Chandrayaan-4

Chandrayaan-4
Sonde spatiale lunaire

Données générales

Organisation	ISRO
Programme	Chandrayaan
Domaine	Exploration de la Lune
Type de mission	Mission de retour d'échantillons
Statut	En développement
Lancement	vers 2028
Lanceur	2 x GSLV-Mk III modifiée

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	9,2 à 9,6 tonnes
Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires

Orbite lunaire

Localisation	Près du Mons Mouton (atterrisseur)

Chandrayaan-4 est une mission spatiale robotique de l'agence spatiale indienne, l'ISRO, dont l'objectif est de collecter à l'aide d'une pelle et d'une foreuse 2 à 3 kg d'échantillons du sol lunaire sur le site d'atterrissage situé près du pôle sud de la Lune et de les ramener sur Terre pour les étudier. Le lancement est prévu en 2028. L'Inde ne disposant pas d'un lanceur suffisamment puissant, la sonde spatiale est décomposée en deux sous-ensembles qui sont lancés dans l'espace séparément par deux fusées GSLV-Mk III modifiées et qui s'amarrent en orbite. Cette mission de retour d'échantillons repose sur plusieurs technologies qui n'ont jusque là jamais été mises en œuvre par l'Agence spatiale indienne. C'est la cas en particulier des opérations de rendez-vous spatial et d'amarrage qui sont mises au point en 2024/2025 dans le cadre de la mission SpaDeX.

Le programme Chandrayaan est le premier programme d'exploration du système solaire de l'agence spatiale indienne. Son développement est annoncé en 1999. Trois missions aux capacités croissantes ont été lancées successivement dans le cadre de ce programme entre 2008 et 2023. L'orbiteur Chandrayaan-1 se place en orbite autour de la Lune en novembre 2008. L'atterrisseur lunaire Chandrayaan-2 est victime d'une défaillance fatale lors de sa descente vers la surface de la Lune en septembre 2019. Enfin Chandrayaan-3, lancé en juillet 2023, se pose avec succès près du pole sud de la Lune (une première pour l'Inde) et déploie un petit rover (astromobile). Chandrayaan-4 constitue la quatrième mission dont l'objectif principal est de ramener sur Terre un échantillon du sol lunaire prélevé près du pôle sud pour permettre son analyse avec les instruments les plus sophistiqués dont on ne peut disposer dans l'espace.

L'objectif de la mission Chandrayaan-4 est de ramener sur Terre pour analyse deux à trois kilogrammes d'échantillons du sol lunaire prélevé à la surface et à une profondeur inférieure à deux mètres sur le site d'atterrissage situé près du pôle sur de la Lune^[1].

Le site d'atterrissage de la sonde spatiale sélectionné début 2026 (mais il reste à confirmer) à partir de photos prises par la caméra OHRC de l'orbiteur Chandrayaan-2, se situe près du Mons Mouton dans la région du pôle sud de la Lune non loin des zones situées en permanence à l'ombre. Une zone de 1 x 1 km y a été sélectionnée parce que l'inclinaison de la pente n'y dépasse jamais 5 degrés et qu'il contient peu d'obstacles (rochers) dont la taille pourrait faire échouer l'atterrissage de l'engin spatial^[2].

La mission de retour d'échantillons de sol lunaire Chandrayaan-4 est annoncée pour la première fois le 17 novembre 2023 par le directeur du Centre des applications spatiales (SAC) de l'Agence spatiale indienne. Ce projet est confirmé par le responsable de l'agence spatiale le 26 février 2024. Celui-ci souligne les difficultés de la mission, car celle-ci implique des lancements multiples, l'amarrage entre deux engins spatiaux et une technologie robotique complexe, mais met en avant les succès rencontrés lors de la mission Chandrayaan-3 qui vient tout juste de déposer un astromobile (rover) à la surface de la Lune^[3].

Le financement de la mission Chandrayaan-4 est approuvé par le gouvernement indien le 18 septembre 2024 pour un montant de 210 406 crore roupies (189 millions euros). Cette somme couvre le développement de la sonde spatiale, l'acquisition de deux lanceurs GSLV-Mk III, le lancement, les opérations dans l'espace et le financement du réseau de stations de suivi au sol^[4].

Faute de disposer d'un lanceur suffisamment puissant la sonde spatiale Chandrayaan-4 est décomposée en deux sous-ensembles qui sont lancés dans l'espace séparément et s'amarrent en orbite. L'agence spatiale indienne (ISRO) ne maitrise pas les techniques de rendez-vous spatial et d'amarrage au début du projet. Pour combler cette lacune, l'ISRO développe la mission SpaDeX : deux mini-satellites de 220 kg équipés chacun d'un système d'amarrage androgyne et de dispositifs de guidage des opérations de rendez-vous sont lancés fin 2024 et testent avec succès ces opérations entre janvier et mars 2025^[5]. Une deuxième mission, SpaDeX 2, répondant aux mêmes objectifs, est prévue mais était en attente d'une validation de son financement en 2025. Ses caractéristiques doivent se rapprocher du scénario envisagé pour le rendez-vous entre les deux sous-ensembles de la sonde lunaire Chandrayaan-4 (orbite elliptique, système d'amarrage de plus grande taille)^[6].

