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Alors que l’atterrisseur Insight terminait de déployer la sonde thermique HP³ à la surface de la planète rouge, la NASA annonçait la fin officielle de la mission Mars Exploration Rover. Cette dernière, lancée il y a plus de 15 ans comportait deux rovers : Spirit et Opportunity. C’est ce second qui, après de longues années de loyaux services et de longs kilomètres parcourus, a rendu l’âme. Revenons un instant sur cette incroyable mission qui nous a permis de grandement améliorer notre connaissance de la planète rouge et notamment de sa géologie.

Histoire

L’exploration américaine du sol de Mars commence dans les années 1970 avec le tout premier atterrisseur : Viking 1 qui se pose en 1976. Seize ans après, la NASA lance sa sonde la plus chère pour un coût de 813 millions de dollars de l’époque : Mars Observer. Celle-ci devait se mettre en orbite afin d’étudier la surface, le champ magnétique et l’atmosphère de la planète. « Devait » car tout ne s’est pas passé comme prévu : Le signal est perdu peu avant l’insertion en orbite de Mars, sûrement à cause d’une fuite déclenchée par le mélange involontaire des ergols hypergoliques. Après cet échec, la NASA lance son programme Discovery qui regroupera notamment les sondes Messenger (vers Mercure), Kepler (téléscope spatial) mais aussi Mars Insight. La devise de ce nouveau programme était « better, faster, cheaper », sous-entendu plus de sondes à moindres coûts pour éviter un échec aussi important que Mars Observer. Ainsi, la NASA décide d’envoyer un orbiteur et un atterrisseur à chaque fenêtre de tir vers Mars, soit tous les deux ans, dans le cadre de ce programme. C’est pourquoi en 1996, l’atterrisseur Mars Pathfinder est lancé un mois après l’orbiteur Mars Global Surveyor. Pathfinder déposera à la surface le tout premier rover : Sojourner. Celui-ci roulera pendant quelques semaines et couvrira une centaine de mètres avant de cesser d’émettre par manque d’énergie.

Le petit rover Sojourner photographié par l’atterrisseur Pathfinder lors de son deuxième jour martien à la surface. Crédit : NASA

Deux ans plus tard, la sonde Mars Climate Orbiter décolle suivie par l’atterrisseur Mars Polar Lander. Cependant ces deux missions sont des échecs et la NASA décide d’arrêter les lancements doubles et de remettre en question la devise du programme Discovery. Ce double échec signe également l’annulation de la mission Mars Surveyor 2001 qui devait emporter un atterrisseur très similaire à Phoenix ou Insight. Ainsi, au début des années 2000, l’orbiteur 2001 Mars Odyssey est lancé pour étudier la répartition des minéraux sur Mars et rechercher la présence d’eau. La NASA en profite également pour modifier sa stratégie d’exploration martienne : elle souhaite ramener un échantillon afin de mieux étudier et comprendre les interactions qu’il y a eu entre l’atmosphère et l’eau sur Mars. Cependant une telle mission est très complexe, et pour l’instant, aucun orbiteur ne possède de caméra suffisamment puissante pour trouver un site d’atterrissage et de récolte convenable : Il faudra attendre 2006 et le Mars Reconnaissance Orbiter.

Vue d’artiste de l’orbiteur 2001 Mars Odyssey en orbite autour de Mars. Crédit : NASA

L’agence spatiale américaine décide donc de se rabattre sur une mission à visée géologique en attendant cette nouvelle sonde. Cette mission doit permettre d’explorer et d’analyser in situ les roches et reliefs martiens. Pour ce faire, il faudra nécessairement un rover. Impossible de dériver Sojourner pour accomplir cette mission car son autonomie était bien trop limitée pour une telle expédition. Le JPL (Jet Propulsion Laboratory) propose de développer un nouveau rover : Mars Exploration Rover (MER). Celui-ci sera bien plus grand que Sojourner, aura une meilleure autonomie et pourra transporter un nombre plus important d’instruments. Cependant il restera assez léger pour pouvoir utiliser des airbags pour atterrir sur Mars, comme avait réussi Mars Pathfinder. La NASA décide d’envoyer deux MER pour mettre toutes les chances de son côté et assurer la réussite de la mission. Elle argumente en précisant que le coût de fabrication d’un second MER est ridicule par rapport au coût de développement mais, en plus, qu’un double succès serait un bond de géant pour les résultats scientifiques. L’ensemble de la mission devra coûter 850 millions de dollars, autant que pour Mars Observer. Le lancement des deux rovers devrait avoir lieu lors de prochaine fenêtre : en 2003.

Comparaison des rovers martiens américains : devant, Sojourner ; à gauche, un MER ; à droite, MSL (Curiosity). Crédit : NASA

Les rovers MER sont équipés de sept instruments scientifiques et doivent parcourir plus d’1km pendant 90 jours martiens (ou sols). Les objectifs de cette mission sont nombreux :

-Rechercher des roches et des sols témoignant de la présence passée d’eau

-Déterminer la distribution et la composition des minéraux, roches et sols autour des sites d’atterrissage

-Déterminer les processus géologiques qui ont amenés à la formation de ces reliefs et sols.

-Valider les mesures faites depuis l’orbite afin de pouvoir déterminer la précision des instruments des orbiteurs

-Rechercher des minéraux contenant du fer et ceux ayant été formés dans l’eau ou qui en contiennent

-Déterminer la texture des roches ainsi que les caractéristiques des minéraux

-Déterminer si les environnements où de l’eau était présente à l’état liquide étaient propices à la vie

Les rovers de cette mission repose en grande partie sur les développements de missions passées. L’étage de croisière est dérivé de Mars Pathfinder tout comme le véhicule de rentrée et le module d’atterrissage. Certains éléments sont modifiés comme, par exemple, le parachute qui a été agrandi de 40% ou les moteurs qui sont désormais 90% plus puissants. Les instruments des rovers viennent, quant à eux, du rover Athena qui aurait dû accompagner Mars Surveyor 2001.

Les composants généraux des MER

Les deux sondes MER sont rigoureusement identiques. Même si les rovers, qui ne pèsent que 185kg chacun, ne représentent qu’une petite partie du poids total des sondes, ces dernières restent assez légères avec une masse de 1063kg. Chaque sonde est composée de quatre parties majeures : L’étage de croisière, le véhicule de rentrée, le module d’atterrissage et enfin le rover.

Modélisation 3D des sondes MER avec leurs différentes parties. Crédit : NASA

L’étage de croisière est chargé d’emmener le rover à bon port. Pour ce faire, il emporte 31kg d’hydrazine afin d’alimenter deux grappes de petits moteurs qui peuvent réaliser des corrections de trajectoire et/ou d’orientation. Il est également équipé de cinq détecteurs solaires et d’un suiveur stellaire afin de déterminer avec précision l’attitude de la sonde. Pour communiquer avec la Terre, l’étage de croisière transporte deux antennes, une à petit et une à moyen gain. Les deux transmettent les données de télémétrie et reçoivent les commandes en bande X. Cet étage dispose également d’une surface de 4,4m² de panneaux solaires afin de délivrer une puissance électrique de 300 à 600W tout au long du voyage. Ce disque de 2,65m de diamètre et de quelques dizaines de centimètres d’épaisseur est également équipé de radiateurs de manière à garder les systèmes dans des conditions thermiques acceptables. Cependant, l’étage de croisière ne possède pas d’ordinateur de bord. C’est le rover qui contrôle tout pendant le voyage. Une fois assez proche de Mars, cet étage devient inutile et est largué.

Opportunity en préparation dans la salle blanche du JPL. On voit bien l’étage de croisière, ici, en bas, ainsi que tout le véhicule de rentrée. Crédit : NASA

La seconde pièce majeure des sondes MER est leur véhicule de rentrée. C’est lui qui a pour objectif de les protéger lors de la rentrée à très haute vitesse (5,5km/s) dans l’atmosphère martienne. En effet, aussi ténue qu’elle soit, elle n’en reste pas moins présente et nécessite l’utilisation d’une protection thermique (ce qui n’est pas nécessaire lors d’un atterrissage sur la Lune par exemple). Ce véhicule de rentrée permet de résister à des températures allant jusqu’à 1500°C (en comparaison, l’acier fond aux alentours de 1400°C). Pour ce faire, il est équipé d’un bouclier thermique à l’avant ne pesant que 79kg et fabriqué dans un matériau ablatif qui évacue la chaleur en se consumant lentement. Le bouclier arrière, quant à lui, pèse 209kg et a une forme plus conique. Il est également recouvert d’un matériau ablatif mais bien plus fin car ce bouclier subit moins de chaleur. C’est également cette partie du véhicule de rentrée qui contient le gigantesque parachute supersonique qui ralentit la sonde lors de sa rentrée. Il est aussi équipé de plusieurs moteurs pour ralentir encore plus la sonde avant de passer à la dernière étape de la rentrée : l’atterrissage.

C’est le module d’atterrissage qui s’occupe de cette dernière phase critique avant de pouvoir commencer la science au sol. Il est largué à une vingtaine de mètres du sol et a pour seul objectif d’amortir le choc au moment du contact avec le sol. Comme pour Mars Pathfinder, c’est grâce à un ensemble d’airbags que cet amortissement est permis. Le module a une forme tétraédrique et chaque face possède un ensemble de 6 lobes gonflables. Ces derniers sont fabriqués en vectran, un matériau encore plus solide que le kevlar. Au total, ce module d’atterrissage pèse 348kg.

