Commercial Lunar Payload Services

Commercial Lunar Payload Services ou CLPS est un programme de l'agence spatiale américaine, la NASA, dont l'objectif est de transporter à la surface de la Lune des instruments scientifiques, des équipements et des engins spatiaux (astromobiles). Pour optimiser les coûts l'ensemble des opérations est confiée à des opérateurs privés de la conception de l'engin spatial chargé de déposer le fret à la surface de la Lune jusqu'au déploiement sur le sol lunaire en passant par l'intégration de la charge utile et le lancement. La forme de la prestation demandée est similaire à celle du programme COTS consacré au transport de fret à la Station spatiale internationale. La prestation est facturée 1 million US$ par kilogramme transporté.

Maquette des trois atterrisseurs lunaires sélectionnés dans le cadre du programme Commercial Lunar Payload Services. De gauche à droite : Peregrine de la société Astrobotic Technology, Nova-C de Intuitive Machines et Z-01 de OrbitBeyond.

Le programme CLPS a été mis sur pied en 2018 pour répondre au regain d'intérêt pour la Lune qui s'est notamment traduit par le lancement du projet de station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway puis le retour prévu à courte échéance (2024) de l'homme sur la Lune (programme Artemis). Les équipements et instruments déposés à la surface de la Lune, parmi lesquels l'astromobile (rover) VIPER chargé d'analyser la glace d'eau présente dans les cratères du pôle sud, doivent notamment préparer les expéditions humaines.

Cinq atterrisseurs lunaires ont été sélectionnés en 2019 et en 2020 pour placer plusieurs dizaines de charges utiles technologiques ou scientifiques sur le sol lunaire dans le cadre de cinq missions programmées entre 2021 et 2023 : Peregrine et Griffin de la société Astrobotic Technology, Nova-C de Intuitive Machines, XL-1 de Masten Space Systems et Blue Ghost de la société Firefly Aerospace. Ces engins sont capables de déposer une charge utile comprise entre 100 et 450 kilogrammes.

Contexte
Le prototype Resource Prospector.

Après l'annulation en avril 2018 du projet Resource Prospector, dont l'objectif était de prospecter au sol les ressources lunaires à l'aide d'un rover lourd téléguidé, la direction de la NASA annonce qu'elle confiera la dépose de missions robotiques sur la surface lunaire à des sociétés privées dans le cadre d'un programme baptisé Commercial Lunar Payload Services à l'image de ce qui a été fait pour le ravitaillement et la relève des équipages de la Station spatiale internationale (programmes COTS et CCDeV). L'objectif du programme est de réduire les couts de l'exploration de la Lune et d'accélérer les missions de retour d'échantillons et de prospection de ressources ainsi que de promouvoir l'innovation et la croissance des sociétés commerciales du secteur[1].

Sélection des constructeurs des atterrisseurs

Pré-sélection

Après avoir soumis un cahier des charges provisoire en septembre, la NASA annonce en novembre qu'elle a pré-sélectionné 9 sociétés susceptibles de répondre à l'appel d'offres définitif qui a été lancé courant 2019. Le programme dispose d'un budget de 2,6 milliards US $ sur les dix prochaines années. Les sociétés pré-sélectionnées sont[2] :

Choix des trois constructeurs (juin 2019)

La NASA sélectionne le 3 juin 2019 trois des neuf sociétés, à savoir Astrobotic Technology, Intuitive Machines et OrbitBeyond, pour le développement d'un atterrisseur lunaire. Celles-ci vont recevoir 250 millions US$ en contrepartie de la dépose sur le sol de 23 charges utiles[3].

Masten remplace OrbitBeyond (avril 2020)

Fin juillet 2019 OrbitBeyond's décide de retirer sa proposition à la suite de problèmes internes[4]. En avril 2020, NASA sélectionne à la place la société Masten Space Systems qui développe l'atterrisseur XL-1[5].

Sélection d'un quatrième fournisseur Firefly (février 2021)

La NASA sélectionne le 4 février 2021 une quatrième société Firefly Aerospace de Cedar Park (Texas). Dans le cadre d'un contrat de 93,3 million US$ l'engin spatial de la société doit déposer sur la Lune 10 instruments et démonstrateurs technologiques en 2023 de la NASA d'une masse totale de 94 kg. Firefly développe dans ce but l'atterrisseur Blue Ghost. Cet atterrisseur dérive de l'engin spatial israélien Beresheet et est développé avec l'assistance de IAI. Lancé par une fusée Falcon 9 il est capable de déposer une charge utile de 150 kg à la surface de la Lune[6].

