Le vaisseau spatial Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA a largement dépassé la durée de sa mission prévue, révélant que la Lune réserve des surprises :des dépôts de glace qui pourraient être utilisés pour soutenir de futures explorations lunaires, les endroits les plus froids du système solaire dans les régions ombragées en permanence aux pôles lunaires, et que c'est un monde actif qui se rétrécit, générer des tremblements de lune et changer sous nos yeux. LRO a cartographié la surface avec des détails exquis, renvoyant des millions d'images d'un paysage lunaire d'une beauté saisissante et ouvrant la voie à de futures missions humaines dans le cadre du programme Artemis de la NASA.

Au printemps 2018, Unité de mesure inertielle miniature (MIMU) de LRO, un capteur critique utilisé pour aider à pointer les instruments du vaisseau spatial, a été éteint pour préserver sa durée de vie restante après avoir montré des signes de déclin en raison du vieillissement naturel dans l'environnement hostile de l'espace. Le MIMU est comme un compteur de vitesse. Il mesure la vitesse de rotation du LRO. Sans ça, LRO a été contraint de s'appuyer uniquement sur les données des suiveurs d'étoiles - des caméras vidéo avec un logiciel de traitement d'image qui déduit l'orientation sur la base de cartes d'étoiles - pour pointer et réorienter le vaisseau spatial. "Cela a limité la capacité de réorienter (de faire pivoter) le vaisseau spatial à des fins scientifiques, " a déclaré Julie Halverson, Ingénieur système en chef dans les opérations de mission scientifique spatiale au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.

"La réorientation du vaisseau spatial pour obtenir des données de vue latérale est précieuse pour les scientifiques car elle nous permet de mesurer différemment la façon dont la lumière se reflète sur la Lune, selon la vue de l'instrument, " dit Noah Petro, Scientifique de projet pour LRO à la NASA Goddard. "C'est ce qu'on appelle la photométrie de la surface. De plus, la caméra prend des images latérales pour créer des images 3D de la surface et pour collecter les vues en perspective de la Lune qui aident à démêler les relations géologiques. Les ingénieurs de la NASA ont développé un nouvel algorithme qui peut estimer la vitesse de rotation du LRO en fusionnant les mesures du suiveur d'étoiles avec d'autres informations disponibles à partir de l'ordinateur de vol du LRO.

Pour que le nouveau compteur de vitesse de LRO fonctionne correctement, les traqueurs d'étoiles doivent maintenir une vue dégagée sur les étoiles, qui peut être bloqué par la Terre ou la Lune, ou l'éclat du soleil. Autrement, il est impossible de déterminer l'orientation ou d'estimer la vitesse de rotation de l'engin spatial. Veiller à ce que les traqueurs d'étoiles soient toujours dégagés pendant les manœuvres scientifiques a rendu de nombreuses observations scientifiques qui pourraient être facilement réalisées avec le MIMU impossibles à effectuer sans lui. Pour récupérer ces opportunités autrement perdues, Goddard, le Engineering Safety Center (NESC) de la NASA et la Naval Postgraduate School (NPS) de Monterey, Californie, se sont à nouveau associés dans leur longue histoire de recherche coopérative pour développer rapidement une collection de nouveaux, des méthodes révolutionnaires pour permettre à LRO de continuer à explorer la Lune au maximum de ses capacités.

"L'algorithme que nous avons développé pour LRO s'appelle Fast Maneuvering ou 'FastMan' et il fonctionne en conjonction avec le contrôleur basé sur le star-tracker de LRO, " a déclaré Mark Karpenko, professeur agrégé de recherche au NPS et chef de projet FastMan. "Les manœuvres contournent naturellement les objets lumineux, tout comme l'évitement d'obstacles dans une voiture autonome." Un algorithme informatique est un ensemble d'instructions pour traiter des données. Karpenko a pu construire FastMan en utilisant des outils logiciels basés sur les mêmes outils précédemment utilisés par une équipe NASA-NPS pour réorienter la Station spatiale internationale en combinant les forces de l'environnement spatial avec ses gyroscopes plutôt que de brûler du carburant en tirant ses propulseurs. . Cette « Manœuvre Zéro Propellant » est similaire à une manœuvre de virement de bord utilisée en voile.

"L'orbiteur de reconnaissance lunaire subit de fréquentes rotations spéciales lorsqu'il orbite autour de la Lune et notre capacité à planifier ces rotations est limitée par le temps qu'il faut pour les exécuter, " dit John Keller, Scientifique adjoint de projet pour LRO à la NASA Goddard. Avec FastMan, LRO a pu effectuer près de 200 rotations supplémentaires qui n'auraient pas pu être effectuées autrement.

"Réellement, la plupart des améliorations de performances que nous avons obtenues jusqu'à présent ont été réalisées en utilisant les résultats de FastMan pour créer ce que nous appelons une manœuvre de « taxi », " a déclaré Karpenko. Parce que le FastMan complet nécessitait des modifications du logiciel de vol de LRO, Karpenko a conçu la manœuvre de taxi pour atteindre la plupart des objectifs de FastMan tout en ne nécessitant aucune modification du logiciel de vol. "Malheureusement, jusqu'à ce que nous puissions mettre à jour le logiciel de vol, Je devais être au courant, " a déclaré Karpenko. La manœuvre complète du FastMan est entièrement autonome.

Le premier coup FastMan a été mené en orbite fin juillet 2020 et a permis à la caméra LRO, l'un des sept instruments scientifiques de LRO, pour obtenir une vue latérale du cratère de Triesnecker 25 % plus rapidement qu'une rotation de taxi ne l'aurait permis. Avec ces nouveaux algorithmes, LRO est à nouveau capable de regarder rapidement sur le côté, et le vaisseau spatial est en bonne santé, avec tous les instruments collectant encore des données. « LRO est maintenant dans la 11e année de ce qui devait initialement être une mission de deux ans, " a déclaré Petro. "Nous surveillons régulièrement tous les systèmes LRO pour détecter des signes de dégradation ou de changement. Le carburant peut être notre facteur limitant le taux, les estimations actuelles nous placent à au moins cinq ans de carburant de plus à bord, sinon plus."

En 2010, NPS, NESC et Goddard se sont associés pour mettre en œuvre les premières manœuvres de réorientation à temps minimum jamais effectuées en orbite. Ce travail innovant a été réalisé sous la forme d'une démonstration en vol de fin de vie sur le vaisseau spatial TRACE. Aujourd'hui, la communauté scientifique lunaire est le bénéficiaire de ce travail de pionnier. "Les algorithmes d'orientation développés par NPS ont déjà permis à LRO de collecter plus de science, " a expliqué Neil Dennehy, Fellow technique de la NASA pour l'orientation, Navigation et contrôle. « Je m'attends à ce qu'à l'avenir nos partenaires industriels soient également en mesure de tirer parti de cette technologie. »