Système de coussins gonflables en test. Crédit : NASA

Enfin, la partie la plus importante de la sonde : le rover. Chaque rover mesure environ 1,5m de haut pour une largeur de 2,3m et une longueur de 1,6m. Le corps central des rovers est un bloc triangulaire qui abrite les composants ne pouvant pas résister aux conditions thermiques extrêmes de Mars. On y trouve donc l’ordinateur de bord, la centrale inertielle (qui permet de connaître l’orientation du rover), la partie électronique de certains instruments, les cartes de contrôles des moteurs des roues, les batteries, etc. Pour réguler la température, ce corps central est équipé de plusieurs systèmes. On y retrouve des radiateurs mais aussi une isolation passive avec un aérogel de silice et une feuille d’or. Pour lutter contre le froid, les ingénieurs ont décidés de placer huit pastilles de 2,7g chacune de dioxyde de plutonium, un composé radioactif qui émet de la chaleur. La chaleur libérée par l’électronique participe également à réchauffer cet intérieur.

Pour se propulser, le rover utilise un ensemble de six roues. Ces roues sont placées sur une suspension mise au point par la NASA et surnommée rocker-bogie. Elle permet de franchir des obstacles de plus de 26cm, soit plus que le diamètre des roues. Grâce à son centre de masse abaissée, le rover est théoriquement capable de gravir des pentes de 45° mais cet angle a été limité à 30° afin d’éviter tout problème. Chaque roue possède son propre moteur et les roues avant et arrière sont capables de pivoter afin de faire tourner le rover. Ce dernier peut atteindre une vitesse de 180m par heure mais il ne dépasse pas les 133m/h à cause du terrain et des changements de direction nécessaires.

Les roues et la suspension rocker-bogie en cours de test sur une réplique des MER. Crédit : NASA

D’un point de vue électricité, chaque rover est alimenté par des panneaux solaires qui recouvrent le haut du corps central mais aussi des panneaux qui se déploient à l’arrière et sur les côtés après l’atterrissage. Au total, il possède une surface de 1,3m² de cellules photovoltaïques, ce qui lui fournit 200W au mieux. Ces panneaux ont été choisis de part leur très bon rapport rendement (28%) sur masse (2,06kg/m²). Au mieux, chaque rover peut produire 1kWh d’énergie par jour, quantité qui peut chuter jusqu’à 200Wh à cause de la poussière accumulée ou des tempêtes. Afin de continuer de fonctionner même par manque de soleil, chaque rover emporte deux batteries Li-ion de 8 cellules chacune pour un stockage de 16Ah à 32V par batterie. Ainsi, dans les meilleurs cas, le rover peut rouler pendant quatre heures sans s’arrêter.

Photo du dessus des panneaux solaires du rover Spirit sur Mars. Crédit : NASA

Pour ce qui est de la communication, le système est bien différent de Sojourner. En effet, ce dernier était dépendant de son atterrisseur et ne pouvait donc pas s’éloigner à plus de 500m sous peine de perdre le contact avec la Terre. Étant donné que les rovers MER doivent parcourir plus d’1km, ils doivent être totalement autonomes d’un point de vue communication. Ils peuvent donc envoyer leurs données directement aux orbiteurs qui servent de relais avant que les données ne soient captées par les gigantesques antennes du Deep Space Network ici, sur Terre. Mais ils sont également capables de communiquer directement avec la Terre, avec un débit cependant réduit. Chaque rover est équipé de trois antennes :

                -Une antenne grand gain parabolique de 28cm qui permet la communication directe avec la Terre en bande X. Elle peut transmettre une grande quantité de données mais les temps de communication étaient limités à 3h/jour pour éviter de trop vider les batteries. Cette antenne a été ajoutée aux rovers afin de compenser l’abandon de la mise en place d’un réseau de communication en orbite de Mars. Cependant, il a aussi fallu supprimer un instrument scientifique (le spectromètre Raman) pour ne pas trop alourdir le vaisseau.

                -Une antenne faible gain omnidirectionnelle qui permet au rover de communiquer avec la Terre en bande X avec un débit très faible.

                -Une antenne UHF (Très Hautes Fréquences) omnidirectionnelle mais de portée plus réduite. C’est elle qui est utilisée pour communiquer avec les relais en orbite martienne (Mars Global Surveyor, Mars Odyssey et Mars Reconnaissance Orbiter). Les temps de communication durent entre 5 et 10 minutes suivant la sonde qui survole le rover.

Les antennes grand et faible gain des rovers MER. Crédit : NASA

Pour naviguer sur Mars, les rovers MER sont équipés de beaucoup de capteurs. Ils possèdent une centrale inertielle avec trois accéléromètres et trois gyromètres afin de déterminer l’orientation du rover. En effet l’absence de champ magnétique empêche l’utilisation d’un magnétomètre pour savoir où se trouve le Nord. Des détecteurs permettent également de prévenir si les suspensions sont surchargées ou si le rover est dans une situation dangereuse. Chaque rover emporte également un lot de caméras : Les Hazcams, deux paires de caméras monochromatiques, une à l’avant et une à l’arrière, possédant un grand angle (125°) ; la Navcam, une paire de caméra grand angle (45°) située en haut du mât des rovers ; la Pancam, une paire de caméra couleur normalement à but scientifique mais qui sert également pour la navigation avec son faible angle (16°). Avec tous ces équipements, les rovers sont capables de détecter les obstacles sur son chemin et d’adapter leur trajectoire en conséquence.

Disposition des caméras sur les rovers MER

Les instruments scientifiques emportés par les MER

Chaque rover MER emporte un total de 7 instruments afin de mener à bien sa mission scientifique :

                –Pancam : Cette double caméra est placée en haut du mât des rovers. Ainsi elle est capable de pointer n’importe où pour observer en détail les roches présentes sur le chemin des MER. Chacune des deux caméras est équipé d’un capteur CCD de 1024 pixels par 1024. Grâce aux deux caméras, il est possible de réaliser des images tri-dimensionnelles des roches, très pratiques pour les géologues. La Pancam est également équipé d’un jeu de filtres : huit filtres montés sur une roue et permettant d’imager à différentes longueurs d’ondes ; deux filtres solaires pour étudier l’absorbance des poussières en suspension dans l’atmosphère martienne ; des filtres pour étudier le spectre dans l’infrarouge avec la caméra droite ; des filtres pour étudier le spectre dans le visible avec la caméra gauche.

« Tête » des rovers MER avec la caméra Pancam et le spectromètre Mini-TES. Crédit : NASA

                –Mini-TES : Ce spectromètre fixé en haut du mât, à côté de la Pancam, permet d’étudier la composition minéralogique des roches et des sols. Pour ce faire, il mesure le rayonnement infrarouge naturellement émis par les sols.

                –APXS : L’instrument Alpha Particle X-ray Spectrometer est placé au bout du bras robotique des rovers. Le but de cette expérience est d’étudier l’abondance des éléments chimiques présents dans les roches. Pour ce faire, une source radioactive de Curium 244 bombarde de particules alpha et de rayons X l’échantillon à étudier. Le spectromètre analyse ensuite les rayons X et les particules alpha émis par les éléments présents dans l’échantillon. Cet instrument a été développé par l’institut Max Planck de Chimie à Mayence en Allemagne.

Photo du bras robotique des MER par la caméra Hazcam frontale sur Mars. Crédit : NASA

                –MIMOS II : C’est dans la même ville que pour APXS qu’a été développé MIMOS II mais dans l’Université Johannes Gutenberg. Ce spectromètre dit Mössbauer utilise un faisceau de rayons gammas afin de réaliser une étude précise de la minéralogie des roches. Et comme APXS, il est placé sur le bras robotiques des rovers.

                –RAT : Cet outil a un but très simple : enlever les poussières au-dessus des roches pour permettre de meilleures mesures par les autres instruments des MER. RAT est une meule de 4,5cm de diamètre constituée d’éclats de diamants et permet de nettoyer la roche sur une profondeur de 5mm.

                –Microscopic Imager : Placé sur le bras robotique, ce microscope permet d’obtenir des images du sol d’une résolution impressionnante : 20 à 40µm/pixel.

                –Piège à particules magnétiques : Un ensemble de 7 aimants a été placé sur le corps des rovers MER. Ainsi, les particules magnétiques en suspension dans l’atmosphère martienne viennent s’y fixer. Elles sont ensuite étudiées par MIMOS II, APXS ou Miscroscopic Imager.

La mission de Spirit et d’Opportunity

Les deux sondes MER étaient initialement appelées sous les noms MER-A et MER-B. MER-A a ensuite été renommé en Spirit et MER-B en Opportunity. Spirit a été lancée le 10 juin 2003 depuis le pas de tir 17A de Cape Canaveral à bord d’une Delta II 7925. Opportunity est parti quatre semaines plus tard, le 7 juillet, depuis le pas 17B à bord d’une Delta II 7925H. En effet, à cause des quelques semaines de retard, la puissance nécessaire pour le transfert vers Mars augmente tellement qu’il faut utiliser la version lourde du lanceur. Cette version remplace les boosters GEM-40 par des GEM-46, légèrement plus gros et offrant donc une plus grande puissance. Ces lanceurs étaient également équipés d’un étage supplémentaire Star48B afin de fournir la poussée nécessaire au voyage.

Décollage de la Delta II 7925H qui propulsa Opportunity en direction de Mars. Crédit : NASA

Le transit Terre-Mars a duré environ six mois pendant lesquels les sondes ont parcouru plus de 500 millions de km. Durant ce trajet, cinq manœuvres de correction ont été réalisées. La dernière était facultative mais permettait d’être plus précis quant au lieu d’atterrissage. Lors de cette phase, la position précise des sondes était mesurée grâce au temps que mettent les ondes radio pour rejoindre la Terre. Pour ce qui est de la vitesse, elle était donnée grâce à l’effet Doppler mais aussi avec une technique appelée DDOR mise au point pour l’occasion qui visait à mesurer simultanément la position de la sonde et la position d’un quasar avec deux antennes sur Terre.

