la recherche des États-Unis et le rapport sur le contexte scientifique de l'exploration de la Lune (Scientific Context for Exploration of the Moon, SCEM) rédigé dans le cadre du programme Constellation - font de l'étude de l'exosphère lunaire une des priorités scientifiques de l'exploration du Système solaire. Pour répondre à cette attente, la NASA décide en février 2008 de développer un petit orbiteur baptisé LADEE[Note 1], qui doit collecter des données en se plaçant sur une orbite basse autour de la Lune[2]. La mission a un coût prévisionnel de 280 millions de dollars américains incluant le lancement et la phase opérationnelle. La NASA confie la réalisation de la sonde spatiale à deux de ses centres : la gestion du projet et l'assemblage de la sonde spatiale sont pris en charge par le centre de recherche Ames tandis que le centre de vol spatial Marshall est responsable de la gestion de l'instrumentation embarquée qui est développée par d'autres entités internes ou externes (Goddard, Ames, université du Colorado). La mission spatiale LADEE est rattachée au programme Lunar Precursor Robotic dont l'objectif est l'étude scientifique de la Lune à l'aide d'engins robotisés à coût modéré. Le programme comprend également la mission LRO lancée le 18 juin 2009[3].

L'étude de l'atmosphère des autres planètes et lunes contribue à notre compréhension des processus à l’œuvre dans l'atmosphère terrestre. Les objectifs de la mission LADEE sont d'étudier l'atmosphère ténue de la Lune (exosphère) ainsi que la poussière lunaire en suspension dans celle-ci. L'exosphère de notre satellite se rattache à la catégorie d'atmosphère la plus répandue dans le Système solaire, caractérisée par une densité très faible décroissant rapidement lorsqu'on s'élève au-dessus de la surface. Les caractéristiques de ce type d'atmosphère sont mal connues. Dans ce contexte, les objectifs de la mission sont[4] :

• Déterminer la densité globale, la composition et les variations dans le temps de l'atmosphère ténue de la Lune.
• Déterminer ses interactions avec la surface, son origine et les processus qui contribuent à la faire disparaître. En effet, celle-ci est très fragile et risque d'être modifiée par les futures activités humaines.
• Déterminer les caractéristiques de la poussière présente dans l'atmosphère lunaire et déterminer ses impacts sur celle-ci. Les équipages du programme Apollo qui ont atterri sur la Lune ont observé des lueurs au niveau de l'horizon. La mission doit permettre de savoir si la poussière lunaire est à l'origine de ce phénomène.
• Déterminer la taille, la charge électrique et la distribution spatiale des grains de poussière transportés par les forces électrostatiques et déterminer leurs effets pour la conception des missions d'exploration et des instruments d'astronomie basés sur le sol lunaire.

Initialement la planification de la mission prend en compte l'arrivée prochaine sur le sol lunaire des équipages du programme Constellation qui est annulé par la suite. Il s'agit d'effectuer l'étude de l'exosphère avant que les activités humaines à sa surface ne puissent modifier de manière significative ses caractéristiques.

La mission doit également permettre de :

• Valider l'utilisation de laser pour les télécommunications spatiales à grande distance.
• Contribuer à la mise au point d'une architecture d'engin spatial à bas coût, capable de réaliser des missions interplanétaires.
• Valider l'utilisation du lanceur Minotaur V pour le lancement de missions interplanétaires.

La sonde lors de tests avant son lancement.

LADEE a une forme cylindrique (2,37 m de haut pour un diamètre de 1,85 m) et pèse 383 kg dont 49,6 kg d'instruments scientifiques et environ 134,8 kg d'ergols. Le satellite est stabilisé sur 3 axes à l'aide de roues de réaction. Trente panneaux solaires couvrant le corps de la sonde spatiale peuvent fournir une puissance électrique de 295 watts. LADEE dispose d'une propulsion à ergols liquides brûlant un mélange de méthylhydrazine et de peroxyde d'azote mis sous pression par de l'hélium. Un moteur-fusée principal d'une poussée de 460 newtons est utilisé pour les modifications de l'orbite tandis que 4 petits propulseurs de 22 N sont mis en œuvre pour stabiliser la sonde lorsque le propulseur principal fonctionne et pour « désaturer » les roues de réaction. Les communications se font en bande S par l'intermédiaire d'une antenne moyen gain et d'une antenne faible gain. L'architecture de LADEE repose sur une structure modulaire (Modular Common Spacecraft Bus). Le système de télécommunications permet un débit de 10 ko/s pour les données scientifiques. La NASA espère pouvoir réutiliser les modules remplissant des fonctionnalités standard pour de prochaines missions interplanétaires permettant d'économiser une partie des coûts de développement (architecture Modular Common Spacecraft Bus)[5].

