Programme Artemis

Programme Constellation (2004-2009)

Le 20 juillet 1989, pour le 20^e anniversaire de l'alunissage d’Apollo 11, le président des États-Unis George H. W. Bush lance un programme spatial ambitieux sur 30 ans, le Space Exploration Initiative (SEI)^[2], qui doit permettre l'installation d'une base permanente sur la Lune. Mais son coût, l'absence de soutien dans l'opinion publique et les fortes réticences du Congrès font échouer le projet. En 2004, son fils, le président George W. Bush, rend publics les objectifs à long terme qu'il souhaite assigner au programme spatial américain alors que l'accident de la navette spatiale Columbia vient de clouer au sol une flotte de navettes spatiales vieillissantes et que le sort de la Station spatiale internationale, dont l'achèvement approche, est en suspens. Le projet présidentiel Vision for Space Exploration veut replacer l'être humain au cœur de l'exploration spatiale : le retour d'astronautes sur la Lune est programmé avant 2020 pour une série de missions destinées à préparer une éventuelle présence permanente de l'humain sur le sol lunaire et mettre au point le matériel nécessaire à de futures missions habitées sur Mars fixées à une échéance beaucoup plus lointaine^[3],[4]. Cette fois-ci, l'opinion comme le Congrès sont favorables au projet : le programme Constellation est alors mis sur pied par la NASA pour répondre aux attentes présidentielles. Il prévoit la construction de deux types de lanceur, Ares I et Ares V, ainsi que, de manière similaire au programme Apollo, deux vaisseaux habités, Altair et Orion^[5]. La NASA utilise, en les adaptant, des moteurs-fusées développés pour la fusée Saturn V, les propulseurs à poudre de la navette spatiale ainsi que de nombreuses installations au sol remontant à l'époque du programme Apollo. Mais le programme prend du retard et se heurte à un problème de financement qui, selon les plans initiaux, doit s'effectuer sans augmentation substantielle du budget global de la NASA^[6]. À la suite de son investiture, le président américain Barack Obama fait expertiser le programme Constellation par la commission Augustine, créée à cet effet le 7 mai 2009. Celle-ci conclut qu'il manque 3 milliards de dollars par an pour atteindre les objectifs fixés^[7], mais confirme l'intérêt d'une seconde exploration humaine de la Lune comme étape intermédiaire avant une mission habitée vers Mars^[8]. Début février 2010, le président Obama annonce l'annulation du programme Constellation, qui est confirmée par la suite^[9],[10].

Flexible Path : Mars en plusieurs étapes (2010)

Malgré l'arrêt du programme Constellation, la NASA décide de poursuivre le développement du lanceur lourd Space Launch System (SLS) et du vaisseau spatial interplanétaire Orion. Ces engins spatiaux doivent être utilisés pour réaliser des missions interplanétaires d'une complexité croissante dans le but ultime de déposer des humains sur Mars. La stratégie ainsi définie, baptisée « Flexible Path », est beaucoup plus progressive que ce qui a été envisagé dans les projets martiens antérieurs. Avant de poser l'humain sur Mars, il est prévu de mener des missions autour de la Lune, sur des astéroïdes proches puis sur la lune martienne Phobos pour mettre au point les matériels et gagner en expérience. Les premières missions de SLS et Orion à destination de l'espace cis-lunaire sont progressivement définies au cours des années suivantes. Toutefois la stratégie d'exploration du système martien proprement dit reste vague^[11].

Mission avortée Asteroid Retrieval and Utilization (2012-2017)

La première mission du programme Flexible Path est l'envoi d'un équipage à la surface d'un astéroïde géocroiseur : l'Asteroid Retrieval and Utilization (ARU) doit combiner l'étude in situ de cet objet et tester les nouveaux équipements, notamment en déplaçant une roche de quatre mètres de diamètre située à la surface de l'astéroïde pour la placer sur une orbite lunaire^[11]. Toutefois, en interne à la NASA comme au Congrès des États-Unis, peu de personnes soutiennent cette mission et celle-ci est finalement annulée en juin 2017^[12]. Cette annulation replace la Lune au cœur du programme spatial habité.

Analyse des raisons de l'échec des projets lunaires et martiens antérieurs

Plusieurs raisons expliquent les échecs répétés des projets de missions lunaires et martiens^[13].

• Il y a peu de justification économique à de telles missions. Une mission robotique permet d'explorer l'espace lointain à un coût cent fois moins élevé et sans risquer la vie d'un équipage, bien que les missions habitées soient plus agiles sur le plan scientifique que les missions robotiques. La justification avancée pour une mission habitée, selon laquelle il est dans la nature de l'être humain d'explorer et d'étendre son horizon, est faible si on la rapproche de ses implications financières.
• Les Américains qui soutiennent ces projets sont minoritaires. Les sondages récents, qui rejoignent des analyses antérieures, montrent que seulement un quart des américains considère comme important ou très important l'envoi d'astronautes sur la Lune ou sur Mars. Une large majorité considère que les priorités vont à la protection de la Terre contre l'impact d'un astéroïde, l'étude de la planète et l'exploration du système solaire par des missions robotiques.
• Une mission habitée vers Mars est un objectif très ambitieux sur le plan financier et technologique. Pour illustrer cette complexité, l'astronaute Don Pettit cite le fait que si les toilettes ne fonctionnaient plus à bord de la Station spatiale internationale, la NASA peut envoyer une pièce de rechange, tandis que si le même incident se produit sur Mars il entraîne la mort de l'équipage^[14].
• Une mission lunaire de son côté constitue aux yeux de beaucoup d'Américains un objectif présentant peu d'intérêt dans la mesure où il s'agit seulement de renouveler à un coût élevé une réalisation remontant déjà à plus de 50 ans.
• Les différents acteurs impliqués dans le programme spatial ont des vues divergentes qui freinent la réalisation de projets de grande envergure. La Maison-Blanche est favorable à un programme ambitieux mais elle dépend du Congrès pour obtenir le budget. Ce dernier est souvent hostile à des dépenses aussi importantes dans le domaine spatial. Certains de ses membres sont guidés par des objectifs purement électoraux (créer de l'emploi dans leur circonscription) comme le sénateur républicain de l'Alabama Richard Shelby qui contrôle de facto le budget de la NASA. Les différents établissements de la NASA sont eux-mêmes en conflit entre eux pour préserver leur budget et leur pouvoir au sein de l'agence spatiale. Enfin les grands industriels du spatial (Boeing, Orbital ATK, Aerojet Rocketdyne) font jouer leurs appuis au Congrès de manière à préserver leur activité éventuellement en contradiction avec les objectifs de l'agence spatiale. Les acteurs du NewSpace (SpaceX, Blue Origin, etc.) tentent également d'influencer les décideurs au mieux de leurs intérêts financiers.

