Griffin (atterrisseur)

En octobre 2019, la NASA décide de développer l'astromobile (rover) VIPER dans le but d'étudier la glace d'eau présente dans le régolithe du fond des cratères situés au pôle sud de la Lune. L'eau pourrait jouer un rôle important pour les séjours à la surface de la Lune d'équipage d'astronautes en fournissant les consommables nécessaires - oxygène, eau consommable et ergols - grâce aux technologies d'utilisation des ressources in situ. L'engin spatial, qui doit être lancé vers décembre 2022, fait partie des missions développées dans le cadre du Programme Artemis. Il emporte une foreuse et trois instruments destinées à analyser la surface de plusieurs zones contenant de la glace d'eau[7] - [8] - [9].

La dépose du rover de 430 kg sur le sol lunaire est confiée à la société Astrobotic Technology de Pittsburgh (Pennsylvanie). Celle-ci est sélectionnée en juin 2020 dans le cadre du programme CLPS pour développer l'atterrisseur Griffin chargé de déposer VIPER en 2023 sur le sol lunaire[10]. En juin 2020 Astrobotic reçoit 199,5 millions de dollar pour développer son atterrisseur[11].

L'atterrisseur Griffin est un engin spatial basé sur la plateforme de l'atterrisseur Peregrine qui a été adaptée pouvoir déposer sur la Lune des équipements beaucoup plus lourds (charge utile maximale de 625 kg contre 100 kg pour Peregrine). Sa masse totale (charge utile comprise) est de 6 tonnes. La configuration de l'atterrisseur peut être modifiée pour s'adapter aux charges utiles et à la latitude du site d'atterrissage. Pour les missions à destination des pôles de la Lune (éclairage rasant), les panneaux solaires sont fixés sur les faces latérales alors que pour les missions visant des sites aux latitudes équatoriales ou moyennes, les panneaux solaires sont fixés sur le dessus. L'avionique est située sous les radiateurs qui forment le pont principal de l'atterrisseur. Des radiateurs complémentaires sont fixés sur les côtés de l'atterrisseur. Sa durée de vie est de 14 jours, c'est-à-dire qu'il n'est pas conçu pour survivre au-delà d'une journée lunaire (14 jours terrestres)[12] - [13].

La structure principale de Griffin comprend un pont octogonal au centre duquel est fixé au-dessous l'adaptateur utilisé pour solidariser l'atterrisseur avec le lanceur et au-dessus, dans le cas de la mission VIPER, un cône qui sert de support à l'astromobile. Le pont est ajouré pour laisser la place aux quatre réservoirs d'ergols et ses parties pleines sont occupées par des radiateurs sur lesquels sont fixés directement l'avionique et dans certains cas les charges utiles. Cette structure est réalisée en alliage d'aluminium. Le train d'atterrissage fixé sur les côtés de cette structure est constituée de quatre pieds qui sont équipés d'absorbeurs de choc permettant de réduire la décélération au moment de l'arrivée sur le sol lunaire et de stabiliser l'atterrisseur[12].

La propulsion comprend quatre moteurs-fusées à ergols liquides d'une poussée unitaire de 3,1 kiloNewtons qui sont utilisés pour les manœuvres principales et la descente vers le sol lunaire et dont la poussée est modulable. 12 moteurs-fusées de 111 Newtons, regroupés par grappe de trois, prennent en charge le contrôle d'attitude avec six degrés de liberté. Tous ces moteurs sont alimentés par mise sous pression des réservoirs. Ils brûlent un mélange hypergolique d'hydrazine et de MON stockés dans quatre réservoirs répartis sur le pourtour de l'atterrisseur[12].

Le système de contrôle d'attitude qui est identique à celui de Peregrine utilise les données fournies par un viseur d'étoiles, des capteurs solaires, et une centrale à inertie. Durant le transit entre la Terre et la Lune, il maintient l'orientation de l’atterrisseur de manière que les panneaux solaires soient face au Soleil. Durant la phase d'atterrissage, il utilise les données d'un lidar Doppler pour déterminer la distance du sol et la vitesse de descente. La première mission de Griffin embarquera également l'instrument OPAL (Optical Precision Autonomous Landing) développé par la société Moog et les établissements JPL et Johnson de la NASA. Cet équipement expérimental comprenant une caméra et un logiciel de reconnaissance de terrain utilise des photos de la surface de la Lune pour déterminer la position précise de Griffin et effectuer un atterrissage de précision[12].

L'avionique utilise pour le contrôle du vol un ordinateur embarqué reposant sur un microprocesseur 32 bits à double cœur LEON 3. Les charges utiles sont contrôlées par une paires de FPGA. Les communications se font en bande X et reposent sur une antenne parabolique (antenne grand gain), une antenne moyen gain de type patch et plusieurs antennes faible gain. Une liaison sans fil WLAN est utilisée après l'atterrissage pour les communications entre l'atterrisseur et les différentes charges utiles[12].

Pour la mission VIPER, l'astromobile est installé au sommet de l'atterrisseur. Celui-ci dispose de deux rampes mobiles qui sont abaissées après l'atterrissage sur la Lune et qui permettent de débarquer VIPER d'un côté ou de l'autre de Griffin.

L'assemblage d'une maquette structurelle (Structural Test Model) de Griffin, destinée à mettre au point les outils et les processus, est achevé en février 2022. Après avoir subi une série de tests de vibration, thermiques et acoustiques destinées à vérifier que l'atterrisseur peut résister au lancement, au transit dans l'espace et à l'atterrissage, la maquette sera envoyée au centre de recherche Glenn de la NASA (Ohio) pour une campagne de tests dont l'objectif est de valider le fonctionnement du système de déploiement de l'astromobile VIPER à la surface de la Lune[13].

L'atterrisseur Griffin et sa charge utile a une masse d'environ 6 tonnes qui nécessite l'utilisation d'un lanceur lourd Falcon Heavy pour sa mission lunaire. Le lanceur place Griffin sur une orbite haute elliptique. Après séparation avec le lanceur, l'atterrisseur utilise sa propulsion pour augmenter l'altitude de son apogée de manière à atteindre la Lune puis s'insère sur une orbite lunaire. À une altitude de 100 kilomètres, il déclenche sa descente vers le sol lunaire en réduisant sa vitesse à l'aide de sa propulsion puis en contrôlant son orientation avec ses moteurs de contrôle d'attitude de manière à maintenir son orientation entre la verticale et l'horizontale. À 15 kilomètres du sol, il utilise sa propulsion principale de manière continue pour réduire sa vitesse en s'aidant des données fournies par l'instrument de reconnaissance de terrain et le LiDAR Doppler pour affiner sa trajectoire. À 1 kilomètres du sol, ces deux instruments sont utilisés guider l'atterrisseur vers la zone d'atterrissage prévue. À 300 mètres du sol, Griffin se remet en position verticale puis, arrivé à 30 mètres d'altitude, finalise la descente à vitesse constante[12].