Exploration de la Lune

L'exploration de la Lune par des engins spatiaux constitue un objectif important dans les années 1950 dès le début de l'ère spatiale car cet astre, le plus proche de la Terre, est une cible relativement facile à atteindre tout en constituant un symbole fort. Les programmes soviétique Luna et américain  inaugurent une série de missions d'exploration au moyen de sondes spatiales dont l'objectif principal est de cartographier et d'identifier les principales caractéristiques de l'environnement lunaire. Cette phase culmine avec le premier pas de l'homme sur la Lune par l'Américain Neil Armstrong le , dans le cadre de la mission . Les données recueillies confirment l'image qui s'était progressivement dessinée au  d'un monde froid et mort.

Dans le contexte de la guerre froide, l'exploration de la Lune est davantage motivée par la lutte entre les deux superpuissances de l'époque  que par la recherche scientifique, même si le programme Apollo permet de ramener près de  de roches lunaires sur Terre. Celles-ci, ainsi que les données recueillies par les instruments sur place, permettent de répondre à de nombreuses questions concernant la Lune tout en en soulevant de nouvelles. À la même époque, le programme lunaire habité soviétique est abandonné après les échecs rencontrés par le lanceur spatial lourd N-1. Cet échec est en partie compensé par l'envoi réussi des deux astromobiles Lunokhod (1970). Avec la fin du programme Apollo, l'exploration spatiale se détourne de la Lune pour se porter vers les planètes, plus lointaines qu sont associées à des enjeux scientifiques plus importants.

Le retour des hommes sur le sol lunaire est depuis les  un thème récurrent aux États-Unis, motivé par des considérations politiques plus que scientifiques. Le projet Constellation de la NASA, qui débute en 2004, a pour objectif l'envoi de missions habitées vers la Lune dans les . Il relance l'exploration scientifique de la Lune à travers les missions du programme  (depuis 2009) et certaines missions américaines du programme . Celles-ci ont pour objectif de compléter les travaux entamés  auparavant, en particulier dans la région des pôles où la présence d'eau est détectée. Début 2010, le président Barack Obama annule le projet Constellation pour des raisons budgétaires. En 2017, la NASA décide de développer une station spatiale autour de la Lune, la , qui doit servir de relais pour des missions plus ambitieuses, d'abord vers la surface de la Lune puis vers Mars. À la demande du président américain Donald Trump, le programme Artemis est mis sur pied début 2019 pour envoyer des hommes à la surface de la Lune dès 2024. Cette échéance peu réaliste est repoussée mais le programme qui doit comprendre à terme une base permanente au pôle sud occupée périodiquement se poursuit activement en 2023.  

Parallèlement, de nouvelles nations spatiales  lancent des sondes spatiales vers la Lune car sa proximité permet d'acquérir plus facilement la maîtrise de ce type de mission complexe.  La Chine poursuit sa montée en puissance dans le domaine spatial en déposant sur le sol lunaire le  le rover Yutu dans le cadre de la mission . Il s'agit de la première mission sur la surface de la Lune depuis 1976. Début 2019, la Chine effectue le premier atterrissage en douceur sur la face cachée de la Lune avec le rover de la mission . L'Inde devait également faire atterrir Chandrayaan-2 en 2019 à la surface de la Lune tandis que la Chine lance à la fin de la même année la mission de retour d'échantillons . Enfin la Chine développe les éléments (lanceur, atterrisseur) qui devrait lui permettre des hommes sur la Lune au début de la décennie 2030.

Contexte des débuts de l'exploration spatiale de la Lune

Un satellite mal connu 

À l'époque où les premières sondes spatiales sont lancées vers la Lune, ce satellite naturel de la Terre, pourtant proche, garde une grande part de mystère. L'origine des cratères  qui parsèment sa surface ne fait pas l'unanimité : certains rejettent encore l'idée que ceux-ci aient été créés par l'impact de météorites, une théorie élaborée quelques années auparavant. Le mode de formation des mers lunaires est également l'objet de controverses. La communauté scientifique est à peu près unanime sur le fait qu'elles sont constituées par de la lave mais il y a divergence sur son origine : volcanisme ou impact de météorite. Il existe d'autres explications comme celle avancée par l'astronome Thomas Gold qui est largement diffusée dans les médias à la grande fureur du milieu scientifique : pour Gold, les mers sont formées par l'accumulation de débris produits par l'érosion des cratères et des parties les plus élevées de la surface lunaire ; cette poussière, prédit-il plus tard, va engloutir les sondes et les vaisseaux qui se poseront sur le sol lunaire. Certains chercheurs, comme le lauréat du prix Nobel de chimie Harold Clayton Urey, pensent que contrairement à la Terre, la Lune n'est pas une planète différenciée et qu'elle est constituée du matériau primitif présent à la formation du système solaire (théorie de la Lune froide). Le sol lunaire intrigue également car les observations effectuées depuis la Terre avec des instruments dans des bandes allant des rayons X aux ondes radio indiquent une grande porosité du matériau de surface qui est nommé plus tard « régolithe ». Enfin, on ne dispose à l'époque que de quelques mauvaises photos de la face cachée de la Lune prises par la sonde spatiale soviétique .