Développement récent du programme lunaire habité

Objectif fixé à 2024 par le président Trump

En avril 2019, à quelques mois du cinquantième anniversaire de la mission Apollo 11 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 2022), 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 jusque là par la NASA^[19]. Le président assigne deux objectifs à l'agence spatiale : tenir la date de 2024 et réaliser à terme des missions dites durables permettant l'exploration de la Lune puis de Mars. Pour remplir le premier objectif, la NASA décide de concevoir deux types de missions. Les premières sont simplifiées (séjour court de six jours et demi sur la Lune, masse emportée limitée, équipage de deux personnes, pas de pré-positionnement de matériel à la surface, vaisseau lunaire non réutilisable). Les missions dites durables, qui devaient intervenir à compter de 2026, utilisent un vaisseau lunaire plus gros qui permet d'emporter plus d'équipements et un équipage de quatre personnes pour un séjour à la surface plus long^[20]. Le site d'atterrissage des missions serait situé près du pôle Sud lunaire, qui est un objectif scientifique important et recèle des stocks d'eau qui peuvent être exploités pour faciliter les séjours prolongés en augmentant l'autonomie des équipages (eau, oxygène)^[21].

Recherche d'un financement

Mi-mai 2019, une enveloppe supplémentaire de 1,6 milliard de dollars est débloquée au titre de l'année budgétaire 2020 pour ce programme lunaire, qui est baptisé à cette occasion « programme Artemis », du nom de la déesse grecque personnifiant la Lune dans la mythologie grecque. Il s'agit d'une référence explicite au programme Apollo, qui est nommé d'après Apollon, le dieu grec et frère jumeau d'Artémis. Les fonds doivent être utilisés de la manière suivante^[22] :

• 1 milliard de dollars sont consacrés à la réalisation d'un atterrisseur capable de déposer des humains sur la Lune. La conception et la fabrication de ce module seraient complètement sous-traitées à l'industrie privée ;
• le budget engagé pour le développement de la station spatiale lunaire sera réduit de 321 millions de dollars en limitant sa fonction à celle de support pour déposer l'équipage sur la Lune. La somme libérée doit être affectée à d'autres dépenses du programme Artemis ;
• 651 millions de dollars sont affectés au développement du lanceur SLS et du vaisseau Orion ;
• le développement des systèmes de propulsion reçoit 132 millions de dollars, dont 90 millions affectés à l'exploration robotique.

En septembre 2020, la NASA produit un document recensant les coûts de la phase 1 du programme Artemis, qui comprend les missions Artemis I à Artemis III sur la période 2021-2025. Le budget nécessaire est évalué à 28 milliards US$ mais n'inclut pas la station spatiale Gateway, les habitats de surface et le développement d'un astromobile, qui ne deviennent nécessaires que pour la phase 2 du programme. Les principaux postes budgétaires sont le développement du module lunaire HLS (16 milliards US$) ainsi que celui du vaisseau Orion et du lanceur SLS (7,6 milliards US$ en tout)^[23]. À titre de comparaison, le coût du programme Apollo est évalué à 250 milliards US$ (en dollars 2020) mais les 28 milliards ne comprennent pas les sommes déjà dépensées au cours des deux dernières décennies pour développer le lanceur lourd SLS et le vaisseau Orion^[24]. Pour tenir le planning très serré imposé par une première mission à la surface de la Lune en 2024, l'administrateur de la NASA demande en septembre 2020 à disposer de 3,2 milliards US$ dès 2021 pour le financement du développement du module lunaire HLS^[25].

Artemis sous la législature Biden

En février 2021, l'Administration du nouveau Président Biden confirme son soutien au programme Artemis^[26].

Le problème de financement persiste fin 2021. À cette date, le budget prévu sur la période 2022/2025 permet théoriquement de financer uniquement les développements des équipements de la phase I ainsi que les vols associés (Artemis I, II et III), mais rien n'est prévu pour la phase II, qui nécessite de mettre au point des équipements et des composants nouveaux. Le montant total associé au programme en incluant les dépenses antérieures à la création du programme s'élève à 92 milliards US$^[27].

Sélection des fournisseurs des équipements et composants de la station lunaire

En 2019 et 2020 la NASA prend de nombreuses décisions pour tenter de tenir l'échéance de 2024 fixée pour la réalisation du premier objectif du programme, c'est-à-dire le retour d'astronautes sur la Lune. L'agence spatiale décide de déléguer aux entreprises du secteur spatial non seulement la réalisation, mais également la conception de plusieurs équipements :

• Courant mai, l'agence spatiale sélectionne la société Maxar Technologies pour le développement du module PPE (Power and Propulsion Element) de la station spatiale lunaire Lunar Gateway^[28] ;
• La NASA veut lancer plusieurs missions robotiques ayant pour objectif d'effectuer une première reconnaissance. Le développement des atterrisseurs chargés de déposer ces équipements scientifiques sur la Lune est confié à l'industrie privée dans le cadre du programme Commercial Lunar Payload Services (CLPS) et fonctionne de manière analogue au programme COTS consacré au ravitaillement de la Station spatiale internationale. Trois entreprises, sont pré-sélectionnées en juin 2019^[29] ;
• En juillet, la NASA sélectionne la société Northrop Grumman pour le développement du module d'habitation HALO (Habitation and Logistics Outpost) de la station spatiale lunaire Lunar Gateway^[30] ;
• Début septembre 2019, l'agence spatiale soumet aux industriels un cahier des charges pour le vaisseau lunaire HLS. Les réponses sont attendues début novembre et le vainqueur est sélectionné en décembre 2019. Une somme de 1 milliard US$ a été demandée par la NASA pour financer les développements de ce vaisseau sur l'année budgétaire 2020 (le coût total sera de plusieurs milliards USD). Les trois entreprises susceptibles d'être choisies sont Blue Origin, Boeing et SpaceX^[31] ;
• Fin octobre 2019, la NASA lance le développement de 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. Celui-ci doit effectuer une reconnaissance fin 2022 de la région dans laquelle atterriront les premiers équipages^[32] ;
• En juin 2020, l'agence spatiale sélectionne le constructeur de l'atterrisseur qui déposera le rover VIPER à la surface de la Lune en 2023. Il s'agit de l'engin spatial Griffin, développé par la société Astrobotic Technology de Pittsburgh^[33].
• En juin 2022, l'agence spatiale américaine sélectionne l'institut de recherche Draper de Cambridge pour le développement de la mission robotique SERIES-2 qui doit se poser dans le cratère Schrödinger sur la face cachée de la Lune pour étudier les caractéristiques de la surface et de l'intérieur de la Lune (flux thermique, sismicité). Le contrat souscrit dans le cadre du programme CLPS porte sur un montant de 73 millions US$^[34].
• Le développement de la combinaison spatiale AxEMU portée par les astronautes durant leurs sorties extravéhiculaires à la surface de la Lune fait l'objet d'un appel d'offres qui oppose la société Collins Aerospace qui est le fabricant historique (il a développé les combinaisons utilisées par les équipages Apollo) et Axiom Space dont l'activité principale dans le domaine tourne autour des combinaisons utilisées à bord des stations spatiales. À la surprise des spécialistes c'est la société Axiom qui est retenue par la NASA début septembre 2022. Axiom évalue la prestation demandée par l'agence spatiale (développement et test des combinaisons spatiales, fourniture d'un jeu de combinaisons pour la mission Artemis IV, première mission à la surface de la Lune) à 228,5 millions US$ soit 20 % de moins que le montant de la proposition de Collins^[35].