Sélection des charges utiles

Sélection de février 2019

L'agence spatiale sélectionne en février 2019 douze instruments et démonstrateurs technologiques développées par les établissements de la NASA. Les premières charges utiles devraient être disponibles fin 2019 mais le premier lancement ne doit pas avoir lieu avant 2020/2021 [7].

Les 12 instruments des centres de la NASA sélectionnés sont[8] :

  • Un spectromètre à transfert d'énergie linéaire conçus pour mesurer les rayonnements à la surface de la Lune.
  • Trois instruments permettant d'évaluer les ressources lunaires :
    • Le spectromètre fonctionnant en proche infrarouge NIRVSS mesure les volatiles situés à la surface. Il est testé in situ avant d'être embarqué à bord de l'astromobile VIPER lancé en 2023
    • Le spectromètre à neutrons NSS qui mesure l'abondance de l'hydrogène sera testé in situ avant d'être embarqué à bord de l'astromobile VIPER.
    • Un spectromètre de masse à piège à ions pour mesurer l'abondance des volatiles à la surface de la Lune et dans son exosphère.
  • Un magnétomètre pour mesurer le champ magnétique lunaire
  • Un instrument de radiotechnique pour mesurer la densité des photoélectrons dans la couche proche de la surface de la Lune
  • Trois instruments conçus pour collecter des données durant les phases de descente et d'atterrissage sur la Lune qui seront utilisées pour concevoir les futurs atterrisseurs :
    • Une caméra stéréo pour mesurer les interactions entre le panache en sortie du moteur de descente et la surface de la Lune.
    • Une expérience destinée à mesurer comment l'atterrissage impacte l'exosphère de la Lune.
    • Un lidar doppler qui doit effectuer des mesures précises de la vitesse et de la distance durant la descente pour contribuer à la conception de systèmes d'atterrissage de précision.

Sélection de juillet 2019

Le premier juillet 2019 la NASA sélectionne une deuxième série d'instruments proposées par des universités et d'autres instituts de recherche. Ces expériences scientifiques et technologiques doivent contribuer à préparer l'arrivée de l'homme sur le sol de la Lune en 2024. Ces instruments sont[9] :

  • L'astromobile MoonRanger

Ce petit astromobile (rover) à vitesse de déplacement élevé disposant d'une autonomie qui lui permet de s'éloigner au-delà de la portée de l'émetteur radio de l'atterrisseur. Il doit explorer la région s'étendant jusqu'à un kilomètre autour du site d'atterrissage, cartographier le terrain puis revenir à proximité de l'atterrisseur afin de transmettre les données dans le but d'améliorer de futurs systèmes d'exploration. Le responsable scientifique est Andrew Horchler de Astrobotic Technology.

  • Caméras Heimdall

Heimdall est un ensemble flexible de quatre caméras permettant de contribuer à des expériences scientifiques sur la Lune à bord de véhicules commerciaux. Il comprend un système d'enregistrement vidéo unique couplé avec quatre caméras : une caméra grand angle utilisée durant la descente vers le sol lunaire, une caméra dotée d'un téléobjectif pour prendre des images du régolithe et deux caméras grand angle pour réaliser des panoramas. Ces caméras sont utilisées pour déterminer les caractéristiques du sol lunaire, identifier et cartographier les formations géologiques dans le but notamment d'identifier les obstacles pouvant mettre en péril l'atterrissage ou gêner la circulation d'un engin mobile. Le responsable de cette expérience est R. Aileen Yingst du Planetary Science Institute à Tucson dans l'Arizona.

L'expérience consiste en un ordinateur radiodurci destiner à résister à l'environnement de la Lune. Le responsable de l'expérience est Brock LaMeres de l'Université d'État du Montana à Bozeman.

RAC (Regolith Adherence Characterization) doit déterminer comment le régolithe adhère à différents types de matériau qui seront exposés dans l'environnement lunaire. L'expérience dérive de MISSE une expérience commerciale installée à bord de la Station spatiale internationale. Le responsable de l'expérience est Johnnie Engelhardt de Alpha Space Test and Research Alliance à Houston.

  • Sondeur magnéto-tellurique

Cet instrument doit mesurer la composition et la structure du manteau de la Lune en étudiant les champs électriques et magnétiques. L'instrument utilisé est un magnétomètre de rechange de la sonde spatiale MAVEN. Le responsable de l'expérience est Robert Grimm du Southwest Research Institute à San Antonio.

  • Mesure des champs électromagnétiques LuSEE

LuSEE (Lunar Surface Electromagnetics Experiment) est un instrument de rechange de l'expérience FIELDS embarqué à bord des sondes spatiales Parker Solar Probe et MAVEN qui doivent mesurer les phénomènes électromagnétiques à la surface de la Lune. Le responsable de l'instrument est Brian Walsh de l'Université de Boston.