La sonde spatiale Chandrayaan-4 comprend cinq modules qui sont regroupés dans deux sous-ensembles (ou composites cf schéma ci-dessous) pour prendre en compte les capacités limitées des lanceurs indiens. Ces deux sous-ensembles sont lancés séparément et assemblés en orbite terrestre avant d'entamer leur transit vers la Lune.

Les différents modules sont^[7] :

• le module de descente (DM Descender Module) est chargé de faire atterrir grâce à son système de propulsion le module de remontée (AM) à la surface de la Lune. Il comprend également les équipements permettant de prélever les échantillons de sol lunaire à savoir un bras articulé comportant à son extrémité une pelle et une foreuse permettant de prélever un échantillon du sous-sol à une profondeur de 2 mètres. Ce module fait partie du composite 1.
• le module de remontée (AM Ascender Module ), qui atterrit avec le module DM, contient les containers contenant les échantillons de sol lunaire et est chargé de les ramener en orbite lunaire puis de manoeuvrer pour s'amarrer aux modules TP+RM. Ce module fait partie du composite 1.
• le module chargé des transferts (TM Transfer module) prend en charge les manoeuvres propulsives une fois que la sonde spatiale s'est placée en orbite autour de la Lune et celles permettant de réaliser le rendez-vous spatial avec l'étage de remontée afin de récupérer la capsule contenant les échantillons puis le retour vers la Terre. Ce module fait partie du composite 2.
• le module de rentrée (RM Reentry module) est la capsule contenant les échantillons qui est larguée à l'approche de la Terre et revient au sol après phase de rentrée atmosphérique. Ce module fait partie du composite 2.
• le module de propulsion (PM : Lunar Propulsion module) est chargé du transfert de la sonde spatiale entre la Terre et la Lune et de sa mise en orbite lunaire. Ses caractéristiques sont proches du module propulsif de Chandrayaan-3. Ce module fait partie du composite 2.

• Les deux sous-ensembles de la mission Chandrayaan-4
• 
  Schéma du composite 1 comprenant le module de descente (DM) et l'étage de remontée (AM)
• 
  Schéma du composite 2 comprenant le module propulsif (PM), le module de transfert (TM) et la capsule ramenant les échantillons de sol sur Terre (RM).

Chacun des deux sous-ensembles de la sonde spatiale Chandrayaan-4 doit être lancé vers 2028 par une fusée GSLV-Mk III dont le premier étage a été remplacé par un étage propulsé par un moteur-fusée à ergols cryogénique SE-2000 qui doit lui permettre de placer une orbite de transfert géostationnaire 5 tonnes au lieu de 4,4 tonnes pour la version actuelle du lanceur. Les deux lancements ne doivent pas être espacés de plus de 1 mois ce qui constitue une contrainte forte car l'Inde ne dispose que d'un seul pas de tir pour sa fusée et qu'elle n'a jusque là (mai 2026) jamais réussi à effectuer deux lancements successifs en moins de 50 jours^[8].

Les deux composites qui ont été placés sur une orbite elliptique autour de la Terre effectuent une manœuvre de rendez-vous spatial puis s'amarrent l'un à l'autre. Le module de propulsion (PM) est alors mis à feu à plusieurs reprises pour transférer l'ensemble jusqu'à la Lune et le placer en orbite autour de cette astre. Une fois ses réservoirs vidés il est largué. L'ensemble formé par les modules DM + AM + TM + RM réalisent plusieurs manœuvres pour se placer sur l'orbite lunaire souhaité de manière à ce que le plan orbital survole le site d'atterrissage sélectionné^[1].

L'ensemble formé par les modules de descente (DM) et l'étage de remontée (AM) se séparent alors des deux autres modules pour effectuer leur descente vers le sol lunaire et y atterrir en douceur grâce au système propulsif de DM. Après l'atterrissage, le bras articulé équipé d'une pelle prélève des échantillons du sol lunaire situés à sa portée (2 à 3 kg) et les transfère dans un container du module AM. La foreuse prélève de son côté un échantillon du sous-sol et le transfère dans un autre container du module AM. Les deux containers sont scellés pour empêcher toute contamination durant leur voyage de retour vers la Terre. Les différentes phases de prélèvement d'échantillons sont filmées par plusieurs caméras^[1].

Une fois les échantillons de sol collectées, l'étage de remontée (AM) décolle, se place en orbite autour de la Lune puis après une manoeuvre de rendez-vous spatial s'amarre à l'ensemble formé par le module de transfert (TM) et la capsule de retour d'échantillon (RM). Les deux containers sont transférés du module AM à la capsule RM. A la suite de cette opération l'étage de remontée AM est largué. Le module de transfert TM effectue une série de manœuvres pour quitter l'orbite lunaire et se diriger vers la Terre. A proximité de celle-ci il largue la capsule RM qui entame une rentrée atmosphérique. La capsule devrait amerrir dans l'Océan indien près des côtes de l'Inde^[1],[7].

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