Chang'e 1 ou CE-1 (du chinois : 嫦娥一号 ; pinyin : cháng'é yī hào, de Chang'e, déesse de la Lune dans la mythologie chinoise) est une sonde spatiale lunaire chinoise lancée le . Chang'e 1 dont l'objectif est d'étudier la surface et l'environnement de la Lune en préparation d'un atterrissage est la première mission du programme d'exploration lunaire de la Chine.
La sonde de type orbiteur est équipée de 8 instruments scientifiques dont une caméra stéréoscopique à haute résolution, un altimètre laser, un spectromètre à rayon X ou encore un détecteur de vent solaire. Les objectifs de la mission sont de dresser une carte en 3 dimensions de la surface lunaire, d'étudier la répartition des éléments chimiques et de caractériser l'environnement de la Lune.
La sonde se place en orbite autour de la Lune le . La mission s'achève 495 jours après son lancement lorsque la sonde est désorbitée et heurte la surface lunaire le dans la Mer de la Fertilité, non loin du site d'atterrissage de la sonde soviétique Luna 16.
Contexte
Le premier projet de sonde lunaire chinoise remonte à 1962, proposé par l'Université de Nankin, mais il n'est pas retenu. La question se pose finalement sérieusement en 1994 après le succès de la sonde Hiten envoyée par le Japon, qui démontre que l'exploration lunaire n'est pas limitée qu'aux deux Grands, mais la priorité est alors donnée au plus ambitieux programme habité. En 1995, le directeur de la recherche spatiale de l'Académie chinoise des sciences, Jiang Jingshan, annonce qu'un projet d'orbiteur lunaire est à l'étude. La mission Chang'e 1 est finalement approuvée le sous le nom officiel de projet 211, avec un budget de 1,4 milliard de yuan (140 millions d'euro)Brian Harvey 2019, p. 444-445..
Objectifs de la mission Les objectifs scientifiques sont les suivants :
Imager la Lune en trois dimensions afin d'en déterminer la structure, la topographie, les cratères, l'histoire et l'évolution structurelle Déterminer la quantité et la distribution des éléments chimiques sur la Lune Mesurer l'épaisseur du régolithe lunaire Évaluer les particules et les radiations de l'environnement lunaire
La sonde doit également aider à déterminer des sites pour les futurs atterrissages du programme et tester la capacité de communication dans l'espace profond.
Caractéristiques techniques
Vue d'ensemble Afin d'économiser le développement d'un engin totalement nouveau et d'utiliser des technologies ayant déjà fait leur preuve, il est choisi de réutiliser le bus d'un satellite de télécommunication Dong Fang Hong 3 de l'Académie chinoise de technologie spatiale. Le corps de la sonde est de forme cubique et de dimensions , avec une structure construite autour d'un réservoir cylindrique entouré de panneaux en nid d'abeilles, avec un module supérieur et un module inférieur. La masse totale au lancement de la sonde est de , dont de carburant. Le contrôle thermique est évalué à l'aide de capteurs et obtenu via plusieurs couches isolantes, peinture thermique, caloducs, et un système de chauffage.
Propulsion La propulsion principale est assurée par un unique moteur-fusée à ergols liquides d'une poussée de brûlant le couple hypergolique peroxyde d'azote et hydrazine stocké dans des réservoirs mis sous pression par de l'hélium. Ce propulseur est allumable plusieurs fois mais sa poussée n'est pas modulable ni orientable. Il est utilisé lors des manœuvres importantes telles que les changements d'orbite.
Contrôle d'attitude La sonde est stabilisé sur 3 axes, c'est-à-dire qu'elle dispose d'un système afin de maintenir son orientation. Cela permet aussi bien de maximiser l'énergie reçue par les panneaux solaires que de pointer les instruments scientifiques vers leurs cibles. Le moteur principal étant fixe, cela permet également de maintenir l'orientation de la sonde durant sa mise en marche. L'attitude est déterminée à l'aide de capteurs solaires, de viseurs d'étoiles, de gyroscopes et de capteurs à ultra-violet. L'orientation est modifiée à l'aide de roues de réaction et de deux grappes de 6 propulseurs de chacun. La précision de pointage obtenue est inférieure à (3σ) et la précision de maintien est de .
