Etranges orbites lunaires

article original publié par Science @ Nasa
auteur : Trudy E. Bell
traduction de Didier Jamet
7 NOVEMBRE 2006

Vue d’artiste d’un largage de sous-satellite à partir d’un module de commande d’Apollo
Vue d’artiste d’un largage de sous-satellite à partir d’un module de commande d’Apollo

Nasa

Alors que la mission Apollo 16 touchait à sa fin, le 24 avril 1972, juste avant de rentrer sur Terre, les trois membres d'équipage libérèrent une dernière expérience scientifique : un petit " sous-satellite " nommé PFS-2 et censé boucler un tour de Lune environ toutes les deux heures. En moins de trois semaines, ce satellite allait connaître un sort pour le moins étrange.

L’intention derrière cette expérience ? En se joignant au satellite PFS-1 lancé 8 mois plus tôt par les astronautes d’Apollo 15, PFS-2 devait mesurer les particules chargées et les champs magnétiques au voisinage de la Lune. Les orbites basses des deux satellites devaient être des ellipses semblables, leur altitude variant de 88 à 122 kilomètres au dessus de la surface lunaire.

Au lieu de quoi, quelque chose d’étrange survint : l’orbite de PFS-2 changea rapidement de forme et d’altitude. Il ne fallut que deux semaines et demie pour que le satellite ne plonge en piqué vers la surface lunaire, ne la survolant plus que de 10 km au point le plus bas de son orbite. Alors que l’orbite n’arrêtait pas de se modifier, PFS-2 recula un peu jusqu’à ce qu’il semble gagner une position sûre à quelque 50 km d’altitude. Mais le répit fut de courte durée.Inexorablement, l’orbite du satellite se rapprocha du sol lunaire. Et le 29 mai 1972, après seulement 35 jours et 425 tours de Lune, PFS-2 s’écrasa sur la Lune.

Que s’était-il passé ?

C’est la Lune elle-même qui exerça ainsi une fatale attraction sur le satellite. C’est du moins la conclusion d’Alex S. Konopliv, un planétologue du JPL. Avec plusieurs collègues, il a analysé les orbites de différents satellites placés en orbite lunaire depuis PFS-2, et tout particulièrement celle de la mission Lunar Prospector entre 1998 et 1999.

" Si la Lune était une sphère parfaite, vous pourriez avoir une orbite qui serait une ellipse parfaite ou un cercle " explique Konopliv. " En effet la Lune n’a pas d’atmosphère susceptible d’engendrer une traînée aérodynamique ou un échauffement du satellite, aussi vous pouvez descendre vraiment très bas : Lunar Prospector a ainsi tourné pendant 6 mois à quelque 30 km de la surface ".

Alors pourquoi PFS-2, qui fut inséré sur une orbite lunaire elliptique le plaçant initialement à une altitude comprise entre 83 et 106 km, a-t-il terminé sa course dans un fracas de structures métalliques et de panneaux solaires ?

" Gravitationnellement parlant, la Lune est extraordinairement cabossée " poursuit Konopliv. " Par là, je ne veux pas parler de ses montagnes ou de sa topographie physique. Je parle de sa masse. Les plates étendues de laves lunaires présentent d’énormes anomalies gravitationnelles positives. Cela signifie que leur masse, et partant leur champ gravitationnel, sont beaucoup plus élevés que le reste de la croûte lunaire. " Connues sous le termes de " concentrations de masse " devenues en abrégé " mascons " en anglais, elles sont au nombre de 5 du côté de la Lune qui fait constamment face à la Terre, toutes situées dans les mers lunaires, les grandes taches sombres visibles à l’oeil nu et aux jumelles depuis la Terre.

À vrai dire, l’origine exacte de ces concentrations de masse est un mystère. Bien que les scientifiques soient généralement d’accord pour dire qu’elles sont situés dans des zones d’impacts s’étant produits il y a des milliards d’années, ils ne savent pas exactement si l’excès de masse est dû à de la lave dense ayant rempli le cratère, ou à la remontée vers la croûte de dense matériau riche en fer en provenance du manteau lunaire. Si on met de côté ces incertitudes liées à leur composition et leur origine, on sait par contre que ces concentrations de masse font de la Lune le corps à la gravité la plus irrégulière de tout le système solaire. Si on trouve également de telles concentrations sur Mars, rien de comparable n’a jamais été observé sur Vénus ou la Terre. Cependant ces deux dernières grandes planètes ont eu un passé tectonique (géologique) mouvementé, au cours duquel la croûte a plusieurs fois sombré vers l’intérieur de la planète pendant les derniers milliards d’années, ce qui a sans doute contribué à homogénéiser la répartition des masses.

L’anomalie gravitationnelle des concentrations de masse lunaires est si forte (un demi pourcent) qu’elle pourrait être perçue par des marcheurs lunaires. " Si vous vous teniez au bord d’une de ces mers avec un pendule, vous verriez ce dernier s’écarter de la verticale d’environ un tiers de degré en direction du mascon " affirme Konopliv. Autre façon de l’exprimer, un astronaute entièrement équipé dont le poids lunaire serait de 30 kilos au bord d’une mer pèserait 150 grammes de plus au centre du mascon.

" Les mascons lunaires rendent instables la plupart des orbites lunaires basses " résume Konopliv. Lorsqu’un satellite passe à 80 ou 100 km au-dessus d’un mascon, celui-ci le fait avancer, descendre, monter, dévier sur la gauche ou sur la droite selon la trajectoire du satellite. Et sans le soutien régulier de moteurs fusées dont la poussée permet de corriger l’orbite, la plupart des satellites placés sur des orbites lunaires basses (moins de 100 km) finiront par s’écraser à sa surface. PFS-2 n’était qu’une illustration du pire cas possible. Mais même son prédécesseur PFS-1 mordit la poussière en janvier 1973 après moins d’un an et demi en orbite.

Qu’est-ce que cela implique dans la perspective d’une exploration lunaire à long terme ?

Qu’il faudra choisir très soigneusement l’orbite d’un satellite devant opérer à basse altitude. " Ce qui compte, c’est l’inclinaison de l’orbite ", c’est à dire l’angle que fait son plan avec le plan équatorial lunaire. " Il y a en réalité un certain nombre d’orbites " bloquées ", sur lesquelles un satellite peut rester en orbite lunaire basse indéfiniment. On les trouve à quatre inclinaisons : 27°, 50°, 76° et 86°, cette dernière présentant en outre l’avantage de passer presque exactement au-dessus des pôles lunaires. Le satellite PFS-1, qui parvint à rester à rester en orbite relativement longtemps, avait une inclinaison de 28°, ce qui s’avéra être relativement proche d’une des orbites stables. Mais avec une inclinaison de seulement 11°, le pauvre PFS-2 était condamné dès son lancement.

Autrement, si les objectifs de la mission imposent de choisir une orbite instable, il faudra prévoir de nombreuses manœuvres de correction orbitale. Lunar Prospector dut manœuvrer tous les deux mois pour conserver son orbite circulaire initiale de 100 km d’altitude. Et lorsqu’il se retrouva à 30 km de haut seulement, ce fut plusieurs fois par mois. Lorsque son réservoir de carburant fut presque vide, les scientifiques surent que la fin était proche, et choisirent délibérément de le faire s’écraser le 30 juillet 1999, près du pôle sud lunaire dans l’espoir d’observer un panache de poussière lunaire s’en élever. En à peine un an et demi, la Lune venait d’épingler un nouveau satellite à son tableau de chasse.

Conclusion d’Alex Konopliv en forme de recommandation : " Emporter beaucoup de carburant ".

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