Après ces six mois de transit, les sondes frappent l’atmosphère martienne à une vitesse de 5,5km/s. C’est d’abord le véhicule de rentrée qui freine les sondes : Les frottements avec l’atmosphère réduisent la vitesse par un facteur 15. Un parachute est ensuite déployé alors que les sondes se déplacent encore à 1,77 fois la vitesse du son. Celui-ci divise encore la vitesse par 7. A ce moment, cette dernière est inférieure à 50m/s. Les airbags se gonflent ensuite et le parachute est largué. Les propulseurs prennent le relai et viennent annuler toute la vitesse du module d’atterrissage à une vingtaine de mètres du sol, point où ce dernier est largué. Les airbags amortissent le choc final et, une fois que l’ensemble a arrêté de rebondir et de rouler, se dégonflent et s’ouvrent. Tous ces évènements ont eu lieu le 3 janvier 2004 pour Spirit qui a atterri dans le cratère Gusev, à 15° au sud de l’équateur, et le 24 janvier 2004 pour Opportunity qui s’est posé sur Meridani Planum, quasiment à l’équateur.

Module d’atterrissage de Spirit pris en photo par cette dernière. Crédit : NASA

Spirit parcoure ensuite plus de 7,7km. Elle visite tout d’abord le cratère Bonneville en espérant y trouver des roches mises à l’affleurement par l’impact de la météorite…mais rien n’est visible. Le rover s’élance ensuite vers les collines Columbia. Elle arrive à leur base en juin 2004 et se hisse au sommet de la plus haute plus d’un an après, en août 2005. Sur son trajet, Spirit a trouvé des roches témoignant de la présence d’eau liquide ! Durant l’ascension des collines, les panneaux solaires, salis par la poussière, ont magiquement été nettoyés par des petites tornades se formant régulièrement partout sur Mars. Le rover descend ensuite vers Home Plate où elle restera de 2006 à 2008. Là, sa roue avant-droite se coince et le rover doit donc progresser en marche arrière pour compenser. Spirit s’immobilise pendant 8 mois pour recharger entièrement ses batteries d’avril à novembre 2006.

Panorama pris par Spirit depuis la West Valley. Crédit : NASA

Après ce long sommeil, Spirit est réveillée mais sa roue coincée ne démarre toujours pas. Elle continue donc d’avancer à reculons et ce comportement handicapant finit par présenter un avantage : La roue immobile a retiré la couche superficielle de poussière au-dessus du sol pour y laisser apparaître un mélange de silice et d’or en proportions inhabituelles. Encore plus dingue, ce matériau ne se forme qu’en présence d’eau ! En décembre 2008, Spirit est mise en route vers les formations géologiques Goddard et Von Braun. Malheureusement, en mai 2009, les roues du rover se bloquent dans un banc de sable fin. Les ingénieurs du JPL tentent tout pour la sortir de là… en vain. Spirit finira par s’éteindre définitivement en mars et la NASA abandonnera toute communication en mai 2011. Le rover aura tout de même bien surpassé les attentes initiales en parcourant 7 fois plus de distance et en restant en fonctionnement 20 fois plus longtemps que prévu !

Trajet de Spirit pendant ces plus de 7 ans. Crédit : NASA

Opportunity a été encore plus impressionnante ! Elle commence par visiter le cratère Eagle dans lequel elle s’est posée. Ici, elle identifie des roches détectées par Mars Global Surveyor et qui contiennent de l’hématite grise, un minéral souvent formé en présence d’eau. Opportunity réussit à trouver de nombreux indices montrant la présence passée d’eau à cet endroit. La même année, le rover se dirige vers le cratère Endurance à 750m. Elle l’atteint fin avril 2004 et en étudie les bords. Les scientifiques au sol décident de prendre la décision de faire descendre Opportunity dans le cratère. Elle y passera 180 jours avant d’en ressortir sans problème, malgré les craintes des ingénieurs, en décembre 2004. A partir de 2005, Opportunity commence sa route vers le cratère Victoria à 9km de là. Au cours de son voyage, Opportunity croise le bouclier thermique qui l’avait protégé lors de la rentrée avant d’être largué. C’est également lors de ce trajet que, le 20 mars 2005, Opportunity bat le record de distance parcouru sur Mars en un jour : 200m. Fin avril, le rover se bloque dans une dune de sable, mais contrairement à Spirit, elle réussit à s’en sortir en faisant marche-arrière. Le bras robotique subit une première défaillance qui, à la suite d’une seconde en 2008, forcera les ingénieurs à toujours garder le bras déployé.

Photo d’une mini-tornade prise par Opportunity dans la Marathon Valley. Crédit : NASA

Fin septembre 2006, Opportunity atteint le cratère Victoria. Le rover sera immobilisé quelques mois en 2007 à cause de tempêtes qui ont recouverts de poussières ses panneaux solaires. Au final, Opportunity quitte le cratère en septembre 2008 et se dirige vers le cratère Endeavour qu’elle atteindra en 2011. En juin 2010, Opportunity a déjà parcouru 21,4km depuis son atterrissage mais se situe encore à 12km du cratère Endeavour à cause de détours nécessaires pour éviter une plaine sableuse. Le 9 août 2011, le rover atteint enfin cette formation et commence à l’explorer. Dans les années qui suivent, la quasi-totalité des instruments tombent hors-service, ayant dépassé depuis longtemps la durée de fonctionnement prévue. Les caméras commencent à être sales et les batteries fatiguent. C’est au final au milieu de l’année 2018 que le rover Opportunity rend l’âme. A cause d’une tempête majeure qui a privée la quasi-totalité de la surface de Mars de lumière pendant plusieurs mois, les batteries du rover se sont presque entièrement vidées. Malgré le retour du Soleil, les panneaux solaires n’arriveront jamais à recharger les batteries suffisamment pour redémarrer Opportunity. Ainsi, le 13 février 2019, après plus de 800 tentatives de communication, la NASA annonce officiellement la fin de la mission Mars Exploration Rover. Opportunity aura parcouru plus de 45km et reste encore aujourd’hui le robot qui a le plus visité Mars. Son dernier message aura été « Mes batteries sont presque vides et il fait de plus en plus noir ici » (message un peu romancé par rapport à ce qui a vraiment été reçu par les antennes sur Terre).

Trajet d’Opportunity retracé pendant ses 15 ans de fonctionnement. Crédit : NASA

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SpaceX, ce nom vous dit quelque chose c’est sûr ! Mais vous souvenez-vous bien de l’objectif de cette compagnie américaine avec son lanceur Falcon 9 et plus particulièrement avec la dernière version, le Block 5 ? Le but est de réutiliser le premier étage de la fusée une dizaine de fois sans réparations majeures et ensuite jusqu’à une centaine de fois avec une remise en état plus poussée. Cependant, là où ça coince, c’est que SpaceX n’a jamais fait voler plus de deux fois un booster. Un peu embêtant quand on promet une baisse des prix très importante grâce à la réutilisation. Mais maintenant que la compagnie gère très bien le deuxième vol, il est temps de passer au troisième. Et justement, en ce 3 décembre 2018, SpaceX réalise un nouvel exploit en faisant redécoller pour la troisième fois un premier étage de son lanceur Falcon 9 ! Et tout aussi impressionnant, ce n’est pas un, ni deux, ni dix mais bien 64 satellites qui étaient à bord de la fusée !

Spaceflight, la compagnie à la base de cette mission

Spaceflight est un servie créé par Spaceflight Industries, une entreprise américaine. Le but de cette dernière est de simplifier l’accès à l’espace. En effet, ils croient que la conquête spatiale est essentielle à l’amélioration de la vie sur Terre. Ainsi ils proposent deux services : BlackSky et Spaceflight. BlackSky a pour but d’être une constellation de 60 satellites qui fournirait une carte en haute définition (résolution de 1m² par pixel) et quasiment en temps réel de presque toute la surface terrestre. D’un autre côté, l’initiative Spaceflight a pour but de simplifier l’envoi de satellites. Ils se chargent de trouver le lanceur correspondant au besoin du satellite, sans faire exploser le budget et sans avoir à attendre trop longtemps. Pour l’instant ce sont 140 satellites pour 32 pays différents qui ont été lancés grâce à Spaceflight.

Une partie de l’équipe de Spaceflight responsable du vol SSO-A devant le bâtiment d’intégration des Falcon 9 à Vandenberg. Crédit : Spaceflight

La mission de ce 3 décembre est donc commandée par cette dernière entreprise. Ce sont eux qui se sont chargés de regrouper les 64 nouveaux satellites venant de 17 pays différents, de les intégrer sur une plateforme pour le lancement et de commander le vol sur une Falcon 9. Cette dernière a pour but de placer tous les satellites sur une orbite héliosynchrone de 575km d’altitude et inclinée à environ 98°. L’heure locale au niveau du nœud descendant de l’orbite sera de 10h30. Le nœud d’une orbite est le point d’intersection entre la trajectoire de l’objet et le plan équatorial du corps autour duquel il orbite (en l’occurrence la Terre). Cependant il y a deux nœuds : le nœud ascendant, quand le satellite passe du côté Sud au côté Nord, et le nœud descendant quand il passe du côté Nord au côté Sud. Etant donnée que l’orbite de cette mission est héliosynchrone, l’heure locale au niveau du nœud descendant reste constante, ce qui est particulièrement utile pour les observations terrestres.