Énergie La sonde se fournit en énergie à l'aide de deux ailes comportant chacune trois panneaux solaires, soit une envergure totale de pour une surface de une fois déployées. La puissance électrique maximale produite est de et l'énergie est stockée dans des batteries nickel-hydrogène. La charge utile reçoit une puissance électrique de Brian Harvey 2019, p. 445..
Télécommunications Pour les télécommunications avec le contrôle au sol, la sonde utilise une antenne parabolique orientable grand gain de de diamètre qui se déploie une fois en orbite et 4 antennes omnidirectionnelle de faible gain. Les transmissions se font en bande S, avec un débit des données vers le sol de .
Instruments scientifiques vignette|400x400px|alt=|Schéma de la sonde en configuration de lancement : A : Senseur solaire; B : Viseur d'étoile; C : Réservoir d'ergol; D : Antenne grand gain; E : Panneaux solaires; F : Propulseurs d'attitude; G : Capteurs à ultra-violet; H : Antenne faible gain de transmission; I : Antenne faible gain de réception; 1 : Antenne de calibration basse-fréquence de CELMS; 2 : Antenne de calibration haute-fréquence de CELMS; 3 : Antenne d'observation haute-fréquence de CELMS; 4 : Antenne d'observation basse-fréquence de CELMS; 5 : Objectif de la caméra CCD; 6 : Capteur IIM; 7 : Altimètre laser LAM; 8 : Spectromètre à rayon X XRS La sonde emporte en tout 8 instruments scientifiques. Six d'entre eux sont des instruments de télédétection destinés à l'observation directe de la Lune. Aucun n'est mobile et ils reposent donc sur l'orientation globale de la sonde pour pointer vers leur sujet d'étude. Ces instruments sont :
CELMS (Chang'e 1 Lunar Microwave Sounder), aussi appelé MRM (Microwave Radiometer, Moon), est l'instrument principal de la mission. Il s'agit d'un radiomètre à micro-onde sur 4 fréquences (, , et ) dont l'objectif est d'étudier la profondeur du régolithe lunaire. La fréquence la plus basse étant celle permettant d'étudier le plus profondément, il fut décidé de se limiter à en raison des contraintes liées à la taille de l'antenne. La fréquence de sert à évaluer la de la surface lunaire, et les fréquences de et permettent d'obtenir la construction interne des couches du régolithe. L'instrument est calibré à l'aide de deux cibles : une charge interne à l'instrument, et en pointant vers l'espace profond. Il permit d'obtenir la première carte en micro-onde de toute la surface lunaire. Stereo Camera est une caméra stéréoscopique CCD d'une résolution d'environ , observant dans trois directions différentes simultanément : en avant (), en arrière () et au nadir (), ce qui permit d'obtenir un modèle numérique de terrain ainsi que des données d'orthophotographie, c'est-à-dire une carte en 3 dimensions de la surface de la Lune. L'instrument fonctionne dans le spectre visible entre et . La caméra a une distance focale de , et utilise un capteur photographique de , avec une taille de pixels de , et un angle de champ couvrant . L'instrument a une masse de . IIM (Sagnac-based Imaging Interferometer Spectrometer) est un spectromètre interférométrique imageur à transformée de Fourier à balayage, d'une résolution de et d'un angle de champ couvrant . Il fonctionne dans le visible et l'infrarouge proche, entre et . L'objectif de l'instrument est d'obtenir des images multispectrales de la surface de la Lune, révélant des propriétés minéralogiques, chimiques et physiques du régolithe. LAM (Laser Altimeter, Moon) est un altimètre laser permettant d'étudier le relief de la Lune. Il fonctionne en calculant le temps de l'aller-retour de la lumière entre l'instrument et la surface lunaire. L'émetteur utilise un laser Nd-YAG dont la divergence est limitée à grâce à un collimateur, tandis que le récepteur de type Cassegrain a une