Un enjeu politique de la guerre froide 

La guerre froide entre les États-Unis et l'Union soviétique bat son plein au début de l'ère spatiale et les deux pays tentent de multiplier les premières spatiales pour prouver la supériorité de leur système politique. Dans cette course à l'espace les Soviétiques disposent de deux avantages : ils ont démarré leur programme spatial plus tôt et surtout leurs lanceurs, dérivés comme ceux des Américains de missiles balistiques porteurs de charges nucléaires, sont beaucoup plus puissants car ils ont été conçus pour porter des bombes atomiques aux dimensions plus importantes que les engins nucléaires américains : dès 1960, l'Union soviétique dispose de la fusée Molnia capable de lancer vers la Lune une sonde spatiale de  alors que le lanceur concurrent américain, l'Atlas-Agena, ne peut lancer que  vers la même destination.

L'exploration de la Lune, corps céleste le plus accessible depuis la Terre, figure dans les premiers objectifs des programmes spatiaux des deux pays. L'URSS réussit dès  à lancer la sonde spatiale  qui effectue le premier survol de la Lune ; en  de la même année,  parvient à photographier la face cachée de notre satellite. Les premières sondes américaines du programme  (1958-1960) qui poursuivent le même objectif sont victimes d'une série de défaillances. Le programme  (1960-1963) prend le relais avec des sondes plus complexes permettant d'effectuer des photos de la Lune mais ne connait ses premiers succès qu'en 1963 après  consécutifs. Le développement d'une deuxième génération de sondes interplanétaires américaines démarre au début des  avec le programme  qui doit permettre d'explorer les planètes intérieures du système solaire (Mars, Vénus, Mercure) tandis que le programme  est chargé d'effectuer des investigations scientifiques de la Lune après un atterrissage en douceur sur son sol.

Historique

Course à l'espace (1959-1973)

Premières missions du programme Luna 

Les soviétiques sont à l'origine de plusieurs premières dans le cadre du programme Luna. La sonde  effectue le premier survol de la Lune en . Le premier objet fabriqué par l'homme à atteindre la Lune est la sonde soviétique , qui s'y écrase le . La face cachée de la Lune est photographiée pour la première fois le  par la sonde automatique .  est le premier engin à se poser en douceur sur la Lune ; elle retourne des photographies de la surface lunaire le . Enfin, le premier satellite artificiel de la Lune est la sonde soviétique , lancée le .  retransmet des images télévisées de la Lune en .

Sondes lunaires américaines des années 1960 

Parti avec retard, la NASA met sur pied plusieurs programmes destinés à préparer de manière systématique les futures missions habitées du programme Apollo.
 Les premières sondes consacrées à l'exploration lunaire sont développées dans le cadre du programme  (1958-1960), antérieur au lancement du programme Apollo. Aucune n'atteint son objectif, du fait soit de défaillances du lanceur, soit de problèmes rencontrés par la sonde spatiale elle-même.
 Les sondes du programme  (1960-1965), après avoir connu une série d'échecs, envoient des milliers de photos prises avant de s'écraser sur la Lune.
 Le programme  (1965-1967) est constitué de cinq sondes qui se placent en orbite autour de la Lune et réalisent des photographies détaillées des sites d'atterrissage présélectionnés pour les missions du programme Apollo. Ces photos permettent de cartographier 99 % de la surface lunaire.
 Les sondes du programme  (1966-1968), en effectuant un atterrissage en douceur sur la Lune, donnent de précieuses indications sur la consistance du sol lunaire et les techniques d'atterrissage exploitant un radar. Ces données sont reprises pour définir les caractéristiques du train d'atterrissage du module lunaire Apollo.

Programme Apollo 

Dans son discours du , le président John Fitzgerald Kennedy annonce que les astronautes américains atterriront sur la Lune avant la fin de la décennie. Il lance ainsi le programme Apollo qui, grâce à une mobilisation sans précédent de moyens humains et de ressources financières, permettra d'atteindre l'objectif fixé.

Le , les membres de l'équipage d’ (Frank Borman, Jim Lovell et William Anders) sont les premiers humains à apercevoir directement la face cachée de la Lune.  simule une mission lunaire, avec séparation d'un véhicule lunaire qui s'éloigne du vaisseau principal, mais ne se pose pas. Le premier atterrissage humain sur la Lune a lieu le . C'est le point culminant de la course spatiale engagée entre les États-Unis et l'URSS, alors en pleine guerre froide. Le premier astronaute à poser le pied sur la Lune est Neil Armstrong, le capitaine de la mission . Six missions Apollo en tout se poseront sur la Lune. Les derniers hommes à marcher sur le sol lunaire sont le scientifique Harrison Schmitt et l'astronaute Eugene Cernan, au cours de la mission  en . Au total, douze hommes marchent sur la Lune.