  • Rétro-réflecteur NGLR

NGLR (Next Generation Lunar Retroreflectors) est un rétroréflecteur laser destiné à mesurer avec précision la distance entre la Terre et la Lune. Le responsable de l'instrument est Douglas Currie de l'Université du Maryland à College Park.

  • Radiomètre infrarouge L-CIRIiS

L-CLRiS (Lunar Compact InfraRed Imaging System) est un radiomètre qui mesure le rayonnement infrarouge afin de déterminer la composition de la surface, la distribution des températures et démontrer la capacité de l'instrument pour les activités d'exploration des ressources lunaires. Le responsable de l'expérience est Paul Hayne de l'Université du Colorado à Boulder.

  • Sonde thermique LISTER

LISTER (Lunar Instrumentation for Subsurface Thermal Exploration with Rapidity) est un instrument qui doit mesurer le flux de chaleur venant des profondeurs de la Lune. Il comprend une sonde qui doit être enfoncée jusqu'à une profondeur comprise entre deux et trois mètres pour mesurer les caractéristiques thermiques. Le responsable de l'expérience est Kris Zacny de Honeybee Robotics à Pasadena (Californie).

  • Collecteur de régolite PlanetVac

PlanetVac est une expérience visant à mettre au point la technique de collecte de régolithe et son transfert vers d'autres instruments qui doivent l'analyser puis le transférer à leur tour dans un récipient ramené sur Terre par un autre engin spatial. Le responsable de l'expérience est Kris Zacny de Honeybee Robotics, à Pasadena (Californie).

  • Collecteur d'échantillons de sol SAMPLR

SAMPLR (Sample Acquisition, Morphology Filtering, and Probing of Lunar Regolith) est une autre expérience technologique visant à mettre au point un système de collecte d'échantillons de sol lunaire. Elle utilise un bras de rechange de l'astromobile Mars Exploration Rover. Le responsable de l'expérience est Sean Dougherty de Maxar Technologies à Westminster (Colorado).

L'astromobile VIPER et l'atterrisseur lourd Griffin (octobre 2019)

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 la surface de plusieurs zones contenant de la glace d'eau[10],[11],[12].

La dépose du rover de 430 kg sur le sol lunaire est confiée à la société Astrobotic Technology de Pittsburgh (Pennsylvanie). Celle-ci a été sélectionnée en juin 2020 dans le cadre du programme CLPS pour développer l'engin Griffin chargé de déposer VIPER en 2023 sur le sol lunaire[13].

Caractéristiques techniques des atterrisseurs du programmes CLPS

Les premières missions CLPS auront une taille et une durée de vie limitée : les atterrisseurs devront pouvoir déposer au minimum 10 kilogrammes d'instrumentation scientifique à la surface de la Lune. Ils ne seront pas capables de survivre plus de 15 jours à cause de la chute de la température (-156 °C) durant la nuit lunaire (durée 15 jours terrestres). La NASA souhaite que les sociétés sélectionnées parviennent à développer par la suite des atterrisseurs plus gros capables de transporter des astromobiles et d'atterrir dans les régions polaires et sur la face cachée de la Lune[7].

L'atterrisseur XL-1 de Masten

Masten Space Systems, sélectionnée en avril 2020, développe l'atterrisseur XL-1. Celui-ci doit dériver de prototypes d'atterrisseur que la société développe depuis sa création en 2004. Le XL-1 peut emporter plusieurs centaines de kilogrammes de charge utile. La NASA n'ayant besoin que de 80 kilogrammes de charge utile, le reste sera destiné à d'autres clients. Le premier vol, qui doit avoir lieu en 2022, emportera un ensemble de caméras, un bras télécommandé muni d'une écope, un radiomètre, des instruments permettant de déterminer la composition de la surface, un instrument de mesure des rayonnements, un rétroréflecteur qui doit facilité la navigation des futures missions lunaires et un petit rover développé avec des capitaux privés qui emporte un spectromètre à neutrons permettant de détecter la présence d'hydrogène (et donc d'eau) dans le sol lunaire[5].

L'atterrisseur Peregrine de Astrobotic Technology
L'atterrisseur Nova-C dérive du démonstrateur du programme Morpheus développé par la NASA entre 2012 et 2014.