ouverture de . La largeur d'impulsion du laser est inférieur à pour une fréquence de et une énergie de . L'instrument d'une masse de produit de donnée par seconde et utilise de puissance électrique. Sa résolution est de pour une incertitude de . Il est installé parallèlement à la caméra stéréoscopique. GRS (Gamma-Ray Spectrometer) est un spectromètre à rayon gamma dont l'objectif est d'observer l'abondance de plusieurs éléments chimiques à la surface de la Lune dont le carbone, l'oxygène, le magnésium, l'aluminium, le silicium, le potassium, le calcium, le fer, le thorium ou encore l'uranium. L'instrument fonctionne à l'aide d'un détecteur à scintillation principal composé d'un cristal de de diamètre pour de longueur d'iodure de césium activé de thallium, enveloppé d'un deuxième détecteur d'iodure de césium pur de d'épaisseur en anticoïncidence avec le premier. Ce dernier sert également de bouclier entre le détecteur principal et les rayons gamma émanant de la sonde, ainsi que de la diffusion Compton environnante. Deux spectres gamma sont collectés simultanément dans une gamme d'énergie allant de à sur 512 canaux différents. L'instrument a une masse de . XRS (X-Ray Spectrometer) est un spectromètre à rayon X dont l'objectif est d'étudier l'abondance et la distribution à la surface lunaire de trois éléments liés à la formation des roches : le magnésium, l'aluminium et le silicium. Lorsque les rayons X solaires et les radiations cosmiques bombardent la surface de la Lune, certains éléments émettent des rayons X fluorescent que l'on peut identifier et évaluer la quantité grâce au spectre et à l'intensité du signal. L'instrument est subdivisé en trois capteurs : SXD (Soft X-ray Detector) étudiant les rayons X mous (), HXD (Hard X-ray Detector) étudiant les rayons X durs (), et un détecteur de rayons X solaires (). Le spectromètre atteint une résolution spatiale de .
Les deux instruments restants sont destinés à l'étude des particules et à l'environnement in-situ de la sonde. Ces instruments sont :
HPD (High-energy Particle Detector), aussi appelé HSPD (High-energy Solar Particle Detector) est un détecteur de particules de haute énergie dont l'objectif est d'observer les ions lourds, notamment l'hélium, le lithium et le carbone, et les protons de à , dans l'espace environnant de la Lune. L'instrument a une masse de . SWID (Solar Wind Ion Detector) est un double détecteur de vent solaire conçu pour analyser les ions de faible énergie dans le même espace que HPD. Les deux capteurs à la verticale l'un de l'autre consistent en un collimateur, un analyseur d'ions et un amplificateur MCP. Ils observent dans une gamme d'énergie comprise entre et , avec un champ de vue de et une résolution angulaire de . L'instrument a une masse de .
Déroulement de la mission
Transit vers la Lune Le lancement de la sonde a lieu le à depuis la base de lancement de Xichang à bord d'une fusée Longue Marche 3A. L'évènement est diffusé en direct à la télévision et assistent à l'évènement depuis des gradins situés à du pas de tir. La sonde est d'abord placée sur une orbite terrestre très elliptique de avec une inclinaison , et une période de révolution de . Son périgée est ensuite hissé à .
Durant les deux semaines suivantes l'engin spatial réalise trois manœuvres afin d'hisser son apogée à , puis . La sonde atteint finalement les nécessaire à l'injection trans-lunaire lorsque son moteur principal est mis à feu durant . Le à elle s'insère sur une orbite elliptique de qu'elle parcourt en , en réduisant sa vitesse de à . L'orbite est ajustée le à avec une périodicité de . Une dernière manœuvre le permet de placer l'engin spatial dans son orbite de travail, calculée plus tard à avec une inclinaison de Brian Harvey 2019, p. 447..
Fin de la mission