Injection trans-lunaire - Trans-lunar injection

Transfert lunaire, vue en perspective. TLI se produit au point rouge près de la Terre.

Une injection trans-lunaire ( TLI ) est une manœuvre de propulsion utilisée pour placer un engin spatial sur une trajectoire qui le fera arriver sur la Lune .

Histoire

Animation de la trajectoire du GRAIL-A
  GRAAL-A  ·   Lune  ·   Terre
Animation de la trajectoire de Chandrayaan-2
  Terre  ·   Lune  ·   Chandrayaan-2
Animation de trajectoire LRO
  Orbiteur de reconnaissance lunaire  ·   Terre  ·   Lune

La première sonde spatiale pour tenter TLI était l' Union soviétique de Luna 1 le 2 Janvier 1959, a été conçu pour un impact sur la Lune. La brûlure ne s'est cependant pas déroulée exactement comme prévu et le vaisseau spatial a raté la Lune de plus de trois fois son rayon et a été envoyé sur une orbite héliocentrique. Luna 2 a effectué la même manœuvre avec plus de précision le 12 septembre 1959 et s'est écrasée sur la Lune deux jours plus tard. Les Soviétiques ont répété ce succès avec 22 autres missions Luna et 5 missions Zond voyageant vers la Lune entre 1959 et 1976.

Les États-Unis ont lancé leur première tentative d'impacteur lunaire, Ranger 3 , le 26 janvier 1962, qui n'a pas réussi à atteindre la Lune. Cela a été suivi par le premier succès américain, Ranger 4 , le 23 avril 1962. 27 autres missions américaines vers la Lune ont été lancées de 1962 à 1973, dont cinq atterrisseurs souples Surveyor , cinq sondes de surveillance Lunar Orbiter et neuf missions Apollo , qui a fait atterrir les premiers humains sur la Lune.

La première mission avec équipage humain à effectuer TLI était Apollo 8 le 21 décembre 1968, faisant de son équipage les premiers humains à quitter l' orbite terrestre basse .

Pour les missions lunaires Apollo, TLI a été réalisée par le réitérable J-2 moteur dans le S-IVB troisième étape de la Saturn V fusée. Cette brûlure TLI particulière a duré environ 350 secondes, fournissant 3,05 à 3,25 km/s (10 000 à 10 600 ft/s) de changement de vitesse , moment auquel le vaisseau spatial se déplaçait à environ 10,4 km/s (34150 ft/s) par rapport à La terre. L'Apollo 8 TLI a été observé de manière spectaculaire depuis les îles Hawaï dans le ciel avant l'aube au sud de Waikiki, photographié et rapporté dans les journaux le lendemain. En 1969, le TLI avant l'aube d'Apollo 10 était visible depuis Cloncurry , en Australie . Il a été décrit comme ressemblant à des phares de voiture passant au-dessus d'une colline dans le brouillard, le vaisseau spatial apparaissant comme une comète brillante avec une teinte verdâtre.

En 1990, le Japon a lancé sa première mission lunaire, utilisant le satellite Hiten pour survoler la Lune et placer le microsatellite Hagoromo sur une orbite lunaire. Par la suite, il a exploré une nouvelle méthode TLI à faible delta-v avec un temps de transfert de 6 mois (contre 3 jours pour Apollo).

Le vaisseau spatial américain Clementine de 1994 , conçu pour présenter des technologies légères, a utilisé un TLI de 3 semaines avec deux survols intermédiaires de la Terre avant d'entrer en orbite lunaire.

En 1997, Asiasat-3 est devenu le premier satellite commercial à atteindre la sphère d'influence de la Lune lorsque, après un échec de lancement, il a basculé deux fois près de la Lune comme moyen à faible delta-v pour atteindre son orbite géostationnaire souhaitée. Il est passé à moins de 6200 km de la surface de la Lune.

En 2003, le satellite démonstrateur de la technologie SMART-1 de l' ESA est devenu le premier satellite européen à orbiter autour de la Lune. Après avoir été lancé sur une orbite de transfert géostationnaire (GTO), il a utilisé des moteurs ioniques solaires pour la propulsion. En raison de sa manœuvre delta-v TLI extrêmement faible, le vaisseau spatial a mis plus de 13 mois pour atteindre une orbite lunaire et 17 mois pour atteindre son orbite souhaitée.

La Chine a lancé sa première mission lunaire en 2007, plaçant le vaisseau spatial Chang'e 1 sur une orbite lunaire. Il a utilisé de multiples brûlures pour élever lentement son apogée pour atteindre le voisinage de la Lune.

