Chang'e 5

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Schéma de la sonde Chang'e 5.
Données générales
Organisation Drapeau de la République populaire de Chine CNSA
Constructeur Drapeau : République populaire de Chine CASC
Programme Chang'e
Domaine Exploration de la Lune
Type de mission Mission de retour d'échantillons
Statut En orbite lunaire
Base de lancement Wenchang
Lanceur Longue Marche 5
Principaux jalons
Lancement
Insertion en orbite autour de la Lune
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 8 250 kg dont
3 800 kg (atterrisseur)
509 kg (module de remontée)
Propulsion Ergols liquides
Masse ergols 5 450 kg
Contrôle d'attitude Stabilisé 3 axes
Source d'énergie Panneaux solaires
Principaux instruments
PCAM Caméra panoramique
LRPR Radar à pénétration de sol
LMS Spectromètre visible/infrarouge

Chang'e 5 (chinois : 嫦娥五号 ; pinyin : cháng'é wǔ hào, de Chang'e, déesse de la Lune dans la mythologie chinoise) est une sonde spatiale de retour d'échantillons lunaires de l'agence spatiale chinoise (CNSA) développée et construite par la CASC, le principal industriel chinois du secteur spatial. La mission s'inscrit dans le cadre de la troisième phase du programme chinois d'exploration lunaire (CLEP), faisant suite aux orbiteurs Chang'e 1 et Chang'e 2 ainsi qu'aux atterrisseurs Chang'e 3 et Chang'e 4. Les études sur la sonde commencent dès le lancement du programme en , puis le projet est finalement approuvé en .

Contrairement aux sondes soviétiques de retour d'échantillons du programme Luna, la mission Chang'e 5 a recourt à la complexe méthode du rendez-vous en orbite lunaire de façon similaire au programme Apollo. L'engin d'une masse totale de 8,2 tonnes est constitué de quatre modules : l'orbiteur, l'atterrisseur, le module de remontée et la capsule de retour. Lors du lancement la sonde est injectée directement en orbite de transfert vers la Lune puis l'orbiteur freine pour placer les quatre modules en orbite lunaire. L'atterrisseur se sépare puis se pose sur la Lune avec le module de remontée. Un bras robotique et une foreuse prélèvent pour un maximum de 4 kilogrammes d'échantillons jusqu'à 2 mètres de profondeur puis les transfèrent dans le module de remontée. Par la suite ce dernier décolle et s'insère en orbite autour de la Lune. Il effectue un rendez-vous spatial automatique avec l'orbiteur puis les échantillons sont transférés du module de remontée vers la capsule de retour. Après quoi ils se séparent puis l'orbiteur manœuvre afin de quitter l'orbite lunaire en direction de la Terre. À l'approche de cette dernière la capsule de retour est larguée puis effectue une rentrée atmosphérique avant d'atterrir en Chine en Mongolie-Intérieure sous parachute.

L'atterrisseur est équipé de trois instruments scientifiques afin de donner le contexte du site de prélèvement : une caméra panoramique (PCAM), un radar à pénétration de sol (LRPR) et un spectromètre visible/infrarouge (LMS). La mission doit se poser au nord de l'Océan des Tempêtes sur la face visible de la Lune dans la région du Mons Rümker inexplorée jusqu'ici. Les roches qui s'y trouvent ont un âge estimé de seulement 1,2 milliard d'années, bien plus jeune que les échantillons rapportées par les missions des programme Apollo et Luna datées d'entre 3,1 à 4,4 milliard d'années. Leur étude doit permettre de mieux comprendre la géologie lunaire, sa chronologie et les derniers évènements volcaniques à sa surface.

La mission décolle le depuis la base de lancement de Wenchang sur l'île d'Hainan à bord du lanceur lourd Longue Marche 5 puis se place en orbite autour de la Lune le . L'atterrissage doit avoir lieu aux alentours du pour un retour sur Terre des échantillons le .

Contexte[modifier | modifier le code]

Précurseurs : Programme Apollo et Programme Luna[modifier | modifier le code]

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 jusqu'au milieu des années . 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 le fait de pouvoir 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 ensuite 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. À ce jour Luna 24 est la dernière mission à avoir ramené des échantillons lunaires sur Terre, en [2].