Le bilan scientifique, modeste en regard de l'investissement consenti, n'en est pas moins important. Plus de  de roches lunaires sont ramenées sur Terre. Un ensemble d'instruments scientifiques, l'ALSEP, est déposé par cinq des six missions et fournit des données jusqu'en 1977. Les instruments de l'ALSEP sont différents suivant les missions : spectromètre, magnétomètre, détecteur sismique passif et actif, gravimètre… Les informations recueillies par les astronautes portent sur la composition du sol, la structure interne de la Lune, le rayonnement, la composition atmosphérique. Un véhicule, le rover lunaire, disponible à partir d', permet d'élargir le rayon d'action des astronautes, qui passe de quelques centaines de mètres à une dizaine de kilomètres entre  et . Avec l'arrêt du programme Apollo, l'exploration spatiale se détourne de la Lune pour se porter vers des planètes plus lointaines associées à des enjeux scientifiques plus importants.

Programme soviétique : échec des missions habitées et succès des missions robotiques 

Le programme Zond doit préparer les missions lunaires habitées soviétiques. Mais pour différentes raisons, les missions lunaires du programme sont un échec. Le programme lunaire habité soviétique est lui-même arrêté à la suite de défaillances répétées du . Les Soviétiques décident de poursuivre l'exploration lunaire avec des sondes spatiales. Les sondes  (1970),  (1972) et  (1976) parviennent à ramener chacune un échantillon de quelques centaines de grammes du sol lunaire.

Le ,  est le premier véhicule robotisé à explorer sa surface.  (1973) parcourt près de  sur le sol lunaire.

Missions américaines  (1994) et  (1999) : découverte de l'eau dans les régions polaires 

Avec l'achèvement du programme Apollo (1972), la  abandonne l'étude de la Lune et consacre un budget, qui s'est par ailleurs fortement réduit, à l'exploration d'autres planètes du Système solaire : Mars, Mercure, puis les planètes externes. Durant près de , les laboratoires qui avaient à leur disposition de nombreux échantillons de roches lunaires ramenées par les équipages du programme Apollo doivent s'appuyer sur les cartes établies par les missions  pour resituer ces roches dans un contexte géologique et minéralogique global. Ce n'est qu'au début des années 1990 que l'agence spatiale américaine s'intéresse de nouveau à la Lune.

La NASA lance en 1994 la sonde spatiale , dont les caméras cartographient la surface de la Lune dans  d'onde entre l'ultraviolet et le proche infrarouge. La sonde identifie des traces d'eau sur la Lune, découverte à l'origine du projet . Cette dernière mission repose sur un concept imaginé en 1988, qui consiste à identifier les éléments chimiques présents à la surface de la Lune en analysant le rayonnement gamma, les neutrons et les rayons alpha émis. Cette méthode doit permettre de trouver l'eau éventuellement stockée dans les zones des cratères lunaires plongés en permanence dans l'obscurité.

 détecte des traces d'hydrogène, au fond des cratères qui ne sont jamais éclairés par le Soleil, qui pourraient indiquer la présence d'eau. L'analyse du rayonnement gamma permet de cartographier la distribution du titane et du fer et d'autres éléments soit abondants soit présents à l'état de trace. La distribution d'un matériau lunaire baptisé KREEP ainsi que de la majorité des roches lunaires est également établie. La carte du champ magnétique dressée à l'aide des instruments de  montre qu'il est élevé aux antipodes des  et . Elle permet de mettre en évidence la plus petite magnétosphère jamais détectée. La carte du champ gravitationnel lunaire dressée à l'aide des instruments met en évidence sept nouvelles anomalies et démontre que la Lune a un petit noyau riche en fer de  de diamètre.

Débuts des nouvelles puissances spatiales 

Dans les , on assiste à la montée en compétence de nouvelles puissances spatiales : Japon, Europe, Chine, Inde. Celles-ci lancent leurs premières sondes spatiales d'exploration des planètes et satellites du Système solaire. Comme les États-Unis et l'Union soviétique, les agences spatiales de ces pays choisissent comme premier objectif la Lune. En effet, sa proximité réduit les difficultés techniques (durée du transit, complexité des manœuvres, contrôle de l'engin en quasi temps réel).

