Avec Jim Woodburn, Chief Orbital Scientist chez AGI, filière d’Ansys, découvrez comment la simulation numérique a joué un rôle important dans le succès de la mission Artemis I et comment elle prépare le retour sur la Lune.

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Le succès de la première mission du programme Artemis de retour sur la LuneLune est le résultat de multiples facteurs. Parmi ces derniers, la « simulation numérique multiphysique qui a joué un rôle dans la conception et la modélisationmodélisation de cette mission », nous explique Jim Woodburn, Chief Orbital Scientist chez AGI (Analytical Graphics, Inc.), filière d'Ansys.

Pour comprendre l'intérêt et l'utilité de la simulation numériquesimulation numérique, il faut savoir que cet outil est « un moyen de calculer et de prédire les phénomènes physiquesphysiques complexes impactant les caractéristiques et les performances d'un système ». Concrètement, les logicielslogiciels « permettent de tester virtuellement un nombre quasi infini de scénarios, ce qui serait impossible autrement, tant d'un point de vue technique qu'économique et dans des délais raisonnables ». Dans ce contexte, il est possible « d'explorer et éprouver de nombreuses pistes sans dégrader le prototype physique ni compromettre les coûts et les délais de conception ».

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Outre la réduction des coûts et des délais de développement, la simulation permet également de « créer un comportement prédictif et d'optimiser la maintenance des produits en détectant les défaillances potentielles avant qu'elles ne se produisent ».

Dans le cadre de cette première mission Artemis, la NasaNasa a souhaité utiliser la simulation numérique afin de permettre aux équipes au sol « d'assurer une communication fluide entre la fuséefusée et les stations de la Nasa ». Cette mission avait pour but de qualifier ce nouveau système de transport spatial habité et de tester Orion et son module de service à l'intérieur de son enveloppe de vol et voir dans quelles conditions et comment il pouvait fonctionner dans des configurations de vol très variées.

Des communications fiables garantes de la sécurité et du succès des missions Artemis

Il était donc important tout au long de la mission, qui a duré un peu plus de 25 jours, que les « communications entre le sol et les différents éléments de la mission soient optimales afin de recevoir les données d'OrionOrion, du lanceur SLS et de son étage supérieur, et d'envoyer les instructions de commande ». Il faut aussi garder à l'esprit qu'Orion est le premier véhicule conçu pour transporter des humains prêts à s'aventurer aussi loin de la Terre et de la Lune. D'où cette nécessité de « s'assurer que les communications dans les deux sens soient optimales dans tous les modes d'exploitation du vaisseau spatial. Des liens de communication efficaces sont nécessaires pour améliorer la sécurité des personnes à bord et pour soutenir les objectifs d'Artemis, à savoir construire une économie spatiale et poursuivre l'exploration humaine dans des régions de plus en plus éloignées de notre Système solaireSystème solaire ».

Les constellations de satellites suivis et de relais de données (TDRS) de la Nasa fournissent des services de communication quasi continus pendant le lancement et les phases d'orbite terrestre basse jusqu'à l'étape intermédiaire de propulsion cryogénique lorsque le réseau DSN de la Nasa prend le relais. © Nasa
Les constellations de satellites suivis et de relais de données (TDRS) de la Nasa fournissent des services de communication quasi continus pendant le lancement et les phases d'orbite terrestre basse jusqu'à l'étape intermédiaire de propulsion cryogénique lorsque le réseau DSN de la Nasa prend le relais. © Nasa

Le réseau de communication de la Nasa est divisé en deux réseaux : le Near Space Network (NSN), « qui a relié à la fois Orion et SLS pendant les phases de pré-lancement et le lancement », et le Deep Space Network (DSN), « utilisé pour les communications au-delà de l'orbite basse de la Terre ». Les deux réseaux ont fonctionné ensemble pour assurer la navigation d'Orion via un suivi Doppler à trois voies. Dans le cadre d'Artemis I, les équipes du Marshall Space Flight Center, responsables des communications RF (radio fréquencefréquence), ont utilisé le logiciel de simulation électromagnétique 3D Ansys HFSS, ainsi que le logiciel Ansys Systems Tool Kit (Ansys STK), afin d'analyser les « contacts entre les engins spatiaux et les stations au sol, visualiser les trajectoires de vol et le rayonnement des antennes ». À l'aide de ces deux logiciels, les « contrôleurs de vol pouvaient ainsi savoir où se trouvaient les engins spatiaux et prédire leur trajectoire tout au long de la mission ».