Sélection du vaisseau lunaire (2019-2023)

Avancement du programme

Contributions des autres pays au programme

Les pays principaux partenaires traditionnels de la NASA dans le domaine du programme spatial habité ont rapidement annoncé leur intention de participer au programme Artemis, la seule exception étant la Russie qui dans le contexte de tensions créés par les événements en Ukraine, décide de ne pas participer au projet et de se rapprocher de la Chine. L'Agence spatiale canadienne prévoit de fournir le bras télécommandé Canadarm3 de la station spatiale Lunar Gateway^[81]. Le Canada dispose d'un budget de 1,5 milliard US$ sur 24 ans pour développer et maintenir cet équipement. L'Italie conclut un accord de coopération en septembre 2020 avec la NASA pour ce programme. Le budget de 1 milliard d'euros porte sur la construction des modules ESPRIT et iHab de la station spatiale lunaire Lunar Gateway^[82]. Le même mois, le Japon conclut également un accord pour fournir un vaisseau cargo HTV-X dérivé du HTV, qui sera chargé de ravitailler la station spatiale lunaire ainsi qu'un module d'habitation^[83]. Enfin, l'Agence spatiale européenne finance la réalisation de six modules de service du vaisseau Orion^[84]. En avril 2024 le Japon qu'il fournira l'astromobile (rover) pressurisé Lunar Cruiser qui permettra à deux astronautes d'effectuer des déplacements d'une durée de 30 jours à la surface de la Lune. Cet engin est développé conjointement par Toyota et l'agence spatiale japonaise JAXA^[85].

Un nouvelle interprétation du traité de la Lune : les accords Artemis

Les décennies 2010 et 2020 ont vu aux États-Unis une montée en puissance dans le domaine spatial de nouveaux acteurs privés, regroupés dans une mouvance baptisée New Space, ayant pour objectif l'exploitation des ressources disponibles dans l'espace (Lune, autres corps célestes). Le gouvernement américain a décidé de soutenir l'activité de ces entreprises à l'échelon national en élaborant une loi, le Space Resource Exploration and Utilization Act. Celle-ci, signée par le gouvernement Obama le 25 novembre 2015, reconnait le droit de propriété sur une ressource spatiale dans la mesure où celui-ci respecte les obligations des traités internationaux en particulier le Traité sur l'espace de 1967. Ce dernier stipule qu'un état ne peut revendiquer des droits souverains ou exclusifs sur un corps céleste mais permet aux états d'autoriser une activité conduite par une personne privée. La loi américaine joue sur le fait que le Traité n'exclue pas de manière explicite l'exploitation exclusive d'une fraction du corps céleste. D'autres états ont par la suite mis en place une législation nationale similaire, le premier d'entre eux étant le Luxembourg dans le but d'attirer des entreprises ayant pour objectif d'exploiter ces ressources^[86],[87].

Les États-Unis, profitant d'une situation largement dominante dans le secteur spatial depuis le déclin de la Russie, ont décidé de faire accepter par les autres pays son interprétation des modalités d'exploitation des ressources spatiales en court-circuitant l'Organisation des Nations unies dont le rôle est normalement d'élaborer ce type de règlement à portée internationale. En avril 2020 les États-Unis ont ainsi invité les autres pays, qui souhaitaient s'associer à la NASA dans la réalisation du programme Artemis, à affirmer une interprétation commune des principes énoncés dans le Traité sur l'espace de 1967 en signant de manière bilatérale les accords dits « Artemis » "fixant les principes pour une coopération dans l’exploration et l’utilisation civile de la Lune, de Mars, des comètes et des astéroïdes à des fins pacifiques". Le passage le plus controversé de ces accords est celui qui affirme que l'extraction des ressources ne constitue pas intrinsèquement une appropriation nationale au sens de l'article II du Traité de l’espace. Une autre clause de ces accords faisant débat porte sur la notion de zones de sécurité : elle donne le droit à une nation menant une mission sur un site donné d'interdire l'activité d'autres pays sur le même site. Début 2026, 61 pays avaient signé un accord bilatéral avec les États-Unis, dont les pays européens mais également des BRICS comme l'Inde et le Brésil. Parmi les pays les plus développés, seules la Chine et la Russie se sont explicitement opposés à cet accord. La portée de ces accords reste toutefois limitée dans la mesure où ils n'ont pas de valeur juridique. Par ailleurs l'exploitation des ressources spatiales relève peut-être pour longtemps encore de l'utopie^[86],[87].

Astronautes américains

Les membres américains des équipages des premières missions du programme Artemis sont sélectionnés dans le corps des astronautes de la NASA, qui comprend 48 membres (dont 17 femmes) depuis l'intégration au début de 2020 de la promotion 22 (les Turtles, ou « tortues »). Les astronautes de cette promotion comprennent 7 femmes et 6 hommes, 6 civils et 7 militaires^[88]. Fin 2020, les 18 astronautes américains (9 hommes et 9 femmes) qui doivent participer au programme Artemis sont désignés. Huit d'entre eux font partie de la dernière promotion^{[89],[90],[91],[92]}. Cependant, la NASA annonce en août 2022 que tous ses astronautes, et non pas juste ces 18, seront éligibles^{[93],[94][réf. non conforme]}.

L'administrateur de la NASA, Jim Bridenstine, indique en juillet 2019 que le premier équipage à débarquer sur la Lune comprendrait une femme ayant déjà l'expérience d'une mission spatiale, c'est-à-dire ayant fait partie de l'équipage de la Station spatiale internationale^[24]. La sélection des équipages des missions Artemis devrait être effectuée au moins deux ans avant leur lancement.

Astronautes des autres nations

Les astronautes des pays ayant contribué au programme Artemis — principalement le Japon, le Canada et l'Europe — participeront à ses missions. Comme pour la Station spatiale internationale, le nombre d'astronautes invités découlera du montant de la contribution de leur pays. L'Europe est le premier contributeur dans la mesure où il fournit les modules de service des six premiers vaisseaux Orion ainsi que les modules I-Hab et ESPRIT de la station lunaire Gateway, s'est vu attribué trois places, la première . Mais les quatre premiers modules de service Orion ont servi à financer la participation à des missions à bord de la Station spatiale internationale. Les autres fournitures permettent à l'Europe de disposer de trois sièges à bord de missions Artemis. Le premier astronaute européen devrait faire partie de la mission Artemis IV prévue en 2028, mais il devrait rester en orbite contrairement à ses collègues^[95]. En novembre 2025, le directeur général de l'Agence spatiale européenne, Josef Aschbacher, annonce que les premiers Européens à participer aux missions lunaires seraient des astronautes allemand, français et italien, et que, en particulier, le premier vol sera attribué à un astronaute allemand^[96].

En échange du développement d'un astromobile (rover) pressurisé Lunar Cruiser destiné à circuler à la surface de la Lune à compter de 2031, la NASA a attribué deux places aux astronautes japonais. Le premier non américain à fouler le sol de la Lune sera ainsi un japonais^[97]. De son côté le Canada reçoit en échange de sa contribution à la station lunaire Gateway, deux places pour ses astronautes : une à bord d'Artemis II (Jeremy Hansen ), le premier vol habité du vaisseau spatial Orion, et une vers la station lunaire Gateway à une date ultérieure non précisée^[98],[99].