Japon 

Le Japon est la première de ces nouvelles nations spatiales à se lancer dans l'exploration des planètes du Système solaire. L'agence spatiale japonaise ISAS développe d'abord un démonstrateur technologique, Hiten (MUSES-A), qui est placé en orbite en 1990. Celui-ci comprend un vaisseau mère de  placé sur une orbite terrestre haute permettant le survol de la Lune et un sous-satellite de  qui doit être largué puis freiner afin de se placer en orbite autour de la Lune. Les deux engins n'emportent aucun instrument scientifique hormis un détecteur de micro-météorites. Bien que la mission soit émaillée d'incidents, les objectifs de mise au point des techniques de vol interplanétaire sont à peu près remplis. Au début des , l'agence spatiale japonaise se lance dans le développement d'une véritable sonde spatiale lunaire, Lunar-A. Celle-ci comprend un orbiteur emportant deux pénétrateurs qui doivent être largués depuis l'orbite lunaire et s'enfoncer dans le sol lunaire. Chaque pénétrateur embarque un sismomètre et un instrument de mesure des flux thermiques internes dans le but de mesurer l'activité sismique et fournir des éléments sur la structure interne de notre satellite. Après dix ans de développement, le projet est abandonné en 2007 à la suite des difficultés de mise au point des pénétrateurs. Quelques mois seulement après l'annulation de Lunar-A, l'ISAS lance immédiatement après, en , la sonde spatiale SELENE/KAGUYA. Cet engin lourd de trois tonnes emportant une quinzaine d'instruments scientifiques dont deux sous-satellites est placé en orbite lunaire et étudie l'astre et son environnent de  à . La mission est un succès et collecte des données très détaillées sur la surface de la Lune (topographie, composition du sol) ainsi que sur son environnement (plasma, champs magnétique et gravitationnel). Le développement de son successeur SELENE-2, un atterrisseur qui doit se poser dans les régions de latitude moyenne lunaire vers 2020, est abandonné en 2015.

Agence spatiale européenne 

La sonde européenne SMART-1 s'insère en orbite autour de la Lune avec succès le . Il s'agit surtout d'un démonstrateur technologique qui prouve que la propulsion électrique peut être utilisée sur des sondes spatiales.

Chine 

La Chine se lance de manière méthodique dans l'exploration du Système solaire en mettant sur pied son programme d'exploration lunaire, aussi connu sous le nom Programme Chang'e.
 Elle lance tout d'abord en 2007 un orbiteur, , qui a pour objectif de cartographier et modéliser en trois dimensions certaines régions de la Lune. 
 En 2010, elle envoie une seconde sonde, , qui entre en orbite autour de la Lune le  et qui est ensuite envoyée au  qu'elle atteint le .
 La sonde , lancée le , emporte un astromobile () baptisé Yutu, qui se pose le  de la même année dans la mer des pluies pour une mission d'une durée de trois mois.  est le premier engin spatial à se poser en douceur sur la Lune depuis l'atterrissage de la sonde spatiale soviétique  qui a ramené un échantillon de sol lunaire en 1976. 
 En ,  est le premier engin spatial à se poser sur la face cachée de la Lune. Lui aussi dépose un astromobile, Yutu 2.

Inde 

L'agence spatiale indienne, l', commence à travailler sur un programme d'exploration du Système solaire en 2002. L'agence spatiale décide en 2003 de porter ses premiers efforts sur la Lune avec une première sonde spatiale nationale, baptisée Chandrayaan-1, à compter de 2003. Celle-ci est lancée en 2008 et se place en orbite autour de la Lune. Les , fournis pour moitié par la  et l'Agence spatiale européenne, réalisent des découvertes scientifiques telles que la mesure de signatures signalant la présence d'eau, l'observation de tubes formées par la lave, la mise en évidence d'un volcanisme récent Toutefois, la mission s'achève de manière prématurée : une panne se produit neuf mois après le lancement et entraîne l'interruption de la mission, dont la durée initiale était de deux ans.

Israël 

Israël apporte sa contribution à l'exploration spatiale par le projet , à l'initiative de l'organisation privée SpaceIL et de la société . La sonde  est lancée le  depuis Cape Canaveral par une fusée SpaceX . Le , la sonde se place en orbite elliptique autour de la Lune, puis réalise plusieurs manœuvres pour préparer son atterrissage, mais ne parvient pas à se poser comme prévu le  sur la mer de la Sérénité. La sonde a la taille d'une « machine à laver ». Elle pèse à vide , auxquels s'ajoutent  de carburant (méthylhydrazine) et de comburant (mélange d'oxydes d'azote). Elle emporte un magnétomètre conçu par l'Institut Weizmann, pour effectuer des mesures du champ magnétique du satellite pendant les heures suivant l'atterrissage.  emporte aussi un réflecteur fourni par la , qui aurait permis des mesures par laser de la distance Terre-Lune.