Programme Chang'e[modifier | modifier le code]

L'exploration lunaire fut considérée dès les années 60 par les scientifiques chinois, mais ce n'est qu'après le succès de la sonde japonaise Hiten au début des années 90 que l'idée d'un programme d'exploration spatial est sérieusement envisagée, mais les dirigeants chinois donneront la priorité au plus ambitieux programme 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 . L'architecture du programme divisé en trois phases de complexité croissante est approuvée en par le premier ministre Wen Jiabao. La première phase consiste à placer un orbiteur autour de la Lune, puis ensuite s'y poser, et enfin d'en ramener des échantillons. Afin de palier un éventuel échec, 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 depuis la base de lancement de Xichang puis se place en orbite autour de la Lune deux semaines plus tard le . 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 . Sa doublure Chang'e 2 s'envole le 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 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 [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 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 . Il s'agit alors du premier atterrissage sur la Lune depuis la sonde soviétique Luna 24 en . 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 puis atterrit avec succès le dans le cratère Von Karman, déployant ensuite le rover Yutu 2[6].

Conception et construction de la sonde spatiale[modifier | modifier le code]

Démarrage du projet[modifier | modifier le code]

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 , 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'une sélection très restreinte 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 60. 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 à posteriori pour une mission habitée ou un retour d'échantillon martien. La mission est formellement approuvée par le gouvernement le 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].

La mission de test Chang'e 5 T1[modifier | modifier le code]

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 qu'une mission dénommée Chang'e 5 T1 (pour Test 1) doit décoller en 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 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 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 , la capsule de rentrée est larguée à 21:53 UTC puis commence sa rentrée atmosphérique à 22:12 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 22:42 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 manœuvra afin de contourner la Terre et de prolonger sa mission. Elle survola de nouveau la Lune le afin d'effectuer une assistance gravitationnelle qui lui permit de se placer en orbite autour du point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. La mission ne s'acheva pas là et la sonde manœuvra de nouveau pour se placer dans une orbite basse circulaire de 200 kilomètres d'altitude autour de la Lune le . Par la suite la mission pratiqua 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 permis 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].

Développement de la sonde[modifier | modifier le code]

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]. L'orbiteur et le module de remontée ont recours à un nouveau moteur de 3 000 Newtons de poussée qui fut testé pour la première fois en . Il a été mis à feu 37 fois avec succès à la fin du mois de . Par la suite en une série de tests des moteurs principaux de l'atterrisseur et du module de remontée furent 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 une nouvelle série de tests eut 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. D'autres tests de fiabilité des systèmes de propulsion de l'atterrisseur et du module de remontée furent également conduits avec succès. 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 . La capsule de retour fut quant à elle testée à partir de avec des essais de largage. Le bras robotique fut livré en . La foreuse de l'atterrisseur a été 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 a également été testée dans une chambre à vide sans air pour dissiper la chaleur, le foret atteignant une température de 250 °C en 4 minutes. De telles conditions l'exposant à un risque de rupture, il a été décidé de limiter la vitesse de forage à 120 tours par minute avec des pauses régulières de 5 minutes[15].

Report à cause de l'échec de la CZ-5[modifier | modifier le code]

Une version de test du lanceur lourd Longue marche 5 fit pour la première fois le trajet de son bâtiment d'assemblage à son pas de tir le avec une maquette de la sonde Chang'e 5 sous la coiffe[16]. Mais le 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[17]. Le la CASC annonce que la sonde Chang'e 5 — qui est complète depuis — décollera fin octobre[18].

Objectifs[modifier | modifier le code]

Chang'e 5 se repose en partie sur les technologies développées pour les précédentes sondes du programme Chang'e, en particulier pour sa seconde phase dédiée à l'atterrissage sur la Lune. Il s'agit cependant de la première mission de retour d'échantillons chinoise et elle constitue à ce titre la mission la plus complexe et la plus ambitieuse du programme. Les nouvelles technologies développées pour sa réalisation gravitent essentiellement autour de la phase de collecte, de rendez-vous spatial et de retour sur Terre. Cela doit notamment permettre de développer par la suite des missions de retour d'échantillons depuis d'autres corps du systèmes solaires, comme Mars ou des astéroïdes[19].