Lors de cette mission Artemis I, le SLS transportait également plusieurs charges secondaires, dont une dizaine d'engins spatiaux de la taille d'une boîte à chaussures nommés CubeSatsCubeSats qui ont été largués lors du trajet vers la Lune. Certains de ces mini-satellites avaient pour objectif l'évaluation et la mesure de différents paramètres physiques essentiels à une vie prolongée autour et sur la Lune. Afin de « simuler la précision des trajectoires des différents CubeSats et donc de s'assurer que suffisamment de passages de suivi étaient prévus pour répondre aux exigences de chaque mission des CubeSat », la Nasa a utilisé le logiciel Orbital Determination Tool Kit d'Ansys (OTDK). Avec Ansys ODTK, il est possible d'effectuer des « simulations avant et pendant le vol de la trajectoire et la navigation des CubeSats pour fournir des estimations d'orbite très précises ». C'est notamment le cas pour les missions BioSentinel, « destinées à étudier l'effet des radiations sur l'organisme dans l'espace en utilisant des levureslevures comme modèle », ou encore le projet LunIR, développé par Lockheed Martin Space, qui « permettra de cartographier la surface de la Lune afin de déterminer les potentielles zones d'atterrissage des futures missions habitées ».

Un camp de base tel qu'envisagé par la Nasa dans le cadre de son programme Artemis. © Nasa
Un camp de base tel qu'envisagé par la Nasa dans le cadre de son programme Artemis. © Nasa

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Si la simulation numérique a beaucoup aidé dans la préparation et le succès de la mission Artemis I, elle sera également indispensable « pour déterminer les moyens les plus efficaces de transporter les personnes et les matériaux de la Terre vers la passerellepasserelle Gateway, puis vers la surface de la Lune », souligne Jim Woodburn.

Outre les missions inhabitées et habitées, le programme Artemis prévoit en effet la constructionconstruction d'une station spatialestation spatiale en orbite (Gateway), qui servira de point de départ vers une base sur le sol lunaire où les astronautesastronautes pourront vivre et travailler. Bien entendu, créer un environnement habitable sur la Lune pose de nombreux défis liés notamment aux conditions atmosphériques et à l'approvisionnement en énergieénergie et ressources alimentaires. Le lanceurlanceur SLS, pièce maîtresse du programme, jouera un rôle clé dans le ravitaillement des missions. À terme, ce lanceur pourra transporter près de 47 000 kilos de marchandises vers la Lune grâce à une injection translunaire (TLI, transfert lunaire à partir d'une orbite de stationnement circulaire basse autour de la Terre). La présence de glace sur la Lune pourrait également constituer une source d'approvisionnement en eau dans le futur.

Concrètement, la simulation est « et continuera d'être utilisée pour définir notamment l'emplacement et l'orientation optimum des éléments de l'infrastructure lunaire, tels que les panneaux solaires utilisés pour produire de l'énergie sur la Lune ». Ainsi, les logiciels d'Ansys, permettront « d'effectuer des explorations virtuelles de la surface de la Lune afin d'identifier les régions les plus propices à l'extraction de glace, mais aussi pour planifier les futures excursions de l'équipage et des roversrovers ». Grâce à la simulation monétique « on peut donc envisager des milliers de scénarios, identifier les problèmes potentiels et mettre en œuvre des solutions efficaces pour y remédier en amont des premières missions habitées et, ainsi, garantir une sécurité maximale pour les équipages ».