Infographie récapitulant la mission SSO-A. Crédit : Spaceflight

Parmi les 64 passagers du vol, on trouve un grand nombre de satellites d’observations terrestres mais aussi des démonstrateurs technologiques et plein d’autres. En voici quelques-uns :

                -ESEO : Pour European Student Earth Orbiter, ESEO est un microsatellite développé par des étudiants européens. Il fait parti des projets de l’Office d’Education de l’ESA (Agence spatiale européenne). C’est le troisième objet du Programme Satellite d’Education de l’ESA. Il aura pour but d’imager la Terre, de mesurer les radiations mais aussi de tester de nouvelles technologies qui serviront pour les futures missions de ce programme. A bord de ESEO on trouve donc une micro caméra, des capteurs de radiations, deux antennes qui serviront aux radioamateurs et comme entrainement pour les étudiants, un récepteur GPS pour essayer de déterminer son orbite précisément et une voile qui devrait permettre de désorbiter le satellite plus rapidement. ESEO mesure 33 x 33 x 63cm, pèse 44kg et a une vie en orbite d’environ six mois.

Micro satellite ESEO. Crédit : ESA

                   –eXCITe : eXCITe (eXperiment for Cellular Integration Technologies) est un microsatellite développé par la DARPA, une agence du département de défense des Etats-Unis. Le but de celui-ci est de tester un système de « satlets ». Ces satlets sont des petits satellites qui peuvent s’assembler pour former des structures plus complexes et ainsi réaliser diverses missions. Ils partagent électricité, chaleur, données, etc.  Chaque satlet mesurent environ 20 x 20 x 10cm. Le but ultime de la DARPA serait d’avoir un plus gros satellite en orbite qui servirait de fabrique de satlets et qui pourrait assembler divers satellites avant des les larguer. Cependant eXCITe n’est pas encore cette fabrique. Il est déjà assemblé de 14 satlets pour vérifier que les interactions entre toutes ces briques fonctionnent bien. Il pèse 155kg et aura une durée de vie de deux à neuf semaines. eXCITe emporte également avec lui le satellite SeeMe pour un autre projet de la DARPA : imager la Terre rapidement et précisément.

Micro satellite eXCITe avec le satellite SeeMe en orange. Crédit : DARPA

                   –FalconSAT-6 : Cet autre microsatellite a été développé par l’US Air Force Academy (USAFA) et aura pour but principal de tester et prouver l’efficacité des systèmes à multiples poussées. La charge utile primaire est le moteur à effet Hall SPCS-2. FalconSAT-6 possède également une expérience qui vient accompagner le SPCS-2, la CME qui va mesurer la contamination dûe aux allumages de ce moteur, aux manipulations au sol durant les tests et l’intégration, aux environnements post encapsulation et au dégazage en orbite de certains matériaux. Un autre instrument nommé HIPE, développé par l’USAFA, va mesurer la propagation de certaines ondes dans l’ionosphère. Enfin, l’expérience AFRL va tester de nouveaux panneaux solaires plus performants ainsi que des circuits flexibles. Ce satellite pèse au total 181kg.

Micro Satellite FalconSAT-6. Crédit : US Air Force Research Laboratory

                   –Orbital Reflector : Quelle est la nouvelle forme de l’art moderne ? Envoyer une énorme structure réfléchissante dans l’espace ! C’est l’idée qu’a eu l’artiste Trevor Paglen avec le Musée d’art du Nevada. Orbital Reflector c’est un Cubesat 3U qui va, une fois en orbite, déployer une large structure de 30m dans un matériau léger similaire au mylar. Cette structure va se gonfler elle-même pour devenir un gros réflecteur. Depuis le sol, il devrait être possible de voir le satellite comme un point aussi lumineux que les étoiles de la Grande Ours. Cependant, ce type de satellite commence à se démocratiser (on a déjà vu Humanity Star lors du second vol d’Electron) et les astronomes s’inquiètent d’une pollution lumineuse directement dans l’espace, surtout que la station spatiale internationale est déjà très bien visible depuis le sol.

Structure réfléchissante Orbital Reflector. Crédit : Nevada Museum of Art

                   –PW-Sat 2 : Ce Cubesat polonais est un démonstrateur technologique. Il aura pour but de tester une voile qui permettrait de faire rentrer les Cubesats plus vite dans l’atmosphère une fois leur mission terminée. PW-Sat 2 possède également deux caméras : une pour confirmer l’ouverture de la voile et une qui servira de prototype de capteur solaire, un type de capteur qui permet de connaître l’attitude du satellite.

Cubesat PW-Sat 2 avec sa voile déployée. Crédit : PW Sat 2 (Marcin Świetlik)

                –ROSE 1 : ROSE 1 est un Cubesat 6U (30 x 20cm) qui servira de plateforme de test au propulseur plasma Phase Four RFT (Radio Frequency Thruster). Si ce moteur fonctionne correctement, il deviendra le tout premier moteur plasma à équiper un nano satellite. ROSE 1 va donc essayer de démontrer que le moteur Phase Four RFT est capable de résister au lancement et d’effectuer des corrections orbitales pour modifier la trajectoire du satellite.

Cubesat ROSE 1 avec ses deux panneaux solaires déployés. Crédit : Phase Four

Tous ces satellites sont placés sur un adaptateur développé par Spaceflight. Il est constitué de quatre parties : l’ESPA qui transporte des micro satellites et des Cubesats, le CubeStack qui transporte des Cubesats, le Hub sur lequel est attaché des microsatellites et le MPC qui porte des microsatellites sur sa partie externe et jusqu’à douze Cubesats 12U sur sa partie interne. Comme le montre une des images ci-dessous le déploiement des satellites se fait suivant un ordre très précis : C’est d’abord l’ESPA, le CubeStack et le Hub qui se séparent du second étage de la Falcon 9, ensuite les microsatellites de la partie externe du MPC sont largués et enfin la partie interne du MPC est détachée. Tous les satellites à bord du premier bloc sont ensuite largués, tout comme ceux sur la partie interne du MPC.

Descriptif des différentes parties de adaptateur qui tiennent les satellites pendant le lancement. Crédit : Spaceflight

Séquence de déploiement des satellites attachés à adaptateur. Crédit : Spaceflight

Troisième vol d’un premier étage de Falcon 9

Pour la toute première fois, un étage de fusée a décollé pour son troisième vol. Cet exploit on le doit à SpaceX qui a décidé de passer à l’étape suivante maintenant qu’ils ont réussi 17 vols avec un booster qui avait déjà volé une fois. Pour ce vol, c’est l’étage B1046 qui a repris son vol pour la troisième fois. Ce dernier a notamment participé au tout premier décollage de la Falcon 9 Block 5 en mai 2018 pour mettre en orbite Bangabandhu-1, puis au lancement du satellite Merah Putih en août 2018. Ils se passent donc 3 ou 4 mois entre deux réutilisations. Mais cette cadence pourrait être accélérée avec l’expérience qu’acquiert SpaceX. En effet, il est logique que ce booster ait pris relativement longtemps avant de revoler : il était le premier Block 5 et il était donc préférable de bien l’inspecter pour être sûr que tous les systèmes ont résisté au premier puis au deuxième vol.

Premier vol du booster B1046 : Bangabandhu-1. Crédit : SpaceX

Fait marrant, le B1046 est le premier étage à décoller de trois pas de tirs différents : Bangabandhu-1 a pris place au pas de tir 49A du Kennedy Space Center (KSC), Merah Putih depuis le pas de tir 40 de la base de lancement de Cape Canaveral (CCAFS) et SSO-A depuis le pas de tir 4 de la base l’Air Force de Vandenberg (VAFB). En effet, pour ce vol du 3 décembre, la Falcon 9 a décollé depuis Vandenberg, sur la côte Ouest des Etats-Unis. C’est ce pas de tir qui leur permet de mettre sur orbite polaire ou quasi-polaire des satellites étant donné que le Sud est dégagé contrairement aux pas de tirs de la côte Est (il y a Cuba juste au Sud).

Deuxième vol du booster B1046 : Mera Putih. Crédit : SpaceX

Etant donné son lieu de décollage et la masse de charge utile emportée, le booster B1046 aurait pu revenir se poser sur la zone d’atterrissage 4 juste à côté du pas de tir. Alors pourquoi avoir choisi de le faire atterrir sur la barge Just Read The Instructions (JRTI) au large dans le Pacifique ? Et bien tout simplement parce qu’un autre vol très important est en préparation à la base de Vandenberg. Ce vol c’est le lancement du satellite NROL-71 à bord d’une Delta IV Heavy (la même fusée qui avait lancée Parker Solar Probe en août). Ce satellite est pour le compte de l’Office National de Reconnaissance (NRO) des Etats-Unis. Il est donc trop dangereux de tenter un atterrissage à la base et ainsi prendre le risque qu’un système dysfonctionne et aille détruire ce précieux satellite secret. Effectivement, le hangar où est préparée cette Delta IV Heavy n’est qu’à 5,8km de la zone d’atterrissage 4. SpaceX avait cependant préparé les autorisations pour atterrir au sol au cas où son lancement était repoussé et que NROL 71 partait avant. Le lancement de SSO-A a bien été retardé mais celui de NROL-71 aussi. Au final SSO-A décolle le 3 décembre et NROL-71 est prévu pour le 7 décembre : impossible d’atterrir sur terre.

Le booster B1046 assemblé avec le reste de la Falcon 9 sur le pas de tir de Vandenberg pour son troisième vol : SSO-A. On notera toute la suie sur le premier étage, résultat de ces deux premiers vols. Crédit : SpaceX

Au final, avec ce vol SpaceX gravit une nouvelle marche vers la réutilisation avancée des lanceurs. D’ici quelques mois nous verrons sûrement d’autres boosters qui accomplissent leur troisième vol avec brio. Et SpaceX arrivera même très certainement à franchir l’étape suivante : la quatrième réutilisation. Il ne faut pas oublier que faire revoler un booster est encore assez récent. La première fois que le premier étage d’une Falcon 9 a volé pour la seconde fois c’était le 30 mars 2017 : il y a seulement une vingtaine de mois. SpaceX a depuis quasiment lancé un booster réutilisé tous les mois. Avec un peu de chance, cette même cadence ne tardera pas à s’appliquer aux troisièmes vols des boosters.

