Lunar Flashlight

Au cours des deux dernières décennies plusieurs missions spatiales ont collecté avec différents types d'instrument des données qui semblent indiquer que de l'eau est présente à la surface de la Lune. Mais du fait des limitations des instruments utilisés, les opinions divergent sur la quantité et la localisation de cette eau et sur le fait que celle-ci pourrait être utilisée pour des applications de type ISRU. Lunar Flashlight a pour objectif de détecter, quantifier et cartographier l'eau présente dans les zones des régions polaires situées en permanence à l'ombre (intérieur de certains cratères, catégorisés comme cratères d'obscurité éternelle) en particulier là ou la température est inférieure à 110 kelvins qui constitue la limite inférieure des phénomènes de sublimation. L'objectif final est de déterminer le potentiel de ces ressources pour de futures explorations spatiales avec ou sans équipage.

Lunar Flashlight est un nano-satellite de format CubeSat 6U c'est-à-dire que ses dimensions, sa masse et plusieurs de ses caractéristiques sont imposées par ce standard. C'est un parallélépipède rectangle de 10 x 20 x 30 cm avant déploiement de ses appendices (panneaux solaires, antennes, ...) et sa masse dont 1,5 kg pour les ergols utilisés par la propulsion. Pour remplir sa mission le satellite est stabilisé 3 axes à l'aide d'un système acquis sur étagère comprenant un viseur d'étoiles, quatre capteurs solaires, une centrale à inertie et des roues de réaction. Le CubeSat dispose de 4 panneaux solaires, déployés en orbite, dont deux sont stockés repliés sur eux-mêmes. Ils fournissent environ 51,2 watts en fin de mission. Une batterie lithium-ion d'une capacité de 6,é A-h. L'instrument qui constitue la charge utile est utilisé à chaque orbite durant 3 minutes et consomme alors environ 400 watts. Cette énergie est fournie par des condensateurs à grande capacité qui se rechargent durant le reste de l'orbite. Les télécommunications sont réalisées à l'aide de l'émetteur récepteur Iris développé par le JPL et déjà embarqué sur d'autre missions. Le débit vers la Terre de cet émetteur, qui fonctionne en bande X, est de x kilobits/s avec une antenne parabolique réceptrice de 34 mètres de diamètre. Le système de gestion bord est pris en charge par un ordinateur embarqué utilisant un microprocesseur LEON3-FT radiodurci[1].

Pour remplir sa mission Lunar Flashlight doit s'insérer en orbite autour de la Lune en abaissant progressivement son périgée ce qui nécessite de disposer d'une propulsion capable de fournir un delta-V relativement important. Le satellite utilise pour y parvenir une propulsion chimique fournie par la société VACCO constituée par 4 moteurs-fusées d'une poussée de 100 millinewton avec une impulsion spécifique de 200 secondes. L'ergol hypergolique utilisé est du dinitramide d'ammonium déjà utilisé sur le satellite suédois Prisma. Le satellite emporte 2 kg d'ergols qui lui permettent d'accélérer (Δv) de 237 m/s[2].

Lunar Flashlight emporte un réflectomètre laser multi-fréquences qui comprend un récepteur optique et 4 lasers émettant dans des fréquences différentes toutes situées dans la bande spectrale du proche infrarouge. Deux des longueurs d'onde choisies correspondent à des raies d'absorption de l'eau (1,495 micron et 1,99 micron) tandis que les deux autres (1,064 et 1,85 micron) se situent dans la continuité. La longueur d'onde 1,064 micron a été choisie parce qu'elle permet de comparer les mesures avec celles effectuées par LOLA, l'altimètre laser de la sonde spatiale Lunar Orbiter. À chaque survol du pole sud à une altitude comprise entre 12,6 et 52,4 km, au périgée de l'orbite de 12 heures, les quatre lasers fonctionnent les uns après les autres durant 1 milliseconde puis tous ensemble durant 1 milliseconde. Cette séquence se répète durant 3 minutes puis l'orbiteur lunaire s'éloigne avant de survoler à nouveau le pôle Sud 12 heures plus tard. Le fonctionnement simultané des quatre lasers permet de mesurer le bruit. Pour éliminer celui-ci les mesures de chaque laser sont sommées sur une durée déterminée par la résolution spatiale attendue. L'objectif est d'identifier la présence de glace d'eau lorsqu'elle représente plus de 0,5% de la masse totale et d'effectuer cette cartographie avec une résolution spatiale de 1 à 2 km (critère de succès minimum : 10 km). La quantité d'eau sera mesurée dans une région du pôle sud dont la latitude est comprise entre 0 et 10°[3]^,[4].

Détail des composants du réflectomètre laser  : 1 Viseur d'étoiles - 2 Batterie, télécommunications, gestion des données et des commandes - 3 Système propulsif - 4 Batteries des lasers - 5 Électronique de l'instrument- 6 Condensateurs, gestion de l'énergie - 7 Lasers - 8 Récepteur optique 9 Électronique du récepteur - 10 Réfrigérateur du détecteur.

Lunar Flashlight et 12 autres CubeSats constituent la charge utile secondaire de la mission Artemis I planifiée début 2022. Celle-ci est embarquée sur le premier vol de la fusée Space Launch System dont l'objectif principal est de tester le vaisseau Orion et le fonctionnement du nouveau lanceur. Les CubeSats sont stockés dans l'adaptateur qui relie le second étage du lanceur avec le vaisseau spatial. Ils sont largués sur une orbite de transfert vers la Lune. Lunar Flashlight utilise sa propulsion pour s'insérer en orbite lunaire sur une orbite très elliptique puis pour abaisser son périgée de manière à survoler à basse altitude la pôle sud. La phase scientifique de la mission doit durer 2 mois[1].