Les objectifs technologiques de la missions sont les suivants :

  • Valider la collecte d'échantillons à l'aide d'un bras robotique et d'une foreuse, le conditionnement des échantillons, le décollage depuis la surface lunaire puis l'insertion en orbite autour de la Lune, le rendez-vous puis l'amarrage automatique en orbite lunaire et le stockage des échantillons dans un laboratoire dédié. Faire progresser globalement les technologies de l'aérospatiale en Chine.
  • Accomplir la première mission chinoise de collecte et de retour d'échantillons d'un autre corps céleste que la Terre, promouvoir le développement de la science et des technologies en Chine.
  • Améliorer de façon globale les systèmes, les technologies et le savoir-faire mis en œuvre dans l'exploration lunaire chinoise, fournir une base au développement d'un programme lunaire habité et à des missions d'exploration du système solaire.

Les objectifs scientifiques de la mission sont les suivants :

  • Relever la topographie du site d'atterrissage et y conduire des analyses de la surface lunaire, établir le lien entre les données obtenues in-situ par la sonde et celles issues de l'étude en laboratoire sur Terre des échantillons ramenés.
  • Contribuer à la recherche sur la structure, les propriétés physiques et la composition du sol lunaire, permettre d'approfondir les connaissances sur l'origine et l'évolution de la Lune[20].

Site d'atterrissage[modifier | modifier le code]

La sonde spatiale doit atterrir dans la région du Mons Rümker photographiée ici par l'orbiteur américain Lunar Reconnaissance Orbiter. La partie photographiée fait 95 kilomètres.

L'atterrisseur doit se poser dans la partie nord-ouest de l’océan des Tempêtes, dans une zone majoritairement plate située à environ 90 km au nord-est de la région du Mons Rümker caractérisée par des roches volcaniques relativement jeunes (coordonnées : 41-45° N, 49-69° W). Cette région de la Lune n'a jusque là pas été étudiée par une mission Apollo ou robotique et aucun échantillon de sol de cette partie de la Lune n'a été retournée sur Terre. Cette région est caractérisée par de fortes concentrations de KREEP, un matériau caractérisé par l'abondance d'uranium, de thorium et de potassium. Dans cette région l'activité volcanique est relativement récente (comparée au reste de la Lune). La région explorée pourrait comporter des matériaux récents (moins de 3 milliards d'années). La région de Rümker est une des mers les plus récentes de la Lune. On sait que ses basaltes riches en titane font partie des roches les plus récentes parmi celles détenues sur Terre : elles auraient été formées il y a moins de 2,8 milliards années. L'objectif scientifique est de déterminer à quand remonte l'activité volcanique sur la Lune[21],[22].

Carte topographique de la Lune avec la localisation des sites d'atterrissage des missions de retour d'échantillons. Les missions américaines sont en bleu, les missions soviétiques sont en rose. La région sélectionnée pour être le site d'atterrissage de Chang'e 5 est encadrée. La carte est centrée sur la face visible de la Lune.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

La sonde spatiale Chang'e 5 comprend 4 sous ensemble : l'orbiteur, l'atterrisseur, le module de remontée et la capsule de retour pour une masse cumulée de 8 250 kilogrammes au décollage, ce qui en fait la sonde (lunaire et planétaire) la plus lourde de l'histoire, surpassant les deux sondes soviétiques jumelles du programme Phobos. Cette masse élevée s'explique essentiellement par la présence de 5 450 kilogrammes d'ergols soit 66 % de la masse totale de l'engin spatial. Cette proportion très élevée s'explique par les nombreuses manœuvres que la sonde doit accomplir au cours de sa mission, en particulier l'insertion en orbite lunaire, l'atterrissage sur la Lune, le décollage depuis sa surface et enfin l'injection en orbite de transfert vers la Terre. La sonde utilise un total de 77 moteurs-fusées dont : 1 moteur à poussée variable de 7 500 Newtons pour l'atterrisseur, 2 moteurs de 3 000 Newtons pour l'orbiteur et le module de remontée, ainsi que des propulseurs de contrôle d'attitude de 150 Newtons, 120 Newtons, 25 Newtons et 10 Newtons[23].