Objectifs scientifiques

Le programme Artemis doit contribuer à remplir les objectifs scientifiques assignés par le rapport décennal sur les sciences planétaires produit par le Conseil national de la recherche des États-Unis. Les principaux thèmes du rapport traités par le programme Artemis sont la compréhension des processus planétaires et du cycle des matériaux volatils, la reconstitution de l'histoire de l'impact à l'origine de la formation du système Terre-Lune, la recherche d'éléments fournissant des informations sur le Soleil à ses origines, l'observation de l'univers depuis la Lune, la réalisation d'expériences dans l'environnement lunaire et la recherche de méthodes et d'équipements permettant de réduire les risques courus par les équipages des missions d'exploration planétaire^[100].

Pour remplir ces objectifs la stratégie développée par la NASA dans le cadre du programme Artemis comprend^[100] :

• la mise en place d'une logistique, confiée à des sociétés commerciales, permettant de livrer de manière continue à la surface de la Lune des équipements techniques et scientifiques ;
• le développement de moyens de transport permettant de faciliter et d'étendre les investigations scientifiques à la surface de la Lune ;
• la mise en place de partenariats internationaux pour accroitre les opportunités (en particulier pour les instruments et les rovers) ;
• l'utilisation de nano-satellites pour obtenir de nouvelles données scientifiques depuis l'orbite lunaire.

Les astronautes à la surface de la Lune seront chargés de mener des expériences scientifiques :

• étude de la géologie lunaire ;
• collecte d'échantillons de sol qui seront ramenés sur Terre ;
• installation d'instruments chargés de collecter des données sur les caractéristiques de la surface et de la couche de sol superficielle : interférences électromagnétiques, particules chargées, particules neutres ;
• exploration des zones froides de la Lune (terrains perpétuellement à l'ombre) ;
• exploration de la face cachée de la Lune.

Destination : le pôle Sud de la Lune

Le site d'atterrissage des missions sera situé près du pôle Sud lunaire, car cette région présente un intérêt scientifique important. Mais l'intérêt principal de cette région est qu'elle recèle des stocks d'eau qui peuvent être exploités pour faciliter les séjours prolongés en augmentant l'autonomie des équipages (eau, oxygène)^[21] et que par ailleurs le Soleil restant en permanence proche de l'horizon, certains sites situés sur des reliefs sont éclairés en permanence permettent durant la longue nuit lunaire (14 jours) de continuer à produire de l'énergie et d'éviter les chutes de température extrêmes. Toutefois cette position présente également certains inconvénients : la Terre comme le Soleil étant très bas sur l'horizon au niveau du pôle Sud, les communications avec la Terre devront être relayées par la station spatiale lunaire.

Pour la mission Artemis III, la NASA a sélectionné en août 2022 13 sites d'atterrissage potentiels, tous situés à moins de six degrés de latitude du pôle sud. Les sites ont été choisis par une équipe de scientifiques de l'agence spatiale en utilisant notamment les données collectées par la sonde spatiale Lunar Reconnaissance Orbiter. Les sites retenus prennent en compte les contraintes d'atterrissage du module lunaire Starship HLS^[101].

Objectifs techniques

La présence continue d'astronautes à la surface de la Lune doit permettre de développer et tester de nouvelles approches, technologies et systèmes qui pourront être utilisés dans des environnements plus difficiles. Les investissements effectués doivent permettre d'abaisser le coût de l'exploration de l'espace profond et permettre de lancer des missions avec équipage vers Mars. Les domaines de recherche présentés comme prioritaires sont^[102] :

• l'utilisation des ressources in situ : collecte, traitement, stockage et utilisation de matériaux disponibles à la surface de la Lune et d'autres corps planétaires ;
• production d'énergie à la surface de la Lune permettant de disposer en permanence d'énergie de jour comme de nuit ;
• technologies permettant de diminuer l'impact de la poussière lunaire sur les équipements déployés à la surface de la Lune : caméras, panneaux solaires, combinaisons spatiales et instruments scientifiques ;
• technologies permettant à des robots et à des humains de se déplacer de manière efficace, de s'orienter et d'accéder à des emplacements en surface ou sous la surface inaccessibles jusque là ;
• technologies permettant de fabriquer de manière automatique des matériaux et de construire des installations.

Lanceur lourd SLS

Le lanceur lourd Space Launch System bloc 1, développé principalement par Boeing, permet de placer 26 tonnes en orbite lunaire. Il est chargé de lancer le vaisseau Orion avec l'équipage à bord. Huit des 37 lancements prévus d'ici 2028 pour le programme Artemis sont pris en charge par ce lanceur. Son premier vol a eu lieu avec succès le 16 novembre 2022. La version bloc 1 comprend un premier étage dérivé du réservoir externe de la navette spatiale américaine et propulsé par quatre moteurs-fusées RS-25E version dérivée de moteurs de la navette spatiale. Au décollage la poussée est principalement fournie par deux propulseurs d'appoint à propergol solide à cinq segments, directement dérivés des Solid Rocket Boosters (SRB) de la navette spatiale, qui n'avaient eux que quatre segments. Le deuxième étage ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage) est dérivé du second étage du lanceur Delta IV, est propulsé par un unique moteur-fusée à ergols liquides RL-10B2, brûlant un mélange d'hydrogène liquide et d'oxygène liquide.

Vaisseau Orion

Le vaisseau spatial Orion est chargé de transporter l'équipage entre la Terre et la station spatiale lunaire à l'aller comme au retour. Contrairement aux vaisseaux américains développés récemment, il dispose de la capacité à aller au-delà de l'orbite terrestre basse : bouclier thermique permettant de résister à une vitesse de rentrée atmosphérique de 11 km/s, capacité de manœuvre importante, protection thermique adaptée au trajet interplanétaire, habitacle permettant un séjour long de l'équipage, etc. Il reprend l'architecture du vaisseau Apollo avec un module de commande en forme de cône contenant l'habitacle dans lequel séjourne l'équipage et un module de service dans lequel est rassemblé tout ce qui n'est pas nécessaire au retour sur Terre. Ce dernier module est largué avant la rentrée atmosphérique. L'ensemble a une masse de 26 tonnes dont 15,5 tonnes pour le module de service. Contrairement au vaisseau Apollo, il utilise des panneaux solaires pour la fourniture d'énergie. Il dispose d'un système d'amarrage similaire à celui de la navette spatiale américaine. Il dispose d'une quantité d'ergols nettement inférieure à celle d'Apollo ce qui ne lui permet pas de se placer sur une orbite lunaire basse comme le vaisseau Apollo (delta-V de 1 340 m/s contre 2 800 m/s) (il s'amarre à la station spatiale lunaire qui est placée sur une orbite haute qui permet d'économiser un delta-V d'environ 1 500 m/s). Le vaisseau Orion est conçu pour se poser sur l'eau à son retour sur Terre. Il peut emporter quatre personnes pour une mission d'une durée de trois semaines^[103].

