Les missions Artemis de la NASA, visant à étendre l’exploration lunaire, sont confrontées à de nouveaux défis avec des atterrisseurs plus grands qui présentent de plus grands risques opérationnels. Ces missions doivent effectuer des atterrissages et décollages lunaires complexes dans un environnement présentant des défis uniques, tels qu’une faible gravité et une surface poussiéreuse. Crédit : Patrick Moran, Centre de recherche Ames de la NASA/Andrew Weaver, Centre de vol spatial Marshall de la NASA
NASALes missions Artemis de , utilisant des atterrisseurs lunaires plus grands, sont confrontées à des risques accrus d’atterrissage et de décollage. Le Marshall Space Flight Center de la NASA a développé des outils de simulation pour prévoir et gérer ces défis, garantissant ainsi des missions lunaires plus sûres. Ces outils ont été validés avec succès par rapport aux données historiques de la mission Apollo.
Grâce à Artemis, la NASA prévoit d’explorer davantage la Lune que jamais grâce à des missions humaines et robotiques sur la surface lunaire. Étant donné que les futurs atterrisseurs seront plus grands et équipés de moteurs plus puissants que les atterrisseurs Apollo, les risques de mission associés à leur fonctionnement lors de l’atterrissage et du décollage sont nettement plus importants. L’objectif de l’agence étant d’établir une présence humaine durable sur la Lune, les planificateurs de mission doivent comprendre comment les futurs atterrisseurs interagissent avec la surface lunaire lorsqu’ils atterrissent dans des paysages lunaires inexplorés.
Les complexités des atterrissages lunaires
Atterrir sur la Lune est délicat. Lorsque les missions transportent l’équipage et les charges utiles vers la surface lunaire, les vaisseaux spatiaux contrôlent leur descente en tirant des moteurs-fusées pour contrecarrer l’attraction gravitationnelle de la Lune. Cela se produit dans un environnement extrême difficile à reproduire et à tester sur Terre, à savoir une combinaison de faible gravité, d’absence d’atmosphère et des propriétés uniques du régolithe lunaire – la couche de poussière et de roche fine et meuble à la surface de la Lune.
Des chercheurs du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, ont réalisé une simulation des panaches du moteur de l’atterrisseur Apollo 12 interagissant avec la surface lunaire. Cette animation représente la dernière demi-minute de descente avant la coupure du moteur, montrant les forces prévues exercées par les panaches sur une surface de calcul plane. Connue sous le nom de contrainte de cisaillement, il s’agit de la quantité de force latérale ou latérale appliquée sur une zone définie, et c’est la principale cause d’érosion lorsque les fluides s’écoulent sur une surface. Ici, les modèles radiaux fluctuants montrent l’intensité de la contrainte de cisaillement prévue. La contrainte de cisaillement inférieure est violet foncé et la contrainte de cisaillement supérieure est jaune. Crédit : Patrick Moran, Centre de recherche Ames de la NASA/Andrew Weaver, Centre de vol spatial Marshall de la NASA
Risques et défis posés par l’atterrissage et le décollage
Chaque fois qu’un vaisseau spatial atterrit ou décolle, ses moteurs projettent des panaches supersoniques de gaz chauds vers la surface et les forces intenses soulèvent de la poussière et éjectent des roches ou d’autres débris à grande vitesse. Cela peut entraîner des dangers tels que des obstructions visuelles et des nuages de poussière qui peuvent interférer avec la navigation et les instruments scientifiques ou endommager l’atterrisseur et d’autres matériels et structures à proximité. De plus, les panaches peuvent éroder la surface sous l’atterrisseur.
Bien que les cratères n’aient pas été formés pour les atterrisseurs à l’échelle d’Apollo, on ne sait pas dans quelle mesure les atterrisseurs plus grands prévus pour les prochaines missions Artemis éroderont la surface et s’ils provoqueront rapidement des cratères dans la zone d’atterrissage, posant un risque pour la stabilité de l’atterrisseur et pour les astronautes. une planche.
Outils de simulation avancés de la NASA
Pour améliorer sa compréhension des interactions panache-surface (PSI), des chercheurs du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, ont développé de nouveaux outils logiciels pour prédire les environnements PSI pour les projets et les missions de la NASA, notamment le système d’atterrissage humain et les services commerciaux de charge utile lunaire. initiative et les futurs atterrisseurs sur Mars. Ces outils sont déjà utilisés pour prédire les cratères et l’obscurcissement visuel lors des prochaines missions lunaires et aident la NASA à minimiser les risques pour les vaisseaux spatiaux et l’équipage lors des futures missions au sol.
Validation des simulations avec les données Apollo
L’équipe de la NASA Marshall a récemment produit une simulation des panaches du moteur de l’atterrisseur Apollo 12 interagissant avec la surface et de l’érosion prévue qui correspondait étroitement à ce qui s’était passé lors de l’atterrissage. (Voir la vidéo ci-dessus.) Cette animation représente la dernière demi-minute de descente avant la coupure du moteur, montrant les forces prévues exercées par les panaches sur une surface de calcul plane. Connue sous le nom de contrainte de cisaillement, il s’agit de la quantité de force latérale ou latérale appliquée sur une zone définie, et c’est la principale cause d’érosion lorsque les fluides s’écoulent sur une surface. Ici, les modèles radiaux fluctuants montrent l’intensité de la contrainte de cisaillement prévue. La contrainte de cisaillement inférieure est violet foncé et la contrainte de cisaillement supérieure est jaune.
Ces simulations ont été exécutées sur le supercalculateur Pleaides de l’installation NASA Advanced Supercomputing du centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley en Californie pendant plusieurs semaines d’exécution, générant des téraoctets de données.
Utilisé pour cette recherche, le cadre du modèle d’érosion granulaire à gaz interpolé par descente (DIGGEM) a été financé par le programme de recherche sur l’innovation des petites entreprises de la NASA au sein de la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA à Washington, et par le Caméras stéréo pour les études de surface du panache lunaire projet géré par le Langley Research Center de la NASA à Hampton, en Virginie, également financé par STMD. Le code Loci/CHEM+DIGGEM a été affiné grâce à un soutien direct aux projets de vol dans le cadre du programme Human Landing System financé par la Direction de la mission de développement des systèmes d’exploration (ESDMD) de la NASA à Washington ainsi que par le Bureau de stratégie et d’architecture de l’ESDMD.