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Le groupe de BepiColombo pendant son encapsulation sous la coiffe d’Ariane 5. Crédit : ESA

La mission BepiColombo est formée principalement par deux orbiteurs : le MPO européen et le MMO japonais. Leurs objectifs sont différents mais ils partagent un but commun : celui de nous apprendre à mieux connaître la planète la plus proche du Soleil, Mercure. Cette mission a donc des objectifs sur des thèmes très divers :

-Formation et évolution de la planète: Déterminer comment s’est formée Mercure pour ultimement en apprendre plus sur les origines du système solaire ; déterminer comment Mercure a évolué depuis sa formation et améliorer notre connaissance sur l’évolution d’une planète proche de son étoile

-Structure du noyau et composition de la planète: En apprendre plus sur la structure interne de Mercure et notamment sur la proportion du noyau solide et celle du noyau liquide, en ayant préalablement vérifié la présence de ce dernier ; déterminer la composition chimique de Mercure qui semble être composée de fer de par sa densité et son champ magnétique mais n’en présente aucune trace lors d’analyses spectroscopiques

-Géologie de la surface et histoire des cratères: Déterminer si la planète est géologiquement active comme la Terre ou inactive comme Mars et le cas échéant si elle l’a été par le passé ; cartographier et dénombrer tous les cratères de Mercure

-Orbite: Utiliser la proximité du Soleil pour tester la théorie de la Relativité Générale d’Einstein, elle qui avait expliqué l’avance du périhélie de Mercure

-Magnétosphère: Déterminer comment est généré le champ magnétique de Mercure ainsi que la structure de celui-ci ; étudier les interactions entre le vent solaire et les différentes couches du champ magnétique mercurien afin de savoir si les phénomènes observables sur Terre se répètent là-bas (aurores polaires, ceintures de Van Allen, tempêtes de la magnétosphère, etc)

-Atmosphère: Etudier la structure, la formation et l’évolution de l’atmosphère de Mercure, très fine et très peu dense (composée uniquement d’une exosphère)

-Eau et glace: Déterminer si la glace à la surface de Mercure n’est composée que d’eau pure ou si elle est mélangée à d’autres matériaux ; mesurer l’éventuelle présence de molécules d’eau dans l’atmosphère mercurienne

-Environnement cosmique: Etudier in situ les poussières cosmiques laissées par les comètes dans l’espace interplanétaire et ainsi aider à mieux comprendre des processus se déroulant à proximité du Soleil comme les ondes de choc solaires, indétectables depuis la Terre

Equipement scientifique

Afin de réaliser tous ces objectifs divers, BepiColombo emporte un total de seize instruments scientifiques : onze sur le MPO et cinq sur le MMO. Ces instruments viennent de différents endroits d’Europe mais aussi du Japon pour quatre des cinq instruments à bord du MMO. Ces instruments, les voici :

-BELA: Pour BepiColombo Laser Altimeter, BELA est un altimètre laser. Il mesure avec une grande précision l’altitude d’un certain point sur la surface de Mercure afin de réaliser une carte topographique de la surface. BELA utilise un laser infrarouge d’une longueur d’onde de 1064nm et envoie des impulsions toutes les 0,1 secondes. 5 millisecondes après chaque émission, le rayon est reçu à nouveau par l’instrument grâce à un télescope de type Cassegrain (deux miroirs dont un percé en son centre et dont les axes optiques coïncident afin d’obtenir une image non pivotée) de 20cm de diamètre et d’ouverture f/5. Par rapport à la trace au sol de l’orbiteur, le faisceau laser est émis tous les 250m en latitude et chaque nouvelle orbite cause un décalage de 6km à l’équateur. Cet instrument a été fourni par l’Université de Berne en Suisse et l’Institut pour la recherche planétaire de la DLR, l’agence spatiale allemande, et est installé sur le MPO. Il pèse 12kg et consomme 36W d’électricité.

Instrument BELA. Crédit : ESA

-MPO-MAG: Le MPO-MAG fait partie de la suite de magnétomètre MERMAG (Mercury Magnetometer) dont fait également parti MMO-MGF à bord du MMO. MPO-MAG est situé au bout d’un mât sur le MPO. Cet instrument est constitué de deux magnétomètres positionnés à des distances différentes de la sonde afin de pouvoir mesurer le bruit parasite généré par les courants électriques et les aimants à bord de l’orbiteur. Ces deux magnétomètres ont une fréquence d’échantillonnage de 128Hz qui peut être réduite à 0,5Hz sur commande. Ils peuvent mesurer un champ magnétique sur une plage variable de ± 2000nT (nanoTeslas, l’unité représentant la densité de flux magnétique) avec une résolution de 2pT. Cet instrument a été développé par l’Université technique de Brunswick en Allemagne.

Instrument MPO-MAG. Crédit : ESA

-ISA: Cet instrument nommé ISA pour Italian Spring Accelerometer est un accéléromètre 3-axes qui a pour but de mesurer les forces appliquées sur la sonde par le rayonnement solaire dans le visible et par le rayonnement infrarouge émis par Mercure. Combiné aux différents appareils de détermination de l’orientation du MPO, cet accéléromètre joue un rôle très important dans le bon fonctionnement de l’instrument MORE. ISA a une résolution de 10nm/s², pèse 5,8kg et consomme entre 7,4 et 12,1W d’électricité. Il a été fourni par l’Institut d’astrophysique et de planétologie spatiale de Rome (IAPS).

Instrument ISA. Crédit : ESA

-MORE: Mercury Orbiter Radio-science Experiment est une expérience de radio-science emportée pour mesurer la gravité de Mercure et en déduire la taille et l’état physique du noyau de la planète. Grâce à ces informations, les scientifiques du monde entier pourront bénéficier d’un modèle de Mercure très fidèle et ainsi procéder à des études sur la théorie de la gravité avec une précision encore jamais vue. MORE permettra aussi de mesurer la précision du système de détermination de la position du MPO. En effet MORE va utiliser les données d’autres instruments comme ISA, BELA et SIMBIO-SYS afin de connaître avec la plus grande certitude et la plus fine résolution sa position et son orientation. Afin de réaliser tous ces objectifs, MORE va capter le signal émis depuis la Terre grâce à une antenne en bande Ka. En mesurant le temps qu’a mis le signal pour arriver, il est possible de calculer la distance séparant la sonde du segment sol sur Terre avec une précision de 15cm et une vitesse relative avec une résolution de 1,5µm/s pour un temps d’intégration de 1000s. Cet instrument a été développé par l’Université de Rome « La Sapienza ».

-MERTIS : Le spectromètre imageur infrarouge MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) va fournir des données sur la composition géologique de la surface de Mercure. Pour ce faire, il utilise un spectromètre et un radiomètre. Le premier va permettre d’obtenir les différentes longueurs d’onde émises par le rayonnement thermique de la planète sur une plage de longueur d’onde de 7 à 14µm. Le radiomètre va, quant à lui, fournir des mesures sur l’intensité du flux de rayonnement électromagnétique, soit la puissance de rayonnement reçu par un angle solide. Ce second instrument peut mesurer les longueurs d’onde sur une plage de 7 à 40µm. Les deux capteurs formant MERTIS ont chacun une résolution spectrale de 9nm et un champ de vision de 4°. Ils se basent sur la technologie des micro-bolomètres afin de faire leurs mesures : la lumière incidente vient chauffer une plaque métallique qui est relié à un puits thermique pour la refroidir et en mesurant la modification de température de la plaque, on peut calculer la puissance du rayon incident et ensuite remonter jusqu’à sa longueur d’onde. MERTIS établira une carte minéralogique de 5 à 10% de la surface mercurienne avec une précision spatiale de 500m. Il pèse 3,3kg, consomme 8 à 13W et a été fourni par l’Université de Münster et la DLR. MERTIS est situé sur l’orbiteur MPO.

Instrument MERTIS. Crédit : ESA

-SERENA : SERENA, pour Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances, est un instrument composé de quatre détecteurs de particules neutres et ionisées. Les données recueillies permettront d’en apprendre plus sur les interactions magnétosphère/exosphère/surface et vent solaire/espace interplanétaire. Le premier des quatre détecteurs est ELENA (Emitted Low-Energy Neutral Atoms) qui va mesurer la présence de particules neutres. Il a un champ de vision de 4,5° par 76°, une résolution angulaire de 4,5° par 4,5° et peut détecter des particules ayant une énergie de 20 à 5000eV. Le deuxième détecteur est STROFIO (Start from a Rotating Field mass spectrometer). C’est un spectromètre de masse qui va déterminer la composition des gaz présents dans l’exosphère de Mercure. Il analyse les particules neutres ayant une énergie inférieure à 1eV et il a un champ de vision de 20° dans le sens de déplacement de l’orbiteur. Le détecteur suivant est MIPA (Miniature Ion Precipitation Analyser) qui va étudier les ions dont l’énergie est comprise entre 15 et 15 000eV et qui sont précipités vers la surface de la planète. Enfin, le dernier détecteur de SERENA est PICAM (Planetary Ion Camera). Il s’agit d’un autre spectromètre de masse qui va analyser les ions d’une énergie de 1 à 3000eV qui sont projetés de la surface mercurienne jusqu’à son exosphère. SERENA a été développé l’IAPS de Rome et est placé sur le MPO.