Station spatiale lunaire

La station spatiale lunaire Lunar Gateway sert de relais entre la Terre et la surface de la Lune. Elle ne constitue pas un élément obligatoire pour les premières missions vers le sol lunaire : dans le cahier des charges du vaisseau lunaire HLS, un rendez-vous en orbite lunaire entre le vaisseau Orion et le HLS est une possibilité pour laquelle le candidat peut opter. En revanche, pour les missions dites durables à compter de 2026, la station lunaire devient obligatoire, notamment pour permettre la réutilisation de tout ou partie du vaisseau lunaire^[20]. Pour les premières missions du programme Artemis, la priorité est donnée aux deux modules nécessaires pour les missions qui doivent se dérouler sur le sol lunaire :

• le module PPE (Power and Propulsion Element) produit l'énergie de la station et dispose d'un système propulsif principal utilisant des moteurs ioniques. Les panneaux solaires dont il est équipé fournissent 50 kW. Le module dispose également de systèmes de télécommunications permettant d'assurer la liaison avec la Terre d'une part et la surface de la Lune d'autre part. La construction de ce module a été confiée en mai 2019 à la société Maxar Technologies (autrefois SSL) pour un montant de 375 millions de dollars. Le module doit être mis à disposition pour un lancement fin 2022^[28] ;
• le module d'habitation HALO (Habitation and Logistics Outpost), également baptisé MHM (Minimal Habitation Module), est développé par la société Northrop Grumman. Il s'inspire du cargo spatial Cygnus. De forme cylindrique, il comporte deux ports d'amarrage radiaux pour permettre l'amarrage du vaisseau Orion et des cargos chargés du ravitaillement, et deux autres ports d'amarrage dans l'axe pour se fixer aux autres modules de la station spatiale. Le module pressurisé dispose d'un système de communications, d'un système de support de vie permettant à un équipage de quatre personnes de vivre durant 30 jours dans le volume fourni par ce module et le vaisseau Orion. Le module HALO doit être fourni par Northrop Grumman de manière à permettre son lancement fin 2023^[30].

La station spatiale est placée sur une orbite autour de la Lune dite NRHO (Near Rectilinear Halo Orbit). C'est une orbite de halo dont la période orbitale est de 6,5 jours, le périlune (le point le plus proche de la Lune) est de 3 366 km et l'apolune de 70 000 km. Cette orbite est sélectionnée parce qu'elle présente plusieurs avantages^[104],[105] :

• elle permet à la station spatiale d'être en permanence visible de la Terre, c'est-à-dire que celle-ci n'est jamais masquée par la Lune. Les liaisons radio ne sont donc jamais interrompues ;
• il n'y a aucune éclipse du Soleil par la Terre. Celles-ci sont les plus gênantes car elles peuvent atteindre une durée de 2,6 heures (éclipse totale), ce qui dépasse les capacités des batteries du vaisseau Orion et de la station spatiale lunaire (les batteries doivent prendre le relais des panneaux solaires durant les éclipses) ;
• elle comporte quelques éclipses du Soleil par la Lune chaque année mais leur durée n'excède pas 80 minutes ;
• elle est instable, mais elle ne nécessite que de petites corrections : la correction de vitesse nécessaire pour la maintenance de l'orbite est de 1,86 mm/s par orbite. Cette valeur ne prend pas en compte les perturbations diverses que subit tout engin spatial dans l'espace, quelle que soit sa trajectoire, en particulier la pression solaire.

• Station spatiale lunaire
• 
  La station spatiale lunaire sera en 2024 limitée à deux modules : le module d'habitation HALO (2 sur le schéma) et le module qui fournit l'énergie et la propulsion PPE (4). Sur le schéma sont amarrés les autres vaisseaux impliqués dans les premières missions Artemis : un vaisseau de ravitaillement (3), le vaisseau Orion (1) et le vaisseau lunaire (5), qui doit déposer l'équipage sur le sol.
• 
  La station spatiale lunaire est positionnée sur une orbite NRHO. Ce schéma montre les orbites NRHO L1 et L2 nord et sud. L'orbite retenue est une L2 sud.

Vaisseau lunaire

Le vaisseau lunaire HLS (Human Landing System) a pour rôle de déposer deux astronautes sur le sol lunaire dans la première phase du projet Artemis. À la surface il sert d'habitat durant la mission d'une durée initiale d'environ une semaine puis il ramène l'équipage en orbite lunaire où celui-ci est transféré dans le vaisseau Orion qui le ramène sur la Terre.

Astromobile LTV

Le Lunar Terrain Vehicle (LTV) est un astromobile non pressurisé qui sera utilisé pour explorer la surface lunaire et pourra embarquer deux astronautes équipé avec leur combinaison spatiale ainsi que 250 kilogrammes d'instruments et d'équipements pour des déplacements de courte durée. Il pourra fonctionner sans équipage à bord (télécommandé depuis la Terre ou la Lune). Il présente des fonctionnalités mixant celles du rover lunaire Apollo (emport de l'équipage) et celles des engins de type robot comme Curiosity (emport d'instruments scientifiques actifs et d'un bras manipulateur télécommandé). Il sera capable de fonctionner de manière continue durant 8 heures, de réaliser des expéditions de 20 kilomètres et de survivre aux nuits lunaires. La NASA a décidé de sous-traiter complètement la conception et la réalisation de ce véhicule et son transport jusqu'à la surface de la Lune. Le constructeur doit être sélectionné durant l'été 2023. L'engin devra être livré sur le sol lunaire en aout 2028 pour pouvoir être utilisé par l'équipage de la mission Artemis V^[109].

Habitat lunaire

Le Lunar Surface Habitat (LSH) est un habitat partiellement gonflable de 12 tonnes qui permettra d'accueillir de deux à quatre astronautes dans un volume habitable de 175 m³ durant 30 à 60 jours. L'habitat de surface LSH doit permettre aux astronautes de séjourner durant de longues périodes (un à deux mois) à la surface de la Lune. Il doit être conçu, contrairement au module lunaire Apollo, pour survivre à la longue nuit lunaire (éclipse de plus de 100 heures), durant laquelle la température chute de manière importante et la source d'énergie fournie par le Soleil n'est plus disponible. Positionné au pôle sud il doit être également prendre en compte un éclairage systématiquement rasant. Il remplit les fonctions suivantes : Lieu de séjour, centre de télécommunications, atelier de réparations des équipements utilisés durant les sorties extravéhiculaires, recyclage des déchets et consommables, lieu de stockage ^[110]. Selon le planning en vigueur en novembre 2022, l'agence spatiale prévoit son lancement par la mission Artemis VIII en 2031^[46].

Astromobile pressurisé

Pour les déplacements sur de longues distance à la surface de la Lune, les astronautes disposeront à compter de 2031 d'un véhicule disposant d'un habitacle pressurisé sorte de camping-car lunaire. Le Lunar Cruiser est un engin pouvant accueillir un équipage de deux astronautes durant des déplacements d'une durée maximale de 28 jours. D'une masse de 15 tonnes et long de 6 mètres pour une largeur de 5,2 mètres et une hauteur de 3,8 mètres, il peut se déplacer à une vitesse maximale de 15 km/h. L'énergie est fournie par des paneaux solaires. Ne disposant pas de sas, les sorties extravéhiculaires s'effectuent en dépressurisant la cabine. Cet astromobile est fourni par le Japon et développé conjointement par la société Toyota et l'agence spatiale JAXA^{[111],[112],[113]}.