Astrobotic Technology, dont le siège est à Pittsburgh, développe l'atterrisseur Peregrine avec le soutien de Airbus Defense and Space et Dynetics. Comme Team Indus Astrobotic était un des compétiteurs du Google Lunar X Prize. L'atterrisseur fait 1,9 mètre de haut pour 2,5 mètres de diamètre. Sa masse est 1 400 kilogrammes (avec les ergols) et il peut déposer une charge utile de 90 kilogrammes sur le sol lunaire. La NASA doit verser à la société 75,9 millions US$ pour la dépose sur le sol lunaire de 14 charges utiles. Le premier atterrissage est programmé en juillet 2021 dans le cratère de Lacus Mortis[3].

L'atterrisseur Nova-C de Intuitive Machines

Intuitive Machines est une société créée à Houston en 2013 par un entrepreneur du secteur aérospatial et deux anciens ingénieurs de la NASA. Son atterrisseur Nova-C, haut de 3 mètres, est le plus imposant des trois engins. Il dérive du démonstrateur développé par des ingénieurs de la NASA dans le cadre du projet Morpheus qui a permis de tester un atterrisseur utilisant une propulsion utilisant le méthane entre les années 2012 et 2014. Nova-C peut déposer 100 kilogrammes de charge utile à la surface de la Lune. Contrairement aux deux autres atterrisseurs qui utilisent des ergols hypergoliques stockables, les propulseurs brulent des ergols cryogéniques (méthane liquide et oxygène liquide) qui permettent d'atteindre des performances élevées au prix d'une complexité accrue. La poussée est modulable. Des tirs sur banc d'essais sont déjà en cours à la date de sélection. Nova-C est capable d'atteindre n'importe quelle latitude de la Lune. Le premier vol, reposant sur un planning volontairement tendu, est prévu pour juillet 2021. La NASA s'est engagée à verser 77 millions US$ pour la dépose de 5 instruments dans l'Océan des Tempêtes[3].

L'atterrisseur Blue Ghost de Firefly

Pour répondre à l'appel d'offres de la NASA, Firefly Aerospace choisit de s'associer en juillet 2019 avec la société israélienne IAI qui a développé l'atterrisseur lunaire Beresheet pour le Google Lunar X Prize. Cet engin spatial a déjà volé en 2019 mais à la suite de la défaillance d'un gyroscope il s'est écrasé à la surface de la Lune[14]. L'engin de Firefly baptisé initialement Genesis (traduction en anglais de Beresheet) prend finalement le nom de Blue Ghost (une espèce rare de papillon). Initialement il doit être placé en orbite par la fusée Firefly Alpha en cours de développement par la société mais la puissance de celle-ci s'avère insuffisante pour transporter la charge utile de la NASA. Firefly Aerospace décide en mars 2021 de confier le lancement de l'atterrisseur lunaire à la fusée Falcon 9 de SpaceX. Celle-ci permet d'économiser les ergols de Blue Ghost dont la capacité d'emport passe de 100 à 150 kg. La capacité excédentaire doit être commercialisée[15],[16].

L'atterrisseur Z-01 de OrbitBeyond (abandonné)

OrbitBeyond est une société du New Jersey qui réunit plusieurs sous-traitants dont le plus connu est Team Indus, une entreprise indienne chargée de la conception de l'atterrisseur qui était l'un des compétiteurs les plus avancés du Google Lunar X Prize. L'intégration de la charge utile est prise en charge par Honeybee Robotics, une société qui a déjà construit des composants de plusieurs sondes spatiales martiennes de la NASA. La NASA doit verser 97 millions US$ pour la dépose de 4 charges utiles sur le sol lunaire. L'atterrisseur Z-01, qui reprend la conception de l'engin développé par Team Indus, peut déposer une charge utile de 40 kilogrammes sur le sol lunaire. La société a prévu de déposer également sur le sol un petit rover équiper d'une caméra stéréo pour ses propres besoins de mise au point technique. Un modèle d'ingénierie est déjà disponible et l'atterrisseur devrait effectuer une première tentative atterrissage dès septembre 2020. Il doit être lancé par une fusée Falcon 9 de SpaceX[3].