Orbiteur[modifier | modifier le code]

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 2 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[24],[25].

Atterrisseur[modifier | modifier le code]

Caractéristiques généraux[modifier | modifier le code]

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 oeuvre 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 repliable 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[25]. 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[24]. 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[26].

Système de prélèvement[modifier | modifier le code]

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 positionné 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 à ce 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[27]. 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[28]. 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[24]. 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[29].

Module de remontée[modifier | modifier le code]

Le module de remontée d'une masse de 509 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. Pour ce faire il utilise un moteur principal d'une poussée de 3 000 newtons identique à celui mis en œuvre sur l'orbiteur, puis une fois en orbite lunaire il déploie ses propres panneaux solaires. Le module est autonome durant cette phase et dispose de son propre système de contrôle d'attitude et de télécommunication. 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. 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[24],[25].

Capsule de retour[modifier | modifier le code]

La capsule de retour est fixée durant la majeur 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[24].

Instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

L'atterrisseur emporte trois instruments scientifiques devant être mis en œuvre une fois posé sur la Lune, tous chargés de guider le prélèvement des échantillons et d'apporter des éléments de contexte géologique[30].

  • PCAM (Panoramic Camera) est une caméra panoramique stéréoscopique (c'est-à-dire qu'elle est capable de faire des photographies en trois dimensions) similaire à celles embarquées sur les missions Chang'e 3 et 4. Elle est composé de deux système optique monté parallèlement sur une plateforme rotative. Une fois l'atterrisseur posé, l'instrument doit photographier la topographie de la surface lunaire et la structure géologique environnante afin d'apporter des éléments de contextes aux échantillons prélevés[31].
  • LRPR (Lunar Regolith Penetrating Radar) est radar à pénétration de sol Ultra wideband (UWB) chargé d'analyser l'épaisseur et la structure du régolithe lunaire du site d'atterrissage ainsi que de guider les opérations de forage et de prélèvement des échantillons. L'instrument est composé d'un boîtier électronique contenant le contrôleur, le transmetteur, le récepteur et l'unité de distribution, ainsi que d'un réseau d'antennes. Ce dernier utilise 12 antennes Vivaldi séparées les unes des autres de 12 centimètres, formant ainsi un réseau d'une longueur d'1,6 mètres situé de par et d'autre de la foreuse, sous l'atterrisseur. L'instrument a une largeur de bande allant de 0,5 à 4 GHz avec une fréquence centrale de 2 GHz. Il est capable de sonder le sol à une profondeur de plus de 2 mètres pour une résolution d'environ 5 centimètres. L'instrument consomme 15 Watts de puissance électrique et a une masse de 3,1 kilogrammes[32],[33].
  • LMS (Lunar Mineralogical Spectrometer) est un spectromètre fonctionnant dans le visible et le proche infrarouge chargé d'analyser la composition minéralogique de l'environnement direct de l'atterrisseur afin d'aider à la sélection du site de prélèvement. Les spectres récoltés sur place seront ensuite comparés à ceux obtenus à partir des échantillons ramenés sur Terre. L'instrument comporte deux modules : un fonctionnant dans le visible et le proche infrarouge (de 479 à 955 nm) d'une résolution spectrale comprise entre 2,4 à 9,4 nm et un dédié à l'infrarouge (de 896 à 3 212 nm) d'une résolution spectrale comprise entre 7,6 à 24,9 nm. Les deux modules ont un champ de vue de 4,24° × 4,24°. Une plaque d'aluminium et une autre d'or servent à l'étalonnage respectivement du premier et du second module. L'instrument consomme 16 Watts de puissance électrique et a une masse de 5,6 kilogrammes[34],[35].

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

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

Chang'e 5 est une sonde spatiale particulièrement lourde (8,2 tonnes) ce qui impose que son lancement soit effectué par la fusée Longue Marche 5, le plus puissant des lanceurs dont dispose la Chine. La phase de transit vers la Lune dure environ 5 jours après quoi la sonde s'insère en orbite autour de la Lune. L'atterrisseur et le module de remontée se séparent puis effectuent un atterrissage sur la Lune, tandis que l'orbiteur et la capsule de rentrée reste en orbite lunaire. Une fois que le prélèvement a été effectué, le module de remontée décolle et effectue un rendez-vous automatique avec l'orbiteur afin de transférer les échantillons dans la capsule de rentrée. Ils se séparent, puis l'orbiteur entame le trajet de retour vers la Terre. À l'approche de cette dernière, il largue la capsule de rentrée qui effectue une rentrée atmosphérique et se pose en Mongolie-Intérieure[36].