Production d'énergie

L'énergie nécessaire à la base lunaire installée à la surface de la Lune doit être fournie en premier lieu par des panneaux solaires. Pour pouvoir produire suffisamment d'énergie durant les longues nuits lunaires (leur durée dépend de la localisation de la base lunaire et peut atteindre 14 jours terriens), la NASA envisage le recours à une centrale nucléaire à fission capable de fournir environ 40 kW. L'agence a mis au point et testé sur Terre un réacteur de ce type dans le cadre du projet Kilopower, qui s'est achevé en 2018. Le réacteur KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology), fournissant un kilowatt de puissance, comprend un cœur constitué d'uranium 235, de la taille d'un rouleau de papier essuie-tout. La chaleur produite est transférée par un caloduc utilisant du sodium fondu circulant de manière passive (sans pompe) à des moteurs Stirling chargés de la convertir en électricité^[114],[115]. Pour développer un système opérationnel, la NASA et le département de l'Énergie des États-Unis ont sélectionné en juin 2022 trois sociétés. Chacune a reçu 5 millions de dollars pour détailler en 12 mois son projet de centrale nucléaire. Ces sociétés sont l'établissement de Lockheed Martin situé à Bethesda (Maryland), la coentreprise IX réunissant Intuitive Machine et X-Energy implantée à Houston (Texas), l'établissement de Westinghouse situé à Cranberry Township (Pennsylvanie)^[116].

• Prototype et vue d'artiste d'une centrale nucléaire à la surface de la Lune
• 
  Le réacteur KRUSTY du projet expérimental Kilopower destiné à tester la production d'énergie à la surface de la Lune par un réacteur à fission.
• 
  Une centrale à fission inspiré du projet Kilopower à la surface de la Lune (vue d'artiste).

Equipements permettant l'utilisation des ressources locales

L'utilisation des ressources in situ (locales) fait partie des objectifs principaux des missions Artemis. La NASA prévoit des missions de longue durée qui pourraient s'appuyer pour leurs consommables sur les ressources présentes à la surface de la Lune afin de réduire le coût de leur transport depuis la Terre. La glace d'eau des régions polaires peut fournir à la fois l'eau consommée par les astronautes, l'oxygène qu'ils respirent et un des ergols de la propulsion des engins spatiaux qui doivent redécoller depuis la surface lunaire. Le choix de sites d'atterrissage près du pôle sud pour les missions Artemis a été principalement déterminé par la proximité de cette ressource essentielle. Le régolithe lunaire peut lui-même fournir des briques permettant la construction d'habitats. Par ailleurs l'utilisation des ressources locales est encore plus critique pour les missions avec équipage à destination de Mars car les coûts de transport vers cette destination sont doublés. Les missions lunaires doivent permettre de mettre au point les processus d'exploitation des ressources qui sont complexes dans cet environnement à la fois hostile pour les mécanismes et éloignés de tout centre de maintenance. Dans une première étape plusieurs missions robotiques doivent être lancées dans le cadre du programme Artemis pour évaluer les ressources lunaires. C'est le cas en particulier de l'astromobile VIPER^[117].

Combinaisons spatiales

Les équipages des missions Artemis utilisent deux types de combinaison spatiale : une combinaison spatiale lourde, l'AxEMU, pour les sorties extravéhiculaires dans le vide (principalement à la surface de la Lune) et une combinaison plus légère, l'OCSS, utilisée à l'intérieur des vaisseaux durant les phases critiques d'un vol (décollage, atterrissage, rentrée atmosphérique) pour faire face à une éventuelle dépressurisation de l'habitacle.

La combinaison spatiale AxEMU (Exploration Extravehicular Mobility Unit) est portée par les astronautes durant leurs sorties extravéhiculaires à la surface de la Lune. De nombreuses améliorations ont été apportées par rapport aux combinaisons spatiales portées par les équipages de la Station spatiale internationale lors de leurs sorties dans l'espace et aux combinaisons des astronautes du programme Apollo. La combinaison est mieux protégée contre la contamination corrosive de la poussière lunaire. La miniaturisation de l'électronique a permis de dupliquer la plupart des systèmes vitaux ce qui permet de réduire les risques et d'envisager des sorties de plus longue durée. Elle est capable de résister à des températures extrêmes comprises entre −250 °C et +250 °C. L'xEMU permet une meilleure agilité grâce à des articulations repensées qui limitent également les efforts fournis par l'astronaute. Le nouveau système micro/écouteurs, amélioré pour une meilleure qualité audio, permet de supprimer l'inconfortable casquette snoopy. Les astronautes enfilent la combinaison spatiale en rentrant par une porte située à l'arrière de celle-ci reprenant le dispositif des combinaisons russes Orlan^[118].

La combinaison spatiale OCSS (Orion Crew Survival System) est portée par les astronautes dans le vaisseau Orion durant le décollage et la phase de rentrée atmosphérique. Étanche (elle comporte un casque), elle permet de survivre en cas de décompression accidentelle et est traditionnellement de couleur orange pour faciliter le repérage des astronautes après leur amerrissage à la suite de leur retour sur Terre. Ses caractéristiques sont proches de celles des combinaisons spatiales utilisées pour les missions vers la station spatiale internationale. Mais contrairement à celles-ci chaque combinaison spatiale est taillée aux dimensions exactes de son porteur. Les zones de frottement ont été retravaillées, les gants permettent un meilleur toucher et les bottes fournissent une meilleure protection contre le feu tout en étant plus confortable^[119].

Installations au sol

L'EGS (Exploration Ground Systems) regroupe l'ensemble des installations nécessaires pour effectuer l'assemblage final et le lancement des fusées (SLS et lanceurs commerciaux) qui emporteront les différents vaisseaux et équipements vers la Lune. À cet effet les installations du complexe de lancement 39 au centre spatial Kennedy en Floride sont adaptées et remises en état. Cela concerne le pas de tir 39B d'où doit décoller le lanceur SLS^[120], le bâtiment d'assemblage VAB^[121], la plateforme de lancement mobile et le crawler chargé de la transporter.

Le réseau d'antennes paraboliques de 36 mètres de diamètre du Deep Space Network chargé de communiquer avec les vaisseaux dans l'espace lointain et avec les équipages à la surface de la Lune est mis à niveau. Les équipements des antennes de Goldstone, Canberra et Madrid (deux antennes sur chaque site) sont mis à jour de manière à permettre un débit de 100 mégabits par seconde en liaison descendante et 20 Mb/s en liaison montante. Un nouveau réseau d'antennes paraboliques de 18 mètres de diamètre, le LGS (Lunar Ground Stations) est créé pour les communications avec les missions lunaires. Un ensemble de protocoles, interfaces et standards de communications, le LunaNet, est défini pour faciliter les échanges entre les robots, les équipages et les équipements dans l'environnement lunaire^[122].