Planning prévisionnel des vols

En juin 2021, six vols du programme CPLS étaient programmés :

Désignation Date de lancement Société Atterrisseur Lanceur Charge utile Site d'atterrissage Remarque Références
Peregrine Mission One4e trim. 2021Astrobotic TechnologyPeregrine Vulcan Transporte 28 charges utiles distinctes dont 14 de la NASA au titre du programme CLPS. Masse de Peregrine 1283 kg, charge utile 256 kg.Lacus Mortis.Mission attribuée en mai 2019. Contrat de 79,5 M. US$[17]
Intuitive Machines Mission 1 (IM-1)1e trim. 2022Intuitive MachinesNova-CFalcon 9Transportera cinq charges utilises de la NASA ainsi que des charges utiles d'autres clients.Mare Serenitatis et Mare CrisiumDurée de la mission 14 jours. Mission attribuée en mai 2019[18],[19],[20]
Masten Mission OneDécembre 2022Masten Space XL-1Falcon 9Doit déposer environ 100 kg d'instruments et d'équipementspôle Sud de la LuneMission attribuée en avril 2020.[21],[22]
Intuitive Machines Mission 2 (IM-2)Décembre 2022Intuitive MachinesNova-CFalcon 9Foreuse PRIME-1 associée à un spectromètre de masse dans le but de tenter de collecter de la glace.pôle Sud de la LuneMission attribuée en octobre 2020.[23]
Blue GhostMi 2023Firefly AerospaceBlue GhostFalcon 910 charges utilesMare CrisiumMission attribuée en février 2021.[24],[25],[26]
VIPERNovembre 2023Astrobotic TechnologyGriffinFalcon HeavyDoit déposer l'astromobile VIPER (430 kg)Pôle sud de la Lune.Mission attribuée en juin 2020. Premier vol de la version plus puissante de l'atterrisseur Griffin. Le contrat est de 199,5 M US$[18]

Notes et références
  1. (en) Stephen Clark, « NASA cancels lunar rover, shifts focus to commercial moon landers », sur spaceflightnow.com,
  2. (en) « NASA Announces New Partnerships for Commercial Lunar Payload Delivery Services », sur NASA, NASA,
  3. (en) Stephen Clark, « NASA picks three companies to send commercial landers to the moon », sur spaceflightnow.com,
  4. (en) Jeff Foust, « Commercial lunar lander company terminates NASA contract », sur SpaceNews.com,
  5. (en) Stephen Clark, « NASA awards robotic lunar landing contract to Masten Space Systems », sur spaceflightnow.com,
  6. (en) « NASA Selects Firefly Aerospace for Artemis Commercial Moon Delivery in 2023 », NASA,
  7. (en) Stephen Clark, « NASA to soon announce winner of first commercial lunar lander competition », sur spaceflightnow.com, A,
  8. (en) Derek Richardson, « NASA selects experiments to fly aboard commercial lunar landers », sur spaceflightinsider.com, A,
  9. (en) Stephen Clark, « Artemis Program », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  10. (es) Daniel Marín, « VIPER: un rover de la NASA para explorar el hielo de los polos de la Luna », sur Eureka,
  11. (en) Stephen Clark, « NASA’s VIPER rover in development for scouting mission to moon’s south pole », sur spaceflightnow.com,
  12. (en) « New VIPER Lunar Rover to Map Water Ice on the Moon », sur spaceflightnow.com, NASA,
  13. (en) « NASA Selects Astrobotic to Fly Water-Hunting Rover to the Moon », NASA,
  14. (en) Jeff Foust, « Firefly to partner with IAI on lunar lander », sur spacenews.com,
  15. (en) Jeff Foust, « Firefly wins NASA CLPS lunar lander contract », sur spacenews.com,
  16. (en) « Firefly Aerospace Awards Contract to SpaceX to Launch Blue Ghost Mission to Moon in 2023 », sur businesswire.com,
  17. https://www.astrobotic.com/2019/5/31/astrobotic-awarded-79-5-million-contract-to-deliver-14-nasa-payloads-to-the-moon
  18. https://www.astrobotic.com/2020/6/11/astrobotic-awarded-199-5-million-contract-to-deliver-nasa-moon-rover
  19. (en) « Intuitive Machines-1 Orbital Debris Assessment Report (ODAR) Revision 1.1 », sur Intuitive Machines, FCC,
  20. (en) Darrell Etherington, « Intuitive Machines picks a launch date and landing site for 2021 Moon cargo delivery mission », sur TechCrunch,
  21. (en) « NASA Awards Contract to Deliver Science, Tech to Moon Ahead of Human Missions », NASA,
  22. (en) Meagan Crawford, « SpaceX to Launch Masten Lunar Mission in 2022 », MASTEN,
  23. (en) Katherine Brown, « NASA Selects Intuitive Machines to Land Water-Measuring Payload on the Moon », sur NASA,
  24. (en) « Firefly Aerospace Awards Contract to SpaceX to Launch Blue Ghost Mission to Moon in 2023 », sur Business Wire,
  25. (en) « NASA Selects Firefly Aerospace for Artemis Commercial Moon Delivery in 2023 », NASA,
  26. (en) « Lunar Lander », Firefly Aerospace,

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes
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