Des chercheurs de Skoltech et du Massachusetts Institute of Technology ont analysé plusieurs dizaines d'options pour choisir la meilleure en termes de performances et de coûts pour le "dernier kilomètre" d'une future mission sur la Lune, en livrant en fait des astronautes à la surface lunaire et en la sécurité de la station lunaire en orbite. L'article a été publié dans la revue Acta Astronautica .

Depuis décembre 1972, lorsque l'équipage d'Apollo 17 a quitté la surface lunaire, les humains ont hâte de retourner sur la Lune. En 2017, le gouvernement américain a lancé le programme Artemis, qui entend amener "la première femme et le prochain homme" au pôle sud lunaire d'ici 2024. La mission Artemis utilisera une nouvelle plate-forme orbitale, surnommé la passerelle lunaire, qui sera une station spatiale permanente à partir de laquelle des modules réutilisables ramèneront les astronautes sur la Lune. Cette nouvelle approche nécessite une réanalyse des approches d'atterrissage optimales; les entreprises privées mandatées par la NASA pour concevoir les modules d'atterrissage réutilisables mènent ces recherches, mais gardant leurs découvertes pour eux-mêmes.

Skoltech M.Sc. étudiant Kir Latyshev, doctorat étudiant Nicola Garzaniti, Professeur agrégé Alessandro Golkar, et Edward Crawley du MIT a développé des modèles mathématiques pour évaluer les options les plus prometteuses pour les systèmes d'atterrissage humain pour une future mission Artemis. Par exemple, le programme Apollo utilisait une architecture en 2 étapes, lorsque le module lunaire Apollo, composé d'un module de descente et de montée, a pu transporter deux personnes sur la surface lunaire et faire marche arrière, laissant le module de descente derrière.

L'équipe a supposé que la passerelle lunaire était située dans l'orbite du halo presque rectiligne L2, l'option actuellement préférée qui a la station en orbite autour du point L2 de Lagrange d'une manière qui facilite l'atterrissage sur le pôle sud lunaire. Ils ont également modélisé une expédition de quatre astronautes, qui passera environ sept jours sur la Lune. Les scientifiques ont considéré à la fois le nombre optimal d'étages et les propulseurs préférés pour le système. Au total, ils ont traversé 39 variantes du futur système d'atterrissage humain lunaire, modélisant également le coût des options les plus prometteuses.

L'équipe a suivi une approche globale pour évaluer des concepts alternatifs d'atterrisseurs humains lunaires, en examinant un grand nombre d'options à l'aide de modèles de criblage architecturaux. Ils ont d'abord défini l'ensemble des décisions architecturales à prendre, tels que le nombre d'étages et le type de propulseur à utiliser à chaque étage de l'atterrisseur. Ils ont organisé l'information dans des modèles mathématiques, et effectué une exploration informatique complète des architectures de système alternatives provenant de la combinaison des différentes décisions architecturales. Finalement, ils ont analysé l'espace commercial résultant et identifié les architectures préférées à considérer par les parties prenantes concernées par la conception d'atterrisseurs lunaires humains.

Leur analyse a montré que pour les systèmes d'atterrissage durables tels que ceux utilisés dans le programme Apollo, l'architecture à 2 étages est en effet la plus avantageuse car elle présente à la fois des masses sèches totales et des charges propulsives plus faibles ainsi que des coûts de lancement par mission plus faibles. Cependant, pour les véhicules réutilisables prévus dans le programme Artemis, Les systèmes à 1 et 3 étages deviennent rapidement comparables dans leurs avantages.

Avec toutes les hypothèses du document considérées, le gagnant « ultime » pour un certain nombre de missions lunaires courtes de type « sortie » est le module réutilisable à 1 étage fonctionnant à l’oxygène et à l’hydrogène liquides (LOX/LH2). Les auteurs notent qu'il s'agit d'une analyse préliminaire, qui ne prend pas en compte la sécurité de l'équipage, la probabilité de réussite de la mission ainsi que les considérations relatives aux risques liés à la gestion du projet - celles-ci nécessiteront une modélisation plus élaborée à un stade ultérieur du programme.

Kir Latyshev note que, pour le programme Apollo, Les ingénieurs de la NASA ont fait une analyse similaire et ont choisi le module lunaire à 2 étages. Cependant, l'architecture globale des missions lunaires était différente à l'époque. Il n'y avait pas de station lunaire en orbite pour garder le module lunaire entre les missions, ce qui signifiait que tous les vols ALM devaient être effectués directement depuis la Terre. Cela signifiait également utiliser des modules lunaires entièrement consommables (un nouveau véhicule pour chaque mission), par opposition aux réutilisables considérés de nos jours. Mis à part cela, sans la station lunaire, l'une des options actuelles - le système d'atterrissage à 3 étages - n'était pas du tout possible.

"De façon intéressante, notre étude constate que, même avec la station en orbite, si des véhicules entièrement consommables sont envisagés, alors le système d'atterrissage à 2 étages (de type Apollo) devrait toujours avoir des masses inférieures et, donc, des coûts inférieurs, ce qui confirme en quelque sorte la décision d'Apollo. Cependant, la réutilisabilité change cela. Bien que les véhicules à 1 et 3 étages dans ce cas soient toujours plus lourds que ceux à 2 étages, ils permettent de réutiliser une plus grande partie de la « masse du véhicule » (environ 70-100 % contre environ 60 % pour l'option à 2 étages) encore et encore, économisant ainsi de l'argent sur la production et la livraison de nouveaux véhicules à la station en orbite et rendant les missions lunaires potentiellement moins chères, " dit Latychev.

Il ajoute que la considération de la sécurité des équipages est un facteur important dans la conception des systèmes spatiaux habités dont les auteurs n'ont pas tenu compte dans leur étude. "Ce facteur de sécurité peut affecter les résultats d'une manière ou d'une autre. Par exemple, les solutions à plusieurs étages pourraient offrir des possibilités de retour plus sûres en cas d'urgence dans l'orbite lunaire de stationnement avant la descente à la surface que notre « gagnant, " le système 1 étage :le véhicule de descente ou de remontée peut être utilisé pour le retour dans le cas des systèmes à 3 et 2 étages par opposition à l'unique étage du système à 1 étage. En même temps, Les systèmes à 2 et 3 étages devraient être plus complexes et donc avoir plus de risques de pannes, par opposition à la solution plus simple en une étape. Il y a donc encore un compromis, " explique Latyshev.

L'équipe prévoit d'étendre le travail à l'avenir, avec une exploration complète de l'architecture du système de l'ensemble de l'infrastructure d'exploration requise dans les futurs programmes de vols spatiaux habités pour l'exploration lunaire.