Rôle des lanceurs commerciaux

Pour optimiser les coûts et les délais, la NASA fait appel aux lanceurs commerciaux d'une part pour positionner les différents composants — modules de la station spatiale lunaire et du vaisseau lunaire HLS — d'autre part pour assurer le ravitaillement de la station spatiale lunaire Lunar Orbital Platform-Gateway en consommables (ergols, eau, oxygène). Sur les 37 lancements programmés entre 1999 et 2028, 29 doivent être pris en charge par des lanceurs commerciaux, les huit autres l'étant par le lanceur géant SLS. Les modalités des contrats qui seront passés avec les fournisseurs de cette prestation, sont similaires à celles du programme COTS de ravitaillement de la Station spatiale internationale. Selon l'architecture de mission la plus probable les trois modules du vaisseau lunaire (il pourrait n'y en avoir que deux mais cela mettrait hors jeu les vaisseaux commerciaux pour l'un des deux modules) dont la masse totale atteint une quarantaine de tonnes seront expédiés séparément pour tenir compte des capacités limitées des lanceurs. Pour les missions de ravitaillement, selon le cahier des charges établi par la NASA au cours de l'été 2019, le fournisseur devra mettre à disposition un cargo spatial pouvant s'amarrer à la station spatiale lunaire, générer sa propre énergie et rester amarré durant un an^[123].

Programme CLPS

L'agence spatiale a décidé de confier le développement des atterrisseurs chargés de déposer ces équipements scientifiques sur la Lune, à l'industrie privée. Le programme Commercial Lunar Payload Services (CLPS) fonctionne de manière analogue au programme COTS consacré au ravitaillement de la Station spatiale internationale. Elles devront effectuer un premier vol d'ici 2020 et 2021. Les engins développés doivent pouvoir disposer au minimum 40 à 100 kg à la surface de la Lune^[29],[124].

Trois atterrisseurs lunaires ont été sélectionnés en 2019 et en 2020 pour placer 23 charges utiles technologiques ou scientifiques sur le sol lunaire : Peregrine de la société Astrobotic Technology, Nova-C de Intuitive Machines et XL-1 de Masten Space Systems devraient effectuer un premier vol entre 2021 et 2022^[29],[125].

Astromobile VIPER

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 les carottes de sol. La dépose du rover de 250 kg sur le sol lunaire doit être confiée au programme Commercial Lunar Payload Services^{[126],[127],[32]}.

Mission polaire courte

Les premières missions atterriront près du pôle sud de la Lune. Deux astronautes installés à bord du vaisseau lunaire séjourneront durant environ six jours.

Le déroulement de ce type de mission comprend les étapes suivantes^[128].

• Le vaisseau lunaire (Starship HLS ou Blue Moon) est placé sur une orbite basse par son lanceur.
• Pour pouvoir descendre sur le sol lunaire puis remonter en orbite à la fin de la mission, il doit refaire le plein de ses réservoirs. À cet effet, il est rejoint par un ou des vaisseau(x) ravitailleur(s) qui nécessitent eux-mêmes plusieurs tirs d'un lanceur lourd. Selon le vaisseau lunaire, l'opération de ravitaillement est réalisée en orbite terrestre ou lunaire.
• Le vaisseau lunaire utilise sa propulsion pour se placer sur la même orbite lunaire que la station spatiale Deep Space Gateway.
• Le vaisseau lunaire s'amarre à la station spatiale Deep Space Gateway. Un processus de vérification des systèmes est lancé pour s'assurer que ceux-ci sont opérationnels.
• Lorsque ces vérifications ont été effectuées l'équipage de la mission est lancé à bord d'un vaisseau Orion par le lanceur lourd SLS. Le vaisseau Orion vient s'amarrer à la station spatiale lunaire et l'équipage débarque dans celle-ci. Avec le vaisseau lunaire le lanceur lourd SLS peut également avoir lancé un nouveau composant (module) ou des équipements destinés à la station spatiale. La mise en place de ces composants et/ou ces équipements peut immobiliser l'équipage dans la station spatiale jusqu'à une dizaine de jours (1,5 orbite).
• Deux des quatre astronautes embarquent à bord du vaisseau lunaire ainsi que les différents équipements requis pas la mission dont les combinaisons spatiales utilisées lors des sorties extravéhiculaires.
• Le vaisseau lunaire descend à la surface de la Lune. Il est prévu que ce type de mission dure environ six jours. Avec les phases de descente et de remontée du sol lunaire, le vaisseau doit fonctionner en autonomie durant huit jours.
• Durant le séjour à la surface de la Lune l'équipage effectue jusqu'à quatre sorties extravéhiculaires (le nombre de sorties dépendra des objectifs de la mission) d'une durée maximale de 8 heures. Une sortie supplémentaire peut être effectuée pour répondre à un besoin non planifié.
• À l'issue de la mission, le vaisseau lunaire décolle du sol lunaire et vient s'amarrer à la station spatiale. L'équipage et les échantillons lunaires sont transférés dans le vaisseau Orion qui reprend le chemin de la Terre. Si le vaisseau lunaire doit être réutilisé lors d'une mission suivante, il reste amarré à la station spatiale sinon il est largué après le départ du vaisseau Orion et son orbite est abaissé pour qu'il aille s'écraser sur le sol lunaire en respectant les règles de protection planétaire.

Mission longue avec séjour à bord d'un module d'habitation

Des missions plus longues (séjour sur la Lune de 33 jours) se déroulent également dans la région du pôle sud et comprenant l'utilisation d'un module d'habitation sont prévus dans un deuxième temps. Le déroulement de ce type de mission (codifiée DRM-H-002 par la NASA) diffère de la manière suivante du type de mission précédent^[128] :

• Un module d'habitation et éventuellement d'autres équipements sont pré-positionnés à la surface de la Lune. Leur fonctionnement est vérifié à distance préalablement à tout nouveau lancement.
• L'équipage qui descend à la surface de la Lune comprend jusqu'à quatre astronautes.
• Le vaisseau lunaire se pose à faible distance des modules et équipements pré-positionnés pour la mission.
• L'équipage ne séjourne que brièvement à bord du vaisseau lunaire immédiatement après l'atterrissage et avant le décollage. Il est prévu qu'il y séjourne en tout au maximum cinq jours en tout lorsque le vaisseau est à la surface de la Lune.
• L'équipage quitte le vaisseau lunaire avec tous les équipements nécessaires transportés dans le vaisseau lunaire et vient s'installer dans le module d'habitation pour y vivre et y travailler.
• Durant le séjour de l'équipage à bord du module d'habitation, le module lunaire reste prêt à décoller pour faire face à une urgence mais son fonctionnement peut être optimisé de manière à réduire l'utilisation des consommables.

Mission courte aux latitudes moyennes

Les missions à destination des latitudes moyennes sont une variante des missions polaires courtes. Le site d'atterrissage peut se situer dans une large plage de latitudes moyennes éventuellement sur la face cachée de la Lune. Aussi le vaisseau lunaire doit pouvoir supporter un large spectre de contraintes thermiques et d'incidence du rayonnement solaire. Le séjour à la surface de la lune peut durer de 2,3 à 6 jours dont un maximum de 40 heures d'obscurité. L'équipage qui est limité à deux astronautes peut effectuer jusqu'à quatre sorties extra-véhiculaires. Une sortie supplémentaire peut être effectuée pour répondre à un besoin non planifié^[128]

Missions de la phase 1 : d'Artemis I à Artemis III (2021-2027)

Les missions de la phase I du programme Artemis (2021-2024) ont pour objectif de tenir l'échéance fixée par le président Trump. Il s'agit, après avoir validé en vol le fonctionnement du lanceur SLS et du vaisseau Orion de déposer à l'aide du module lunaire HLS un premier équipage sur le sol lunaire en 2024 (mission Artemis III). Le déroulement des trois missions Artemis de cette phase n'exploite pas la station spatiale Gateway mais il est néanmoins prévu de lancer durant cette période les modules de propulsion PPE et d'habitation HALO de la station.

