Programme Artemis

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 20 juillet 1989, pour le 20^e 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 7 mai 2009. 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 février 2010, le président Obama annonce l'annulation du programme Constellation, qui est confirmée par la suite[8]^,[9].

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].

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 juin 2017[11]. Cette annulation replace la Lune au cœur du programme spatial habité.

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.

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].

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].

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].

Mi-mai 2019, 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].

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].

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 :

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].

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 au début de 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].

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.

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.

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.

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] .

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 mai 2019 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.

• Station spatiale lunaire
• 
  La station spatiale lunaire sera en 2024 limitée à deux modules : le module d'habitation HALO (2 sur le schéma) et le module qui fournit l'énergie et la propulsion PPE (4). Sur le schéma sont amarrés les autres vaisseaux impliqués dans les premières missions Artemis : un vaisseau de ravitaillement (3), le vaisseau Orion (1) et le vaisseau lunaire (5) qui doit déposer l'équipage sur le sol.
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  La station spatiale lunaire est positionnées sur une orbite NRHO. Ce schéma montre les différentes orbites NRHO L1 et L2 Nord et sud. L'orbite retenue est une L2 sud.

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.

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].

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 30 avril 2020, 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 16 avril 2021 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].

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].

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].

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].

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].

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].

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].

• Le programme Artemis
• 
  Les différentes étapes du programme Artemis entre 2020 et 2024.
• 
  Déroulement de la mission Artemis III.

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 septembre 2020. 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.

• Space Launch System
• Orion
• Lunar Orbital Platform-Gateway
• Artemis III, Première mission sur le sol lunaire
• VIPER, astromobile automatique qui sera lancé en 2022 en éclaireur
• HERACLES, mission de retour d'échantillons lunaire de l'ESA
• Programme Apollo, Programme Constellation
• Colonisation de la Lune
• Exploration de la Lune

• (en) Site officiel de la NASA
• (en) Page de la NASA justifiant le programme Artemis

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