Nouveaux programmes américains d'atterrissage

Échec du programme Constellation 

En , le président Bush décide de relancer les vols habités vers les autres astres en donnant le coup d'envoi au programme Constellation. Celui-ci prévoit à l'époque le retour d'astronautes sur notre satellite à l'horizon 2018/2020 pour un budget évalué à  de dollars. Pour préparer ces missions, une série de sondes regroupées au sein du programme  ou faisant partie du programme  sont développées. LCROSS (2009) recherche la trace de présence d'eau dans les zones plongées en permanence dans l'obscurité près des pôles. LRO (2009) a également cette mission mais remplit également des objectifs de cartographie, mise au point de système géodésique… GRAIL (2011) doit dresser une carte détaillée du champ de gravité lunaire pour déterminer la structure interne de la Lune et optimiser la trajectoire des engins spatiaux. LADEE (2011) doit étudier l'atmosphère lunaire avant que les activités humaines ne la modifient trop.

Le programme Constellation prévoit le développement de deux nouveaux lanceurs  ainsi que de deux véhicules spatiaux : Orion, qui serait fabriqué par Lockheed Martin et qui reprend l'architecture du vaisseau Apollo, et le module lunaire , susceptible de déposer quatre astronautes sur la Lune à partir de  (voir le programme des missions élaboré en 2006).

Le premier vol de la fusée , la mission -, a lieu avec succès le . Mais fin 2009, le programme Constellation est remis en cause par la commission Augustine chargée d’examiner le programme spatial habité américain et le , le président Obama annonce son intention de stopper le programme pour des raisons budgétaires, ce qu'il confirme le . Toutefois, le développement du vaisseau Orion est maintenu pour des missions au-delà de l'orbite basse qui sont programmées au début des années 2020.

Après de nombreux reports de dates, il est prévu que le premier vol d'Orion autour de la Lune se déroulera en 2020 pour une mission inhabitée. Le premier vol habité est quant à lui prévu pour 2023, avec un équipage de quatre astronautes. Mais le , Jim Bridenstine, administrateur de la NASA, annonce que la société Boeing, qui développe la fusée SLS depuis 2011 pour la NASA, n'est pas en situation d'assurer le premier vol en 2020.

Station spatiale lunaire (2017-?) 

En , la  précise la stratégie de son programme spatial habité. Elle annonce le développement d'une station spatiale placée en orbite lunaire baptisée  (DSG). Celle-ci pourra accueillir des équipages pour une durée de . Elle comprendra un module d'habitation, un module de propulsion et peut être un module servant de sas. La DSG sera assemblée à partir de composants transportés par le futur lanceur lourd SLS et elle sera desservie par le vaisseau Orion. Dans une première phase du programme, les équipages qui devraient occuper la station à partir de 2025 l'utiliseront pour apprendre à vivre et à travailler en orbite lunaire. Cette phase permettra également de pratiquer les rendez-vous entre vaisseaux loin de l'orbite terrestre basse. La  souhaite à ce stade faire appel aux entreprises privées et aux partenaires internationaux pour les missions de ravitaillement. Ces missions sont un préambule à l'envoi de missions vers Mars constituant la phase ultime du programme. Pour convoyer les équipages, il est prévu de développer un vaisseau spatial de grande taille, le . Celui-ci sera convoyé jusqu'à la station lunaire après un lancement par le SLS puis sera ravitaillé avant d'être lancé vers Mars avec un équipage de . La station spatiale lunaire doit permettre de déposer un équipage à la surface de la Lune en 2028.

Équipage à la surface de la Lune en 2024 

En , à quelques mois du cinquantième anniversaire de la mission  qui a vu le premier homme fouler le sol lunaire, le vice-président américain Mike Pence, après avoir adressé des reproches à la NASA et à ses sous-traitants pour le retard pris dans le développement du lanceur lourd SLS (la date du premier vol a glissé de 2017 à 2021), annonce que le président américain Donald Trump souhaite qu'un premier équipage soit déposé à la surface de la Lune dès 2024 soit quatre ans avant l'échéance prévue. Le site d'atterrissage serait situé près du pôle sud lunaire car celui-ci est à la fois un objectif scientifique important et recèle également des stocks d'eau qui peuvent être exploités pour optimiser les séjours sur la Lune.

Missions robotiques 

Après l'annulation en  du projet , dont l'objectif était de prospecter au sol les ressources lunaires à l'aide d'un  lourd téléguidé, la direction de la  annonce qu'elle confiera la dépose de missions robotiques sur la surface lunaire à des sociétés privées dans le cadre d'un programme baptisé  à l'image de ce qui a été fait pour le ravitaillement et la relève des équipages de la Station spatiale internationale (programmes COTS et CCDeV). L'objectif du programme est de réduire les coûts de l'exploration de la Lune et d'accélérer les missions de retour d'échantillons et de prospection de ressources ainsi que de promouvoir l'innovation et la croissance des sociétés commerciales du secteur. 

