(LRO) est une sonde spatiale de type orbiteur de la NASA lancée en 2009 dont l'objectif est d'étudier la Lune depuis son orbite. LRO fait partie du programme Lunar Precursor Robotic dont l'objectif est d'effectuer des reconnaissances approfondies de notre satellite notamment pour préparer les missions habitées du programme Constellation d'exploration lunaire annulé le par le président Obama.
LRO, dont la masse totale est de , embarque sept instruments scientifiques notamment des caméras en lumière visible, un radiomètre infrarouge, un spectromètre ultraviolet et différents instruments destinés à détecter la présence d'eau. LRO est placée sur une orbite particulièrement basse de autour de la Lune qui lui permet d'effectuer des observations extrêmement détaillées de la surface. Le système de télécommunication est dimensionné pour transférer le très grand volume de données qui en découle. Les objectifs de la sonde sont de dresser une carte à haute résolution de la Lune, tenter de détecter la présence d'eau au niveau des régions polaires, définir un système géodésique complet et évaluer l'intensité du rayonnement ionisant d'origine cosmique.
LRO est lancée le par un lanceur Atlas V depuis la base de lancement de Cap Canaveral, avec une deuxième sonde lunaire Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) ayant une mission complémentaire. Les instruments de la sonde permettent de dresser une carte topographique (avec le relief) et une carte bidimensionnelle de la Lune d'une précision inégalée. La mission, d'une durée initiale d'un an, est prolongée à plusieurs reprises.
Contexte Mission de reconnaissance pour le programme Constellation
thumb|upright|La sonde en cours de test. Lorsque le projet de la sonde LRO est mis au point, la NASA prévoit d'envoyer des astronautes sur la Lune vers 2020 dans le cadre de son programme Constellation : celui-ci constitue la concrétisation de la stratégie spatiale américaine à long terme définie par le président George W. Bush en , énoncé dans le document Vision for Space Exploration. Le programme Constellation a pour objectif l’envoi d’astronautes sur la Lune vers 2020 pour des missions de longue durée (7 jours au lieu de 3 pour le programme Apollo). On envisage des sites d'atterrissage dans les régions polaires éclairées pratiquement en permanence pour bénéficier à la fois d'un ensoleillement plus important, donc de nuits plus courtes et de températures moins extrêmes. Il est également envisagé dans une perspective plus lointaine d'exploiter les dépôts de glace d'eau qui existent peut-être sous ces latitudes dans les zones en permanence à l'ombre.
LRO constitue avec son compagnon LCROSS la première mission préparatoire de ce projet. Ces deux engins spatiaux font partie du programme Lunar Precursor Robotic qui regroupe plusieurs missions de sondes spatiales qui doivent être lancées vers la Lune pour préparer les futurs vols habités. En 2010, le programme Constellation est annulé pour des raisons financières.
Objectifs de la mission
Les principaux objectifs de la mission sont. : Réaliser un système géodésique complet de la Lune. Évaluer l'intensité du rayonnement ionisant d'origine cosmique. Explorer les régions polaires de la Lune en recherchant d'éventuels dépôts de glace d'eau et les zones éclairées en permanence. Réaliser une cartographie à haute résolution notamment pour faciliter la recherche de futurs sites d'atterrissage en fournissant leurs caractéristiques.
Déroulement de la mission Lancement et injection en orbite lunaire thumb|500px|Du point de vue LRO (orbite en violet), la Terre et le Soleil se présentent sous un angle qui revient tous les mois pour la première et tous les ans pour le second (β). Cette situation génère des périodes de visibilité continue de la Terre et du Soleil présentées sur ce schéma. La fenêtre de lancement est choisie de manière que le plan orbital de la sonde autour de la Lune qui en résulte coïncide avec l'azimut du Soleil au moment des solstices lunaires. En effet, l'un des objectifs de LRO est d'identifier les zones polaires situées en permanence à l'ombre ou au contraire éclairées en permanence. Lorsque le plan orbital coïncide avec l'orientation du Soleil durant les solstices lunaires, la sonde peut déterminer les conditions les plus extrêmes d'ensoleillement rencontrées par les régions polaires..
LRO est injectée sur une orbite de transfert vers la Lune par un lanceur Atlas V de type 401. Le lanceur emporte également la sonde LCROSS dont la mission est de tenter de détecter la présence d'eau à l'intérieur des cratères situés dans les zones polaires de la Lune. Après quatre jours de navigation et une seule correction de trajectoire à mi-course (), la sonde LRO utilise ses propulseurs à quatre reprises avec un Delta-v de respectivement , , et pour se placer sur une orbite elliptique de . La sonde reste sur cette orbite durant 60 jours pendant lesquels les instruments scientifiques sont activés et calibrés (phase de recette). Une dernière impulsion place la sonde sur son orbite de travail de type polaire circulaire à une altitude de au-dessus du sol lunaire. Cette orbite particulièrement basse est retenue pour permettre une étude très détaillée du sol lunaire...
Déroulement des opérations
À l'issue de la phase de recette de 60 jours, la sonde entame les opérations de recueil des données scientifiques. Il est prévu que l'ensemble des objectifs soient atteints environ un an après la date de lancement. Chaque jour la sonde transmet environ 460 gigaoctets de données (90 % sont générées par les caméras en lumière visible). Celles-ci sont transmises en bande Ka avec un débit de 100 millions de bits par seconde à la seule station de réception terrestre de White Sands qui est en visibilité depuis LRO de 2 à 6 fois par jour durant 45 minutes..