Artemis IV : première mission sur le sol lunaire (2028)

Article détaillé : Artemis IV.

La mission Artemis IV est la première à amener un équipage sur le sol lunaire. Selon le scénario défini par la NASA, sa durée totale est de 25 à 34 jours dont six jours et demi à la surface de la Lune. L'équipage est composé de quatre personnes dont deux (un équipage mixte) doivent descendre sur le sol lunaire. Le déroulement de cette première mission sur le sol lunaire est le suivant^[20],[133] :

• pour cette première mission, afin de respecter l'échéance fixée, la station spatiale lunaire Gateway n'est pas utilisée ;
• le vaisseau lunaire Starship HLS est placé sur une orbite terrestre basse par le premier étage réutilisable de la fusée Starship (Starship Heavy) avant le lancement de l'équipage pour permettre un pré-positionnement. Il est ravitaillé en ergols par plusieurs Starship Tanker placés chacun en orbite par un étage Starship Heavy. Des programmes de diagnostic sont lancés à distance ;
• si le diagnostic est positif, le lanceur SLS Bloc 1 décolle en emportant le vaisseau Orion avec son équipage de quatre astronautes ;
• le vaisseau lunaire HLS et le vaisseau Orion se propulsent vers la Lune et s'insèrent en orbite lunaire ;
• le vaisseau Orion réalise une manœuvre de rendez-vous avec le vaisseau lunaire Starship HLS auquel il s'amarre ;
• deux des astronautes (dont au moins une femme) embarquent à bord du vaisseau lunaire HLS et entament la descente vers le sol lunaire ;
• la descente se décompose en cinq phases : le transfert de l'orbite NRHO à une orbite basse circulaire de 100 km (durée 12 heures), l'abaissement du périlune, la phase de freinage consistant à annuler pratiquement la vitesse horizontale, la phase d'approche permettant de positionner le vaisseau au-dessus du site d'atterrissage et la descente verticale finale une fois le vaisseau au-dessus de la zone d'atterrissage ;
• le vaisseau lunaire se pose verticalement sur un site du pôle sud qui reste à définir en aout 2022. Il génère de manière continue de l'énergie avec ses panneaux solaires. Les astronautes pourraient disposer d'un astromobile non pressurisé analogue à celui du programme Apollo. Le séjour à la surface de la Lune doit durer six jours et demi soit trois jours de plus que la dernière mission Apollo. Au moins deux sorties extra-véhiculaires d'une durée minimale de quatre heures sont réalisées. Le cahier des charges de l'atterrisseur limite à 26 kg la quantité de roches lunaires que pourront ramener les astronautes^[134] ;
• à la fin de son séjour l'équipage redécolle de la surface ;
• une fois sur une orbite lunaire basse, le vaisseau lunaire est manœuvré de manière à réussir un rendez-vous spatial avec le vaisseau Orion ;
• son équipage réintègre alors le vaisseau Orion qui est resté amarré à la station spatiale durant leur séjour sur la Lune et retrouve les deux coéquipiers restés en orbite ;
• le vaisseau Orion quitte la station spatiale avec à son bord l'équipage complet, le résultat de la collecte des échantillons lunaires et certaines expériences scientifiques ;
• de retour sur Terre, il amerrit dans l'océan et est recueilli avec son équipage par des navires pré-positionnés.

Missions de la phase 2 : vers des installations permanentes sur la Lune (2028-)

L'objectif final du programme Artemis est de créer une installation permanente dans la région du pôle sud permettant à des équipages d'effectuer des séjours de longue durée consacrés à la mise au point des technologies nécessaires pour l'exploration des planètes par des êtres humains (préparation de missions à la surface de Mars) et l'étude scientifique de la Lune. Les missions de la phase II du programme Artemis doivent permettre de roder les procédures à la surface d'une planète en s'appuyant sur une station spatiale lunaire Gateway aux capacités accrues et un camp de base établi à la surface de la Lune de manière permanente et occupé à intervalles réguliers. Ce dernier doit comprendre un module d'habitation, un système de production d'énergie, des équipements permettant d'exploiter les ressources in situ (eau, oxygène, matériaux de construction) et deux types d'astromobile (pressurisé et non pressurisé) et des véhicules permettant aux astronautes d'explorer la région^[135].

Une nouvelle version du lanceur plus puissante sera utilisée (SLS block 1B) ce qui permettra d'utiliser le même lanceur pour lancer le vaisseau Orion et un autre équipement. Les astronautes disposeront d'un vaisseau lunaire HLS aux capacités accrues qui pourra déposer au sol jusqu'à quatre personnes. Un vaisseau lunaire fourni par un autre constructeur sera également testé. L'habitat pourra supporter une nuit lunaire partielle ou même complète (objectif). Les équipements mis à leur disposition sont pré-positionnés par des missions robotiques. La station spatiale sera progressivement étoffée avec de nouveaux modules (sas, habitat…). Le déroulement des missions, tel que défini fin 2022, est le suivant^[46],[136] :

• chaque lancement annuel d'un équipage comprend le lancement d'un cargo spatial de ravitaillement SpaceX Dragon XL (à compter de 2028), du vaisseau Orion par la fusée SLS avec un module de la station spatiale lunaire et d'un vaisseau lunaire HLS chargé de déposer à la surface de la Lune l'équipage et du matériel ;
• envoi à la surface de la Lune d'un astromobile non pressurisé (Lunar Terrain Vehicle ou LTV) permettant à deux astronautes de se déplacer et d'étendre leur rayon d'action (2030). Une version ultérieure sans pilote pourrait être développée par la suite pour déplacer des marchandises ou explorer la surface de la Lune ;
• extension progressive de la station spatiale lunaire Lunar Gateway avec les modules d'habitation i-Hab (2027), le module télécoms/stockage d'ergols ESPRIT (2030), un sas (2031) ;
• envoi à la surface de la Lune d'un astromobile pressurisé (2032) permettant d'étendre le rayon d'exploration des astronautes à plusieurs dizaines de kilomètres. Divers équipements permettent d'allonger la durée des séjours de 7 à 30-45 jours : module d'habitation, système de production d'énergie, équipements ISRU permettant d'utiliser les ressources lunaires ;
• envoi à la surface de la Lune d'un module logistique et d'un habitat (Lunar Surface Habitat ou LSH). Le LSH sera un module gonflable de 12 tonnes pouvant accueillir de deux à quatre astronautes durant 30 à 60 jours. Le module offrira un volume habitable de 175 m³. 15 kilowatts électriques seront générés durant la journée lunaire et 2 kilowatts de nuit. Le module comportera des équipements permettant de recycler plus de 95 % de l'urine. Il disposera d'un sas et de réservoir d'oxygène pour les sorties à la surface de la Lune. Ce module sera lancé dans le cadre d'Artemis VIII (2033). Pour alimenter en énergie cette base la NASA prévoit de déployer des panneaux solaires ainsi qu'un réacteur nucléaire en 2028/2029.