Début , la NASA sélectionne trois sociétés  pour le développement d'un atterrisseur lunaire. Celles-ci vont recevoir  US$ en contrepartie de la dépose sur le sol de  utiles.

Programmes des autres nations spatiales

Programme spatial indien 

 
Les études sur Chandrayaan-2, successeur de Chandrayaan-1, démarrent avant même le lancement de cette dernière. Ses objectifs sont beaucoup plus ambitieux puisqu'elle vise à poser en douceur un engin spatial à la surface de la Lune et y déployer un astromobile. Au moment où le projet débute, seuls les soviétiques et les américains sont parvenus à réaliser une mission similaire. Aussi l'agence spatiale indienne décide de développer Chandrayaan-2 avec l'aide de la Russie. Le , un accord de coopération est signé entre l' et l'agence spatiale russe Roscosmos au terme duquel l'agence spatiale indienne développe l'orbiteur et le rover tandis que la Russie développe l'atterrisseur qui doit déposer le rover indien sur le sol lunaire. À la suite de l'échec de la mission russe Phobos-Grunt, les participants russes annoncent à leurs partenaires indiens qu'ils ne pourront respecter l'échéance fixée jusque-là à 2013 ni même celle de 2015 car l'atterrisseur russe utilise certains composants mis en cause dans l'échec de la sonde martienne. L'agence spatiale indienne décide en  de poursuivre seule le développement de Chandrayaan-2. Dans ce nouveau contexte, le lancement de la mission est repoussé à fin 2016/début 2017. Après une programmation du lancement en . La sonde spatiale comprend un orbiteur qui doit recueillir des données autour de la Lune pour une d'une durée de  et un atterrisseur. Ce dernier doit se poser à la surface de notre satellite près de son pôle sud pour une mission d'une quinzaine de jours. Il emporte un petit astromobile () d'une vingtaine de kilogrammes. La sonde spatiale a une masse d'environ .  Pour placer en orbite cette masse accrue le lanceur  sélectionné à l'origine est remplacé par la version .

Programme spatial chinois

Missions robotiques 

Après avoir déposé sur le sol lunaire deux rover  la Chine poursuit son ambitieux programme d'exploration lunaire avec la première de retour d'échantillon du sol lunaire  dont la date de lancement est planifiée fin 2019. La sonde spatiale doit ramener sur Terre un échantillon du sol lunaire d'une masse pouvant atteindre deux kilogrammes. L'atterrisseur doit se poser sur le sol lunaire près du Mons Rümker dans l'océan des Tempêtes. La sonde spatiale d'une masse totale de  comprend également un orbiteur. Chacun des modules (orbiteur, atterrisseur et rover) emporte des instruments scientifiques. Il s'agit de la première mission de retour d'échantillons de sol lunaire depuis la mission soviétique  qui a eu lieu en 1976. Une mission jumelle  est programmée vers 2023/2024 et devrait collecter un échantillon de sol lunaire au pôle sud.

Deux autres missions robotiques à destination du pôle sud de la Lune  sont prévues avant 2030. La Chine a des plans encore plus ambitieux comprenant l'installation d'un laboratoire fonctionnant de manière automatique à la surface de la Lune puis l'envoi de missions avec équipage à la surface de la Lune après 2030.

Programme spatial habité 

La Chine a annoncé en 2018 par des canaux non officiels qu'elle prévoyait d'envoyer d'ici dix ans des astronautes chinois à la surface de la Lune. Pour envoyer les différents modules spatiaux nécessaires vers la Lune, la Chine aurait recours à plusieurs lancements d'une nouvelle fusée (celle-ci n'a pas de désignation officielle : on parle de lanceur habité de nouvelle génération, CZ-X ou fusée 921) pouvant placer 70 tonnes en orbite basse d'une capacité proche de celle de la Falcon Heavy. Le développement du lanceur lourd Longue Marche 9 d'une capacité de 130 tonnes en orbite basse, équivalent du SLS américain et évoqué depuis près de 10 ans, semble donc abandonné. Le futur lanceur lunaire aurait une architecture assez proche de celle de la Falcon Heavy  pour ses deux premiers étages qui brûleraient un mélance de kérosène et d'oxygène liquide : un premier étage composé de trois blocs propulsés chacun par 7 moteurs fusées YF-100K, un deuxième étage propulsé par deux YF-100K. Le lanceur disposerait par ailleurs d'un troisième étage cryogénique propulsé par deux ou trois moteurs-fusées YF-75. Haut de 87 mètres, le lanceur aurait une masse au décollage de 2200 tonnes. Dans une première phase du programme une mission lunaire  comprendrrait deux lancements :  le premier  emportant le module lunaire, le second le vaisseau spatial habité chinois de nouvelle génération avec l'équipage. Les deux modules s'amarrerait en orbite lunaire haute puis l'orbite serait abaissée pour permettre l'atterrissage sur la Lune. Le module lunaire pourrait embarquer un équipage de deux personnes et serait composé d'un étage de descente largué juste avant l'atterrissage et d'un module pressurisé de 5 tonnes (disposant d'un delta-V de 2640 m/s) contenant l'équipage qui serait chargé après une brève exploration de ramener en orbite les deux astronautes et de réaliser un rendez vous avec le vaisseau principal pour le transfert de l'équipage. La deuxième mission utiliserait un module lunaire disposant d'une capacité d'emport fortement accrue et s'appuierait sur une station spatiale en orbite autour de la Lune.