Lancement[modifier | modifier le code]

La sonde Chang'e 5 arrive par avion à la base de lancement de Wenchang en pour commencer les préparatifs[37]. Les médias d'État chinois annonce 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 , le trajet de 2,8 kilomètres durant environ 2 heures[38]. Le remplissage des réservoirs de la fusée avec l'oxygène liquide et l'hydrogène liquide cryogénique débute le à 10h30 UTC[39]. 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 pourrait 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[40].

Le 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'appoints 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'appoints 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 relai. 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 disposées de façon perpendiculaire, de sorte à ce qu'ils ne se gênent pas mutuellement[26]. L'intégralité du lancement est diffusé en direct par la télévision chinoise, notamment grâce à des caméras embarquées à bord de chacun des étages[41]. 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[42],[43].

Transit puis insertion en orbite lunaire[modifier | modifier le code]

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[44]. La première manœuvre de correction de trajectoire a lieu avec succès le 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[45]. La deuxième manœuvre de correction de trajectoire a lieu le 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[46]. Afin d'entrer en orbite autour de la Lune, la sonde doit décélérer de sorte à être capturé par le champ de gravité de la Lune. La manœuvre dite d'insertion en orbite lunaire a lieu le à 12h58 UTC lorsque le moteur principal de l'orbiteur est mis à feu en continue durant 17 minutes. La sonde survolait la Lune à une altitude de 400 kilomètres environ, 112 heures après son décollage depuis la Chine[47]. 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 recourt à deux freinage successives[48]. La seconde manœuvre a finalement lieu le à 12h23 UTC à 400 kilomètres d'altitude[49]. 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 à à 20h30 UTC[50].

Déroulement futur de la mission[modifier | modifier le code]

Atterrissage sur la Lune[modifier | modifier le code]

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. L'atterrissage proprement dit commence lorsque l'atterrisseur allume son moteur à poussée variable au niveau du périsélène, et ce en continue durant 700 secondes dans le sens opposé à son déplacement afin de freiner sa descente. 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. 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 des altimètres et une caméra optique. 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'atterrissages amortissant l'impact avec le sol[36],[26].

Opérations au sol[modifier | modifier le code]

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 et l'ensoleillement suffisant pour fournir l'énergie nécessaire. Une fois posé, l'atterrisseur dispose de 48 heures pour prélever 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. 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. L'atterrisseur emploie un bras robotique muni d'une pelle et une foreuse afin de récolter ses échantillons, ces derniers sont ensuite transférés dans le module de remontée. Il est prévu qu'à la fin de sa mission l'atterrisseur déploie un petit drapeau chinois puis prenne un selfie[36],[25],[26].

Décollage et rendez-vous en orbite lunaire[modifier | modifier le code]

Une fois les échantillons en place dans le module de remontée, ce dernier se sépare de l'atterrisseur, allume son moteur principal et décolle de la surface lunaire. Ses systèmes de navigation sont capables de s'adapter à la pente éventuelle de l'atterrisseur qui sert alors de plateforme de lancement. Le module de remontée se place alors dans une orbite de parking de 15 × 180 kilomètres autour de la Lune, deux jours après l'atterrissage. Il déploie du même coup ses panneaux solaires, son énergie lui étant jusque-là fournie par l'atterrisseur. Il rallume ensuite sa propulsion principale afin d'effectuer un rendez-vous spatial avec l'orbiteur. Ce dernier a auparavant largué l'adaptateur qui jouait le rôle d'interface avec l'atterrisseur, découvrant ainsi le mécanisme d'amarrage. Le rendez-vous se fait de façon automatique grâce à un système miniaturisé similaire à celui employé par les vaisseaux Shenzhou pour s'amarrer aux stations Tiangong. À ce moment de la mission, l'orbiteur pèse encore plus de 2 tonnes à comparer aux quelques centaines de kilos du module de remontée, rendant l'amarrage difficile. Ce dernier a finalement lieu 2 jours après le décollage du module de remontée, les échantillons sont ensuite transférés dans la capsule de retour[36],[25],[26].