Du fait des mouvements relatifs de la Terre, du Soleil et de la Lune, la Terre est visible de la sonde de manière continue durant deux jours deux fois par mois et le Soleil de manière continue durant un mois deux fois par an. Au moment des solstices lunaires (deux fois par an), la sonde effectue un mouvement de rotation de 180° pour pouvoir présenter la face efficace de son panneau solaire au Soleil. Sur son orbite, la sonde alterne période éclairée et période à l'ombre, chacune d'une durée de 56 minutes en moyenne. Toutefois, sur la durée de sa mission, la sonde connaît plusieurs périodes d'éclipse totale ou partielle de plusieurs heures liées à l'interposition de la Terre entre la Lune et le Soleil. La plus sévère se situe le (éclipse totale de et partielle de ) durant laquelle les accumulateurs doivent subir une décharge de 90 %.. Du fait du champ de gravité irrégulier de la Lune, l'excentricité de l'orbite est progressivement modifiée et au bout de 60 jours la sonde risque de heurter la surface de la Lune. LRO consacre la première année un Delta-v de pour maintenir son orbite.. Les corrections d'orbite sont effectuées une fois toutes les quatre semaines tandis que la désaturation des roues de réaction est réalisée toutes les deux semaines.
La sonde dispose d'une marge de carburant suffisante (Delta-v de ) pour lui permettre d'être prolongée au moins de trois ans sur une orbite de . Peu après la fin de la mission et l'épuisement de son carburant, la sonde ne pouvant plus corriger son orbite, doit percuter le sol lunaire..
Principales caractéristiques de la sonde La sonde lunaire LRO pèse dont de carburant permettant de fournir un Delta-v de . Elle est alimentée en énergie par un panneau solaire orientable qui lui fournit 685 watts stockés dans des accumulateurs lithium-ion. Une fois le panneau solaire déployé, le satellite a une envergure de sur , sans tenir compte de l'antenne à grand gain déployée au bout d'un mât qui accroît l'envergure de . Les données recueillies sont transmises au centre de contrôle en bande Ka (grand débit) ou en bande S avec un débit qui peut atteindre par seconde. Le volume total par jour peut atteindre .. Les opérations de cartographie génèrent entre d'images.
La sonde dispose de 4 moteurs-fusées de 80 newtons de poussée utilisés pour les manœuvres d'insertion en orbite et baptisés en conséquence IT (insertion thrusters). Ces propulseurs se présentent en deux groupes de 2. Un seul des deux groupes est suffisant pour permettre la manœuvre exigeant le plus de poussée durant l'insertion en orbite. Par ailleurs, 8 moteurs-fusées de 20 newtons de poussée sont utilisés pour les corrections fines d'orbite ainsi que pour le contrôle d'attitude. Ils sont de ce fait baptisés AT (attitude thrusters). La sonde est stabilisée sur 3 axes, c'est-à-dire que son orientation est fixe dans un référentiel stellaire. Le contrôle d'attitude est réalisé à l'aide de deux viseurs d'étoiles, d'une centrale à inertie et de 4 roues de réaction. En cas de perte de contrôle, dix capteurs solaires prennent le relais en « mode de survie » pour fournir une orientation de référence approchée..
Les instruments scientifiques La sonde emporte six instruments scientifiques et un démonstrateur technologique. :
CRaTER (Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation), le but principal de l'instrument CRaTER est de mesurer l'intensité du rayonnement ionisant d'origine cosmique et ses impacts biologiques. Il s'agit plus particulièrement de mesurer les particules chargées ayant une énergie supérieure à 10 MeV. CRaTER est constitué d'un télescope recueillant les ions et les électrons et dans une moindre mesure les neutrons, de trois paires de détecteurs en silicium - l'un épais l'autre mince - chargés de mesurer l'énergie des particules et de couches de plastiques reproduisant les caractéristiques de tissus humains mous (tissue-equivalent plastic ou TEP). Les détecteurs permettent de mesurer l'énergie dissipée lorsque les particules chargées les traversent (l'énergie perdue mesurée est comprise entre et )CRaTER: The Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation Experiment on the Lunar Reconnaissance Orbiter Mission, H.E. Spence · A.W. Case · M.J. Golightly · T. Heine · B.A. Larsen · J.B. Blake P. Caranza ·W.R. Crain · J. George · M. Lalic · A. Lin · M.D. Looper · J.E. Mazur D. Salvaggio · J.C. Kasper · T.J. Stubbs · M. Doucette · P. Ford · R. Foster · R. Goeke ·D. Gordon · B. Klatt · J. O’Connor · M. Smith · T. Onsager · C. Zeitlin·L.W. Townsend · Y. Charara. Le TEP permet de mesurer comment le tissu humain réagit aux radiations, une information importante pour les futures missions habitées qui doivent s'aventurer loin de la Terre.. DLRE (Diviner Lunar Radiometer Experiment), ce radiomètre infrarouge doit permettre de mesurer les températures à la surface de la Lune. Les astronautes participant à des missions longues sur le sol lunaire doivent notamment survivre à la nuit lunaire alors que toutes les missions du programme Apollo se sont déroulées de jour et à une latitude favorable car proche de l'équateur. Un objectif important assigné à cet instrument est de mesurer la température des zones en permanence à l'ombre pour déterminer dans quelle mesure celles-ci peuvent stocker de l'eau..