Programme spatial japonais 

L'agence spatiale japonaise / développe la mission SLIM comportant un atterrisseur dont le lancement doit intervenir en 2021. Son objectif est de démontrer qu'on peut faire atterrir un engin spatial sur des corps planétaires avec une grande précision (moins de  d'écart). Le degré de précision visé est supérieur d'un ordre de grandeur aux performances des atterrisseurs lunaires précédents (~). Ce petit atterrisseur d'environ  doit être lancé par une fusée Epsilon vers 2021. Le niveau de précision recherché permettra de déposer un engin spatial dans des sites présentant un grand intérêt scientifique comme la caverne des collines Marius sur la Lune.

Programme spatial européen 

L'Agence spatiale européenne étudie depuis 2014 une mission lunaire baptisée HERACLES avec l'Agence spatiale japonaise (JAXA) et l'Agence spatiale canadienne. La mission reposerait sur une sonde spatiale lourde () comprenant un astromobile qui serait déposé à la surface de la Lune et serait utilisé pour collecter des d'échantillons de sol lunaire, lesquels seraient ramenés en orbite dans le cadre de la même mission. La mission s'appuierait sur la station spatiale lunaire développée à l'initiative de la NASA. La décision de développer la mission doit être prise en 2019 par le conseil des ministres européens et la mission est annulée.

Programme spatial russe 

La Russie étudie depuis 1997 plusieurs missions lunaires mais a du mal depuis cette époque à dégager un budget suffisant, malgré des tentatives de coopération internationale avec l'Inde puis l'Europe. Le contenu des missions envisagées est régulièrement refondu et le calendrier repoussé. Le principal institut de recherche russe impliqué dans la définition des missions, l'IKI, et Roscosmos ont défini en 2016 les principaux objectifs du programme d'exploration russe : résoudre d'importantes questions scientifiques (origine et évolution de la Lune, caractéristiques des régions polaires, volatiles présents, exosphère et rayonnement) permettant de fournir les éléments indispensables (connaissances du terrain, ressources exploitables) aux futures missions avec équipage, ce programme des missions robotiques de complexité croissante tenant compte du niveau de maitrise technique des ingénieurs russes et des contraintes budgétaires. À terme, le programme doit permettre l'installation d'observatoires de l'espace profond et du système solaire et de laboratoires scientifiques. Pour remplir ces objectifs, les missions robotiques suivantes sont prévues (projection effectuée en 2016) : 
 l'atterrisseur Luna-Glob () est un engin spatial léger qui doit effectuer une première analyse du régolithe lunaire dans les régions polaires jusqu'à une profondeur de  et collecter des données sur l'exosphère. Il doit également valider les techniques d'atterrissage et les systèmes de télécommunications qui seront mis en œuvre par les missions lunaires suivantes ;
 l'orbiteur Luna Resours () doit être placé sur une orbite polaire de . Sa mission est de cartographier l'ensemble de la Lune, d'analyser l'exosphère et le plasma autour de la Lune, d'identifier des sites d'atterrissage dans les régions polaires et de servir de relais de télécommunications pour les missions au sol. Sa date de lancement est prévue vers 2020 ;
 l'atterrisseur Luna Resours () est un engin plus lourd qui doit atterrir également dans la région du pôle sud. Il doit effectuer une analyse du régolithe lunaire jusqu'à une profondeur de  et collecter des données sur l'exosphère. Sur le plan technologique, il doit valider une technique d'atterrissage de haute précision permettant d'éviter les obstacles au sol. Il doit mettre en œuvre une foreuse capable de préserver la température des carottes de terrain prélevées. Sa date de lancement est prévue vers 2021 ;
 la mission retour d'échantillon Luna Grunt () a pour objectif de ramener sur Terre des échantillons du sol lunaire dont la température a été préservée.

L'envoi d'un astromobile sur le sol lunaire (mission ) est prévu à une date ultérieure non précisée.