Retour sur Terre[modifier | modifier le code]

Le module de remontée ayant joué son rôle, il est largué. L'orbiteur reste ensuite encore 6 jours en orbite lunaire durant lesquels il effectue des ajustements orbitaux, attendant la fenêtre optimale pour la manœuvre de retour. Il allume alors son moteur principal pour s'injecter dans une trajectoire en direction de la Terre, le transit durant environ 112 heures (4,5 jours) comme à l'aller. La capsule de retour est larguée à 5 000 kilomètres de la Terre, puis la rentrée atmosphérique commence 20 minutes plus tard à une altitude d'environ 120 kilomètres. Cette dernière commence alors que la capsule a une vitesse de 11 kilomètres/seconde, portant le bouclier thermique à une température de 2 700 °C. La trajectoire de rentrée suit 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. La capsule libère ensuite son parachute de freinage à une altitude de 10 kilomètres, puis son parachute principal. L'atterrissage se fait tout comme les missions habitées Shenzhou en Mongolie-Intérieure, une région désertique à l'ouest de Pékin[36],[26].

Schéma du déroulement de la mission Chang'e 5.

Segment sol[modifier | modifier le code]

L'antenne de la station de Kourou.

Deux navires de classe Yuanwang ont été positionnés dans l'océan pacifique en amont du lancement afin d'assurer une part du relai des télécommunications et du suivi de la fusée. Environ 6 minutes après le décollage, le navire Yuanwang-6 détecte le véhicule puis verrouille sa cible afin de transmettre les données du vol aux centres de contrôle de Wenchang et de Pékin. Le navire Yuanwang-5 prend le relai après 30 minutes de vol. Au total les deux bâtiments ont relayé les télécommunications durant 18 minutes et 20 secondes. Le navire Yuanwang-3 également déployé doit assurer une part du suivi durant le déroulement de la mission[51].

Durant le décollage une partie des télécommunications et du suivi se fait grâce à la station au sol de Kourou en Guyane, puis durant le retour sur Terre à la fin de la mission via celle de Maspalomas dans les îles Canaries opérée par l'Institut national de technique aérospatiale, l'agence spatiale espagnole. Cela contribue à calculer avec précision la trajectoire de la capsule de retour, ce qui est déterminant pour anticiper son site d'atterrissage. Ce soutien est apporté en vertu d'un accord passé entre l'administration spatiale nationale chinoise (CNSA) et l'agence spatiale européenne (ESA)[52].

Suite du programme[modifier | modifier le code]

Comme pour les deux précédentes phases du programme chinois d'exploration lunaire, une doublure de la sonde a été construite en cas d'échec de la mission. En cas de succès, cette sonde nommée Chang'e 6 doit être lancée en afin de ramener des échantillons du pôle Sud lunaire[38]. Chang'e 7 dont le décollage est prévu en est une sonde comportant un orbiteur, un satellite relai, un atterrisseur, un rover et un robot sauteur qui doit explorer le pôle Sud de la Lune. Emportant un total de 23 instruments scientifiques, elle devra conduire une étude poussée de l'environnement lunaire et du pôle Sud, à la recherche de ressources telles que la présence d'eau. Chang'e 8 doit également se poser au pôle Sud lunaire afin d'y conduire des expériences d'utilisation des ressources in situ (ISRU), notamment à l'aide de l'impression 3D. Ces missions doivent constituer un embryon de base lunaire robotisée, préparant le terrain et testant des technologies en vue de l'arrivée future d'astronautes[53].

Notes et références[modifier | modifier le code]

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  2. Tom Lund 2018, p. 349-353
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Bibliographie[modifier | modifier le code]

Programme Apollo et Programme Luna
Programme spatial chinois en général

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Au sujet de la Lune[modifier | modifier le code]

Au sujet de l'exploration de la Lune[modifier | modifier le code]

Au sujet du programme spatial de la Chine[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]