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  Position des instruments scientifiques.
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  LADEE est le premier exemplaire d'un modèle de sonde spatiale modulaire.

LADEE emporte trois instruments scientifiques qui sont tous dérivés d'instruments ayant déjà volé à bord de sondes spatiales[6]  :

• UVS (Ultraviolet and Visible Light Spectrometer) est un spectromètre fonctionnant en lumière visible et en ultraviolet chargé de déterminer la composition de l'atmosphère lunaire en analysant les signatures lumineuses des matériaux qui s'y trouvent. UVS permet de détecter les longueurs d'onde comprises entre 230 et 810 nanomètres. Il utilise deux modes d'observation : l'observation du limbe lunaire effectuée en pointant le télescope environ 20 km au-dessus de la surface au niveau du terminateur. L'autre mode d'observation consiste à observer le Soleil lorsque celui-ci passe derrière l'exosphère de la Lune : ce mode permet de mesurer la proportion de poussière présente dans l'exosphère et d'en déduire sa quantité.
• NMS (Neutral Mass Spectrometer) est un spectromètre de masse qui mesure les concentrations des différents composants de l'atmosphère lunaire et leurs variations dans le temps et dans l'espace. NMS permet de détecter toute molécule ou atome ayant une masse atomique comprise entre 2 et 150. L'instrument doit en particulier mesurer les quantités d'hélium qui reflètent l'impact du vent solaire sur l'exosphère lunaire ainsi que l'argon. NMS permet également de mesurer la présence d'éléments métalliques qui reflètent l'existence de processus générant l'atmosphère nécessitant plus d'énergie comme l'impact des micrométéorites à la surface. Enfin, l'instrument doit également mesurer la présence de traces d'atomes ou molécules comme le méthane, le soufre, le magnésium, le monoxyde de carbone, l'hydrogène et l'eau ou des fragments de type hydroxyle.
• LDEX (Lunar Dust Experiment) collecte et analyse la poussière présente dans l'atmosphère ténue de la Lune. Les particules de poussière viennent frapper une cible ayant la forme d'un hémisphère générant un nuage d'électrons et d'ions. Ces derniers sont focalisés et accélérés par un champ électrique et viennent frapper un détecteur de type disque à microcanaux. L'instrument permet de mesurer des poussières d'un diamètre d'un micron ou plus.

• Instrumentation embarquée
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  Le spectromètre UVS.
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  Le spectromètre de masse NMS.
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  L'analyseur de poussière lunaire LDEX.
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  Schéma du système de communications laser LLCD.

Enfin, la sonde emporte un démonstrateur technologique LLCD (Lunar Laser Communications) qui permet de tester l'utilisation d'un laser pour les communications des sondes spatiales lorsqu'elles se trouvent à grande distance de la Terre. Le faisceau laser émis par la sonde doit atteindre un diamètre de 5 km à son arrivée sur Terre. Les communications par laser nécessitent un système de pointage plus précis mais elles sont susceptibles de nécessiter beaucoup moins d'énergie et de masse. Le système laser de LADEE doit permettre de transférer des données avec un débit 6 fois supérieur à celui du système de télécommunications radio embarqué[7].

• Déroulement du projet
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  La sonde montée sur une table de vibration avant les tests de vibration effectués en janvier 2013.
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  LADEE dans une salle blanche du Ames Research Center, juste avant que ses panneaux solaires soient attachés.
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  LADEE installé au sommet de son lanceur Minotaur V.