Corée du Sud 

La Corée du Sud décide au milieu des  de lancer un programme d'exploration de la Lune. Le projet fait partie d'un plan de développement des activités spatiales coréennes qui doit être implémenté par l'agence spatiale sud-coréenne, le . Ce plan repose sur la mise au point d'un lanceur national de moyenne puissance (KSLV-). Le programme lunaire prévoit dans une première phase (2015-2018) le développement de l'orbiteur lunaire KPLO qui doit être lancé fin 2020. Les objectifs de cette mission sont de mettre au point les techniques nécessaires aux missions interplanétaires et de collecter des données scientifiques. La sonde spatiale d'une masse de  doit se placer sur une orbite polaire de  pour une mission d'une durée d'un an. Le budget alloué à la mission est de  de wons (environ  d'euros en 2016).

Miniaturisation et coûts des missions lunaires robotiques 

La miniaturisation des satellites, permise principalement par les progrès de l'électronique, a abouti à la construction de satellites de quelques dizaines de kilogrammes capables de remplir des taches opérationnelles en orbite terrestre. L'utilisation d'engins spatiaux de cette taille pour des missions interplanétaires est beaucoup plus complexe : nécessité d'un système propulsif efficace, enchaînement de manœuvres complexes, charge utile plus sophistiquée, environnement thermique plus agressif, distance pénalisante pour les télécommunications. Néanmoins, plusieurs nano-satellites expérimentaux de moins de  de type CubseSat ont été lancés ou vont l'être au cours de la décennie 2010 pour remplir des missions interplanétaires. En particulier, il est prévu de lancer en 2020 , embarqués en tant que charge utile secondaire, doivent être placés dans l'espace interplanétaire ou en orbite lunaire dans le cadre de la mission  de la . Parmi ces nano-satellites figurent plusieurs engins prenant en charge pour la première fois des missions d'exploration lunaire dévolues habituellement à des sondes spatiales « lourdes » : 
  est un CubeSat 6U de la NASA qui sera le premier satellite de cette taille embarquant un moteur ionique. Celui-ci d'une poussée d'un milliNewton a une impulsion spécifique de  et utilise comme ergol de l'iodine. Le CubeSat emporte un spectromètre miniaturisé qui doit lui permettre d'analyser les volatiles à la surface de la Lune.
  est un CubeSat 6U de la NASA qui doit se placer sur une orbite particulièrement basse autour de la Lune et utiliser un laser fonctionnant en proche infrarouge pour permettre à un spectromètre embarqué d'effectuer des mesures des volatiles (dont l'eau) présents dans les régions polaires restant en permanence à l'ombre.
  est un CubeSat 6U de la NASA qui doit se placer sur une orbite basse autour de la Lune et utiliser un détecteur de neutrons à scintillation pour mesurer la proportion d'hydrogène présente dans la couche superficielle de la surface de la Lune et en déduire la proportion d'eau.
 OMOTENASHI est un CubeSat 6U développé par l'agence spatiale japonaise (JAXA) qui doit démontrer la faisabilité d'un atterrisseur lunaire de très petite taille. Pour se poser sur la Lune l'engin utilise un moteur à propergol solide de  et un airbag (vitesse d'atterrissage ).
 EQUULEUS est un CubeSat 6U développé conjointement par l'Université de Tokyo et l'agence spatiale japonaise (JAXA) qui doit mesurer la distribution du plasma dans l'environnement spatial de la Terre et valider l'utilisation de trajectoires à faible énergie pour se déplacer à proximité du  du système Terre-Lune.

Chronologie des missions d'exploration de la Lune

Missions en cours de développement ou à l'étude

Chronologie des missions spatiales en cours ou passées

Notes et références

Notes

Références

Bibliographie 
Ouvrages scientifiques
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Missions soviétiques
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Programme Apollo
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Voir aussi

Articles connexes 
Généralités
 Lune 
 Géologie de la Lune
 Colonisation de la Lune

Union soviétique
 Programme Luna (1959-1976)
 Programme Lunokhod (1969-1972)
 Programme Zond (1965-1970)
 Programme lunaire habité soviétique (1967?-1974, projet avorté)
 LK (module lunaire)
 Soyouz 7K-LOK

USA (principaux programmes)
 Programme  (1962-1965)
 Programme  (1966-1967)
 Programme  (1966-1968)
 Programme Apollo (vols habités, 1967-1972)
 ALSEP (équipement scientifique)
 Module lunaire Apollo
 Rover lunaire Apollo
 Programme Constellation (2004-2010, projet vols habités, avorté)
 Programme  (projet 2017-?)
 Programme Artemis (projet 2019-?)
  (2019-?)

Chine
 Programme chinois d'exploration lunaire (Chang'e, 2007-?)

Japon
 Sonde Selene (ou Kaguya) (2007)
Inde
 Programme Chandrayan (2008 et 2019)

Liens externes 
  Documents historiques et actuels sur les stratégies d'exploration de la Lune ()
  Site du LEAG groupe de coordination de l'exploration lunaire de la 

Colonisation de l'espace