Instrument SERENA avec STROFIO en haut à gauche, MIPA en haut à droite, ELENA en bas à gauche et PICAM en bas à droite. Crédit : ESA

-SIMBIO-SYS: Le spectromètre imageur SIMBIO-SYS (Spectrometer and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System) fournit des données sur l’activité géologique, le volcanisme, la tectonique et l’âge de la surface de Mercure. L’instrument développé par l’Observatoire astronomique de Padoue en Italie est en fait composé de trois imageurs : STC, HRIC et VIHI. STC (Stereo Channel) est une caméra disposant de deux capteurs afin de fournir des images 3D de la surface. Sa résolution spatiale est de 50m par pixel et son champ de vue est de 4°. Les images sont prises dans quatre bandes de longueurs d’onde pour avoir une image panchromatique : 550, (650), 700 et 880nm. STC permettra de dresser la topographie de la surface mercurienne. HRIC (High spatial Resolution Imaging Channel) est une caméra à haute résolution spatiale afin d’obtenir des images très précises de cibles présélectionnées. Son champ de vision est de seulement 1,47° mais sa résolution spatiale atteinte 5m par pixel. Ses images sont prises dans les mêmes bandes de longueur d’onde que STC et il a été annoncé qu’à l’issue de la mission BepiColombo, plus de 10% de la surface de Mercure aura été imagée par HRIC. Le dernier imageur de SIMBIO-SYS est le spectromètre VIHI (Visible Infrared Hyperspectral Imaging Channel). Celui-ci travaille dans le spectre visible et le proche infrarouge (longueurs d’onde de 400 à 2000nm) et a une résolution spatiale de 100m tandis que sa résolution spectrale est de 6,25nm. VIHI fournira ainsi une carte minéralogique de Mercure avec une résolution minimale de 400m. Les trois instruments de SIMBIO-SYS sont placés à bord du MPO.

Instrument SIMBIO-SYS. Crédit : ESA

-PHEBUS : PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere By Ultraviolet Spectroscopy) est un spectroscope ultraviolet qui va étudier le rayonnement émis par l’exosphère en observant directement au-dessus de l’horizon de Mercure. Ce spectroscope contient une partie optique composée de deux ensembles de réseau de diffraction et de deux capteurs pour couvrir une grande plage de la lumière ultraviolette. Le rayonnement incident à observer est réfléchi sur un déflecteur qui peut pivoter à 360° afin de modifier le pointage de l’instrument et donc de changer le lieu et l’altitude d’observation. Le premier spectroscope permet d’observer des longueurs d’onde sur une plage de 55 à 155nm et le second sur une plage de 145 à 315nm ainsi que les longueurs d’onde 404 et 422nm. Leur résolution spectrale est de 1nm et les mesures fournies permettront de mieux comprendre les interactions entre la surface, l’exosphère et la magnétosphère. Cet instrument situé à bord du MPO a été fourni par le Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS) français et l’Institut de recherche spatiale de l’Académie des Sciences de Russie (IKI RAN).

Instrument PHEBUS. Crédit : ESA

-MIXS: Le spectromètre ultraviolet MIXS (Mercuring Imaging X-ray Spectrometer) va exploiter le phénomène de fluorescence des rayons X pour déterminer la composition chimique de la surface de Mercure. Ce phénomène peut s’expliquer de la manière suivante : Lorsque des rayons X du rayonnement solaire atteignent la surface de la planète, certains électrons des couches électroniques K et L vont s’exciter. En se désexcitant, ils vont émettre un photon ultraviolet caractéristique de l’élément chimique hôte de l’électron. Ainsi MIXS, avec ses deux capteurs MIXS-T, haute résolution mais champ de vision réduit à 1°, et MIXS-C, champ de vision de 10° mais résolution plus faible, va capter les photons émis par fluorescence sur une plage énergétique de 0,5 à 7,5keV soit des longueurs d’onde de 248nm à 16,5nm. Grâce à ces données, MIXS pourra ensuite déterminer l’abondance de différents atomes légers dans les roches comme le magnésium, l’aluminium, le fer, le titane et le silicium. La précision de cet appareil est de 5 à 50% suivant l’abondance des éléments. Cet instrument est fourni par l’Université de Leicester au Royaume-Uni et est placé sur le MPO.

Instrument MIXS. Crédit : ESA

-SIXS : SIXS (Solar Intensity X-ray and particles Spectrometer) est un instrument constitué de deux capteurs qui vont mesurer in situ le spectre du rayonnement X sur une plage énergétique comprise entre 1 et 20keV mais aussi les protons sur une plage de 0,33 à 30MeV et les électrons compris entre 50 et 3000keV. Cet instrument peut mesurer jusqu’à 20 000 particules et photons par seconde grâce à son large champ de vision de 180°. L’objectif de SIXS est de mesurer le flux du rayonnement issu du Soleil mais aussi celui réfléchi par Mercure. SIXS a été développé par l’Université de Helsinki en Finlande. Cet instrument permettra également de calibrer MIXS et les noms MIXS et SIXS ne sont pas que des acronymes mais signifient également « pourquoi ? » et « voilà pourquoi ! » en finnois.

Instrument SIXS. Crédit : ESA

-MGNS : Le spectromètre à neutrons et à rayons gamma MGNS (Mercury Gamma-ray and Neutron Spectrometer) doit permettre, dans un premier temps, de préciser et vérifier la composition chimique de toute la surface de Mercure avec une précision de 0 à 30% et une résolution spatiale de 400km. Un second objectif de MGNS est de fournir la distribution des éléments volatils qui se seraient déposés dans les cratères des pôles, toujours à l’ombre. Ainsi, le spectromètre fournira une carte de la densité spatiale de ces dépôts avec une précision de 0,1g/cm² et une résolution spatiale de 400km. Il confirmera ou infirmera également la présence de glace d’eau aux pôles. Afin de réaliser ces mesures, MGNS se base sur l’interaction entre les atomes des couches superficielles du sol (jusqu’à 2m de profondeur) avec les neutrons des rayons cosmiques. Excités, les atomes vont ensuite émettre des rayons gamma caractéristiques de l’atome en question. De plus, MGNS pourra détecter des traces de potassium, de thorium et d’uranium qui produisent des rayons gamma naturellement. Cet instrument est composé de cinq détecteurs : MGRS (Mercury Gamma-Ray Spectrometer) un spectromètre à rayons gamma qui utilise un scintillateur au bromure de lanthane (LaBr₃) pour produire de la lumière plus facilement exploitable à partir des rayons gamma ionisants, et MNS (Mercury Neutron Spectrometer) constitué de quatre détecteurs de neutrons utilisant des compteurs proportionnels à gaz à l’Helium-3 et qui peuvent mesurer très précisément une faible quantité de rayonnement ionisant en mesurant un courant électrique généré par ce rayonnement dans une chambre remplie d’Helium-3 grâce à l’ionisation de cet élément chimique. Cet instrument a été fourni par l’IKI RAN de Moscou et placé à bord du MPO. Il pèse 5,5kg et consomme 6,5W d’électricité.

Instrument MGNS. Crédit : ESA

-MMO-MGF: Cet instrument MMO-MGF (MMO Magnetometer Fluxgate) comprend deux magnétomètres triaxiaux : MGF-O (outboard) situé au bout d’un mât de 4,4m nommé MAST-MGF et MGF-I (inboard) situé à 1,6m du bout de ce même mat. Ainsi, comme pour MPO-MAG, les deux magnétomètres permettront d’isoler le bruit parasite des systèmes de la sonde. Ces deux magnétomètres pourront mesurer un flux magnétique sur une plage dynamique de ± 2000nT avec une résolution de 3,8pT et une fréquence d’échantillonnage de 128Hz. Cet instrument complète le magnétomètre emporté à bord du MPO : MPO-MAG. MMO-MGF a été fourni par l’Institut de recherche spatiale de Graz en Autriche.

Instrument MGF-O de l’expérience MMO-MGF. Crédit : ESA

-MPPE : MPPE (Mercury Plasma and Particle Experiment) est un détecteur de plasma, de particules à haute énergie et d’atomes énergétiques neutres. Il permettra d’étudier les interactions entre le vent solaire et la magnétosphère de Mercure. Pour ce faire, MPPE est composé de sept détecteurs : Les MEA 1 et 2 (Mercury Electron Analyzers) montés à 90° l’un de l’autre et qui étudient les électrons tout comme HEP-electron (High Energy Particle instrument for electron). Les détecteurs MIA (Mercury Ion Analyzer), MSA (Mercury mass Spectrum Analyzer) et HEP-ion (High Energy Particle instrument for ion) sont chargés d’étudier les ions. Enfin le capteur ENA (Energetic Neutrals Analyzer) détecte et mesure les particules énergétiques neutres produites lors de la fusion entre des ions et des électrons. L’instrument MPPE a été fourni par l’ISAS situé à Kanagawa au Japon et est maintenant à bord du MMO.

Plage de mesure de MPPE et comparaison avec les instruments des sondes Mariner 10 et MESSENGER. Crédit : ESA

-MDM : Le MDM (Mercury Dust Monitor) est un détecteur de poussières qui va quantifier et étudier ces dernières pour obtenir des informations sur les caractéristiques de celles-ci au niveau de l’orbite de Mercure. Grâce à quatre détecteurs, MDM va mesurer l’énergie d’impact, une direction approximative et la densité de présence de ces poussières dans l’espace interplanétaire. Chacun de ces détecteurs est un capteur piézoélectrique en céramique PZT (Titano-Zirconate de Plomb) de 40mm par 40mm. Lorsque qu’une certaine pression est appliquée sur ces capteurs (ici, lorsqu’une poussière les percute) la céramique produit une légère tension entre ces deux faces, qui dépend de la pression appliquée. La sensibilité de ces capteurs est de 1pg.km/s (cela signifie que pour être détectée, la poussière doit avoir une quantité de mouvement p=mv supérieure à 1pg.km/s). MDM peut quasiment étudier un hémisphère entier et il est estimé que 100 à 200 impacts par an (terrestre) seront enregistrés. Cet instrument placé sur le MMO a été fourni par l’Université de technologie de Chiba au Japo. Au total, cet instrument pèse 601g et consomme 3W maximum.