L'Inde a suivi en 2008, lançant le Chandrayaan-1 dans un GTO et, comme le vaisseau spatial chinois, augmentant son apogée sur un certain nombre de brûlures.

L'atterrisseur mou Beresheet d' Israel Aerospace Industries , a utilisé cette manœuvre en 2019, mais s'est écrasé sur la Lune.

En 2011, les satellites GRAIL de la NASA ont utilisé une route à faible delta-v vers la Lune, passant par le point Soleil-Terre L1 et prenant plus de 3 mois.

Théorie

Les trajectoires de transfert lunaires typiques se rapprochent des transferts Hohmann , bien que des transferts à basse énergie aient également été utilisés dans certains cas, comme avec la sonde Hiten . Pour les missions de courte durée sans perturbations significatives de sources extérieures au système Terre-Lune, un transfert Hohmann rapide est généralement plus pratique.

Un vaisseau spatial effectue un TLI pour commencer un transfert lunaire à partir d'une orbite de stationnement circulaire basse autour de la Terre . La grande combustion TLI , généralement effectuée par un moteur de fusée chimique , augmente la vitesse du vaisseau spatial, faisant passer son orbite d'une orbite terrestre basse circulaire à une orbite très excentrique . Alors que le vaisseau spatial commence à rouler sur l'arc de transfert lunaire, sa trajectoire se rapproche d'une orbite elliptique autour de la Terre avec un apogée proche du rayon de l'orbite de la Lune. La brûlure TLI est dimensionnée et chronométrée pour cibler avec précision la Lune alors qu'elle tourne autour de la Terre. La combustion est programmée de manière à ce que le vaisseau spatial approche de l'apogée à l'approche de la Lune. Enfin, le vaisseau spatial pénètre dans la sphère d'influence de la Lune , effectuant un passage lunaire hyperbolique.

Retour gratuit

Croquis d'une trajectoire de retour libre circumlunaire (pas à l'échelle)

Dans certains cas, il est possible de concevoir un TLI pour cibler une trajectoire de retour libre , de sorte que le vaisseau spatial bouclera derrière la Lune et reviendra sur Terre sans avoir besoin d'autres manœuvres de propulsion.

De telles trajectoires de retour libres ajoutent une marge de sécurité aux missions de vol spatial habité, puisque le vaisseau spatial reviendra sur Terre « gratuitement » après la combustion initiale du TLI. Les Apollos 8, 10 et 11 ont commencé sur une trajectoire de retour libre, tandis que les missions ultérieures ont utilisé une trajectoire hybride fonctionnellement similaire, dans laquelle une correction de trajectoire à mi-chemin est nécessaire pour atteindre la lune.

La modélisation

Concept d'artiste de la pile Constellation de la NASA effectuant la brûlure par injection trans-lunaire

Coniques patchés

Le ciblage TLI et les transferts lunaires sont une application spécifique du problème des n corps , qui peut être approximé de diverses manières. La façon la plus simple d'explorer les trajectoires de transfert lunaire est la méthode des coniques patchées . Le vaisseau spatial est supposé n'accélérer que sous la dynamique classique à 2 corps, étant dominé par la Terre jusqu'à ce qu'il atteigne la sphère d'influence de la Lune . Le mouvement dans un système conique patché est déterministe et simple à calculer, se prêtant à une conception de mission approximative et à des études « de l' arrière de l'enveloppe ».

Circulaire restreint à trois corps (RC3B)

De manière plus réaliste, cependant, le vaisseau spatial est soumis aux forces gravitationnelles de nombreux corps. La gravitation de la Terre et de la Lune domine l'accélération de l'engin spatial, et puisque la propre masse de l'engin spatial est négligeable en comparaison, la trajectoire de l'engin spatial peut être mieux approchée comme un problème restreint à trois corps . Ce modèle est une approximation plus proche mais manque de solution analytique, nécessitant un calcul numérique.

Plus de précision

Une simulation plus détaillée implique la modélisation du véritable mouvement orbital de la Lune ; gravitation d'autres corps astronomiques; la non-uniformité de la gravité de la Terre et de la Lune ; y compris la pression de rayonnement solaire ; etc. La propagation du mouvement du vaisseau spatial dans un tel modèle est numériquement intensive, mais nécessaire pour une véritable précision de la mission.

Voir également

Les références

Domaine public Cet article incorpore  du matériel du domaine public provenant de sites Web ou de documents de la National Aeronautics and Space Administration .