Agencement des plaques piézoélectriques du MDM. Crédit : ESA

-MSASI : MSASI (Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager) est un spectromètre qui doit mesurer très spécifiquement la raie D2 du spectre d’émission du sodium (589nm ± 0,028) à la surface de Mercure. En effet cette raie présente une distribution anormale et encore inexpliquée. Afin de réaliser ses mesures, MSASI dispose d’un interféromètre de type Fabry-Perot fourni par l’université de Tokyo au Japon et d’un miroir rotatif pour couvrir toute la surface de la planète. Cet appareil a une résolution spectrale de 0,009nm et une résolution spatiale de 3 à 30km. Il pèse 3,48kg et consomme 15,2W d’électricité.

Types de mesures qu’effectuera MSASI. Crédit : ESA

-PWI : L’instrument PWI (Plasma Wave Invesitgation) est constitué de deux types de détecteurs de champ électrique (MEFISTO et WPT) et de deux détecteurs de champ magnétique (LF-SC et DB-SC) qui vont mesurer la forme des ondes et la fréquence du champ électrique jusqu’à 10MHz et du champ magnétique de 0,1Hz à 640kHz. Les appareils MEFISTO (Mercury Electric Field In Situ Tool) et WPT (Wire Probe antenna) sont deux antennes de 32m déployées de part et d’autre de l’orbiteur MMO (16m d’un côté et 16m de l’autre) et à un angle de 90° l’une de l’autre. Les capteurs LF-SC (Low-Frequency Search Coils) et DB-SC (Dual-Band Search Coils) sont placés au bout du mât de 4,4m, MAST-SC, placé à l’opposé du MAST-MGF où se trouve les magnétomètres MMO-MGF. Cet instrument a été développé et fourni par l’Université de Tōhoku au Japon.

Caractéristiques techniques de BepiColombo

BepiColombo est composé de quatre parties bien distinctes : deux sondes, un étage de transfert et une jupe protectrice.

MPO

La première des sondes et la plus grosse et chargée est le MPO pour Mercury Planetary Orbiter. Cette sonde a été développée par l’ESA et sera placée sur une orbite polaire elliptique autour de Mercure. Son apoapside sera à 1500km et son périapside à 480km ce qui lui permet d’effectuer une révolution en 2 heures et 21 minutes. La masse de cet orbiteur est de 1230kg dont 669kg d’ergols liquides et 85kg de charge utile. Cette charge utile est représentée par les onze expériences portées par le MPO : BELA, MPO-MAG, ISA, MORE, MERTIS, SERENA, SIMBIO-SYS, PHEBUS, MIXS, SIXS et MGNS. Tous ces instruments produiront un volume de données de 1550 gigabits par an. La sonde mesure 2,4m de large, 2,2m de profondeur et 1,7m de hauteur. Il possède un panneau solaire de 7,5m de long composé de trois panneaux. Celui-ci a une surface totale de 8m² et produit une puissance moyenne de 1800W. Afin de limiter la température de ce panneau à 215°C, il a été recouvert de réflecteurs solaires optiques mais également orienté d’une manière à ne jamais être face aux rayons solaires.

Répartition des instruments scientifiques à bord du MPO. Crédit : ESA

Le MPO possède un système de contrôle d’attitude formé par quatre roues de réaction et deux ensembles redondants de quatre moteurs-fusées d’une poussée de 10N. Afin de déterminer l’orientation de l’orbiteur, ce dernier est équipé de trois viseurs d’étoiles, de deux senseurs solaires (similaire aux viseurs à étoile mais qui utilisent le soleil pour se repérer) et deux centrales à inertie équipées chacune de quatre accéléromètres et quatre gyroscopes. Les corrections de trajectoire sont réalisés par deux ensembles redondants de quatre moteurs-fusées d’une poussée unitaire de 22N. Tous les propulseurs du MPO utilisent un mélange d’hydrazine et MON-3 (mélange de 97% de peroxyde d’azote et de 3% de monoxyde d’azote).

Photo de certains des moteurs de contrôle d’attitude du MPO. Crédit : ESA

La télécommunication avec le MPO est assurée par une antenne grand gain orientable en bande X et Ka de 1m de diamètre. Cette antenne est déployée peu de temps après le décollage afin d’assurer une communication la plus puissante possible. L’orbiteur possède cependant également une antenne moyen gain orientable et deux antennes faible gain fixes.

Antenne haut gain du MPO déployée peut après le lancement. Crédit : ESA

La sonde MPO sera soumise à un régime thermique particulièrement intense. En effet, à 0,3UA du Soleil, le rayonnement échauffe les surfaces de l’orbiteur à plus de 400°C à cause d’un flux thermique 10 fois plus important qu’en orbite terrestre. A cela, vient s’ajouter le rayonnement infrarouge de Mercure, 20 fois plus important que ce peut ressentir un satellite en orbite basse terrestre. Pour faire face à ce problème le corps du MPO est recouvert de trois couches d’isolant thermique. La couche extérieure, fabriquée par Airbus, est une superposition de près 50 fines feuilles de céramique et d’aluminium ce qui rend le matériau résistant sans dégradation à des températures jusqu’à 450°C. La couche intermédiaire est moins résistante avec une tenue jusqu’à 250°C. Enfin, la couche interne est une couche de protection thermique standard. Les trois couches de protection sont espacées de 2cm chacune afin d’amortir le choc d’éventuelles micrométéorites.

Coutures finales de l’isolation thermique multi-couches du MPO. Crédit : ESA

Cependant afin de dissiper les 300W de chaleur entrante et les 1200W générés par l’électronique, une face du MPO a été transformée en radiateur. Un réseau de 97 tubes sert de transport à la chaleur pour ensuite être évacuée par le radiateur fabriqué en titane recouvert d’argent. Cette face ne voit jamais le Soleil mais peut être attaqué par le rayonnement infrarouge de Mercure. Les lamelles sont donc disposées d’une telle sorte que le rayonnement émis par la planète soit réfléchi afin de ne pas chauffer la sonde.

Photo du radiateur thermique du MPO. Crédit : ESA

MMO

Le petit orbiteur MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), renommé Mio ce qui signifie « voie d’eau navigable » en japonais et représente ici le chemin parcouru par le projet, a été développé par la JAXA, l’agence spatiale japonaise, afin d’étudier la magnétosphère mercurienne. Pour ce faire, le MMO dispose de cinq instruments scientifiques qui comptent pour 40kg de la masse de la sonde : MMO-MGF, MPPE, MDM, MSASI et PWI. Ils produiront un total de 100 gigabits de données par an. Cet orbiteur sera placé sur une orbite polaire très elliptique avec un apoapside à 11640km et un périapside à 590km. Ainsi le MMO réalisera une orbite en 9 heures et 17 minutes. Il a la forme d’un prisme octogonal de 0,9m de hauteur et 1,8m de diamètre. Il pèse au total 275kg et ne possède que de peu de gaz froid pour contrôler son attitude. Ainsi, il sera mis en rotation à 15 tours par minute suivant un axe parallèle à l’axe de rotation de Mercure. Ceci permet que les deux extrémités du prisme ne soient jamais exposées au Soleil.

Répartition des instruments scientifiques à bord du MMO. Crédit : ESA

Les données du MMO sont transmises par une antenne grand gain situé sur la face du dessus. Cette antenne parabolique de 80cm de diamètre transmet les données en bande X avec un débit de 16 kilobits par seconde, soit environ 350 mégabits par séance de 6h par jour. La sonde dispose d’une mémoire interne de 2Go (soit 16 gigabits) pour stocker les télémesures et les données scientifiques entre deux sessions radio. Le MMO possède également une plus petite antenne à moyen gain, fixe. La partie supérieure des parois de l’octogone formant la sonde est recouverte de panneaux solaires et de miroirs afin de limiter la chaleur comme pour le MPO. Ceux-ci produisent 350W de puissance électrique afin d’alimenter tous les systèmes internes dont les 53W des instruments scientifiques.

Intégration entre les orbiteurs MPO et MMO. Crédit : ESA

MOSIF

Pendant toute la durée du voyage jusqu’à Mercure, l’orbiteur MMO est protégé dans une jupe pare-soleil qui sert également d’interface entre la sonde japonaise et la sonde européenne : le MOSIF, Magnetospheric Orbiter Sunshield and Interface Structure. Cette jupe mesure 3m de diamètre et 1,8m de haut. Elle pèse 145kg dont 20kg pour le système d’éjection et de mise en rotation du MMO. Sa protection thermique est extrêmement similaire à celle du MPO.

Photo de la jupe de protection solaire MOSIF. Crédit : ESA

MTM

Afin de transporter les deux sondes vers Mercure, BepiColombo utilise un étage de transfert : le MTM pour Mercury Transfer Module. Ce dernier pèse 2645kg dont 587kg de xénon (environ 10% de la production mondiale annuelle) et 157kg d’ergols chimiques. Il mesure 3,7m de large, 3,5m de profondeur et 2,3m de haut ce qui en fait la pièce la plus volumineuse de la mission. En plus de son volume très important viennent s’ajouter deux énormes panneaux solaires de 14m de longueur chacun. Ils peuvent ainsi produire une puissance d’environ 13kW d’électricité. Toute cette puissance ne sert quasiment qu’à une chose : le propulsion électrique MEPS.

Photo d’un deux panneaux solaires du MTM déployé en orbite. Crédit : ESA

Le système MEPS (MTM Electric Propulsion System) est constitué de quatre moteurs ioniques à grille. La manière dont fonctionnent ces moteurs est assez simple : Du xénon est injecté dans la chambre du moteur où il est ionisé avant que les noyaux des atomes ne soient accélérés par de grand électroaimant. Ce système est extrêmement pratique de par son efficacité encore inégalée : L’impulsion spécifique (qui mesure l’efficacité d’un moteur) des moteurs du MEPS est comprise entre 3958 et 4285 secondes contre seulement 453 secondes pour le moteur cryotechnique RS-25, le moteur à ergols liquides le plus efficace actuellement. Cependant ces moteurs ne produisent une poussée unitaire que de 145mN (contre 2279kN pour le RS-25). En faisant varier la puissance électrique, on peut moduler la poussée : Ainsi une puissance de 2,5kW fournira 75mN de poussée et 4,6kW fourniront 145mN.

Grâce aux 587kg de xénon qu’emporte le MTM, ce dernier aura un delta-V de 5 400m/s. Chacun de ces quatre moteurs peut être orienté précisément afin d’orienter BepiColombo comme souhaité. Dans le mode d’utilisation normale du MTM, seuls deux des quatre moteurs ioniques ne sont utilisés en même temps. Pendant toute la mission, le MEPS doit fonctionner pendant 880 jours répartis sur plus de 25 phases propulsives dont la plus longue dure 167 jours. 30 jours avant chaque survol planétaire, le MEPS est désactivé afin de ne pas perturber l’assistance gravitationnelle. Les quatre moteurs de ce système sont fournis par QinetiQ, le constructeur anglais qui avait notamment déjà fourni ceux du satellite européen GOCE.

Un des panneaux solaires du MTM déployés au sol pour des tests. Remarquez que malgré un objectif fish-eye, il rentre difficilement dans l’image. Crédit : ESA

Les panneaux solaires du MTM peuvent être pointés directement vers le Soleil lorsque la distance les séparant est inférieure à 0,62UA. En deçà, l’énergie du rayonnement solaire devient trop importante et les panneaux solaires atteignent des températures les dégradant. Pour pallier à ce problème, ils sont inclinés progressivement afin de limiter la surface en contact direct avec le rayonnement. Cependant, pour conserver une puissance nécessaire au bon fonctionnement du MEPS, ces panneaux ont dû être agrandis, d’où leur surface de 45m².

Pour en apprendre plus sur la chronologie de la mission que ce soit sur son développement ou sur son déroulement, vous n’avez qu’à aller lire ce second article sur l’histoire passée et future de BepiColombo.

Si vous voulez voir plein de magnifiques images de la mission, que ce soit du décollage, de sa fabrication ou même plus tard, celles prises prise par les sondes, allez voir la galerie de l’ESA.

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Mercure. La planète la plus proche du Soleil. Cette dernière nous est encore très mystérieuse. Seules deux sondes spatiales l’ont explorée : Mariner 10 qui l’a survolé trois fois en 1974-75 puis MESSENGER qui s’est mis en orbite polaire de 2011 à 2015. Ces deux missions étaient très innovantes et représentaient des pionnières de l’exploration spatiale. Malheureusement elles n’ont jamais permis d’étudier pleinement Mercure et ce pour plusieurs raisons. Pour Mariner 10 c’est la résonance spin-orbite 3:2 qui posa problème. Cette résonance signifie que la planète réalise trois rotations sur elle-même quand elle fait deux révolutions autour du Soleil. De par cette résonance, Mariner 10 n’a pu voir éclairées que les mêmes zones de Mercure et n’a donc pas pu cartographier l’entièreté de la planète. Pour MESSENGER ce problème était inexistant puisque la sonde s’était placée en orbite polaire de Mercure et non pas sur une orbite héliocentrique. Cependant, pour éviter de surchauffer, il avait été décidé que la sonde soit sur une orbite très elliptique. Ainsi la chaleur réfléchie et émise par la surface de la planète n’attaquait pas la sonde lorsque cette dernière se trouvait à son apoapside. Cependant, cet apoapside se trouvait plutôt vers le pôle Sud de Mercure, ce qui empêcha MESSENGER de cartographier cette partie de la planète correctement.

Schéma de la première sonde à survoler Mercure : Mariner 10. Crédit : NASA

BepiColombo a été lancée le 20 octobre à 3h45 CEST afin d’aller explorer cette planète encore trop méconnue. Et pour ce faire, la mission n’emporte pas une mais bien deux sondes et pas moins de seize instruments scientifiques pour étudier entièrement Mercure : de l’origine de la planète à l’étude de sa fine atmosphère en passant par des mesures de son champ magnétique et même une étude poussée de l’orbite de la planète permettant d’encore tester la théorie de la Relativité Générale d’Einstein. Cette mission conjointe entre l’ESA, l’agence spatiale européenne, et la JAXA, l’agence d’exploration aérospatiale japonaise, devrait durer au minimum huit ans et pourrait être allonger d’un an. Cependant, sur toute cette durée, il ne faut pas oublier de compter sept ans de voyages pour rejoindre Mercure avec pas moins de neuf assistances gravitationnelles de la Terre, de Venus et de la planète principale en elle-même, Mercure.

L’histoire du projet

Dès le milieu des années 1980, l’ESA envisage d’envoyer une sonde à destination de Mercure pour l’étudier. Dans cette même décennie, la mission Mercury Express (en référence à Vénus Express et Mars Express, deux autres missions d’exploration de l’ESA), plus connue sous le nom de LUGH, Low-cost Unified Geophysics at Hermes (Hermes étant le nom du dieu grec qui est devenu Mercure chez les romains et qui a donc donné son nom à la planète en question), est imaginée. Celle-ci prévoyait le lancement d’un vaisseau-mère qui se chargerait d’emporter deux mini-sondes jusqu’à Mercure. LUGH ne sera cependant pas retenu car ses objectifs se superposent à ceux de MESSENGER, la sonde américaine développée en même temps dans le cadre du programme Discovery.

Vue d’artiste de la sonde américaine MESSENGER en orbite de Mercure. Crédit : NASA

Quelques années plus tard, en 1996, le comité scientifique de l’ESA annonce les prochaines missions lourdes qu’il a choisi pour son programme Horizon 2000+. Celles-ci sont LISA, mesures des ondes gravitationnelles grâce à deux satellites, Gaia, un observatoire spatial qui fournit des données très importantes sur l’ensemble du ciel, et enfin une mission d’exploration de Mercure. L’année qui suit, une étude détaillée de cette dernière mission est réalisée et on en conclut qu’il faudra deux véhicules distincts : un orbiteur stabilisé sur trois axes pour étudier la surface et un orbiteur spinné (en rotation sur lui-même) pour mesurer les champs magnétique et électrique. Ces deux véhicules devront également avoir recours à la propulsion électrique afin d’atteindre la planète. Cette mission européenne doit permettre d’effectuer des études beaucoup plus approfondies que la sonde américaine MESSENGER mais aussi de compléter la cartographie et les relevés topographiques qui doivent être réalisés par cette dernière. En septembre 1999, il est décidé de baptiser cette mission BepiColombo, en l’honneur du scientifique italien Guiseppe « Bepi » Colombo qui a permis aux ingénieurs de la NASA, grâce à ses calculs, de réaliser plusieurs survols de Mercure avec Mariner 10.

Photo de Guiseppe Colombo, le scientifique qui a donné son nom à la mission BepiColombo. Crédit : ESA

Pendant cette même période, de l’autre côté de la Terre, l’Institut des sciences spatiales et astronautiques japonais, l’ISAS qui a plus tard donné la JAXA avec deux autres organismes, étudie également la possibilité d’envoyer une sonde à destination de Mercure. Celle-ci doit être lancée par une fusée nipponne H-IIA en 2005 pour arriver sur son lieu d’étude en 2008 où elle serait mise sur orbite polaire elliptique. Le but de cette sonde est d’étudier les champs magnétique et électrique ainsi que les particules du vent solaire. Au tout début du XXIème siècle, les projets européens et japonais fusionnent et il est décidé que l’ISAS développera l’orbiteur spinné de BepiColombo : La mission n’est plus simplement internationale, elle devient intercontinentale !

L’orbiteur japonais MMO en cours de fabrication au Japon. Crédit : JAXA

Dans les plans initiaux de BepiColombo, un atterrisseur était présent. Celui-ci, nommé Mercury Surface Element, MSE, devait se poser au niveau des régions polaires, non loin du terminateur (séparation entre la nuit et le jour sur un corps céleste) afin de limiter les contraintes thermiques. Il devait peser 44kg pour un diamètre de 90cm et une masse d’instruments scientifiques de 7kg dont des caméras de descente et de surface, un spectromètre à rayons X, un magnétomètre, un sismomètre et plusieurs autres instruments destinés à des mesures sur les propriétés thermiques et mécaniques du sol. Certains de ces derniers nécessitent un dispositif d’ancrage au sol mais aussi un moyen de les placer à plusieurs mètres du MSE pour ne pas parasiter les données, par exemple dans le cas du magnétomètre à cause des systèmes électriques du robot. A cause de l’atmosphère de la planète beaucoup trop ténue, l’atterrisseur doit recourir à des rétrofusées ce qui impacte de manière importante la masse d’ergols à emporter. Ces moteurs doivent amener le MSE à une vitesse nulle à 120m d’altitude avant de déployer une série de coussins gonflables qui doivent le protéger au moment de l’impact à une vitesse maximale de 30m/s. Cette technique sera utilisée quelques années plus tard par la NASA pour faire atterrir son rover Opportunity à la surface de Mars. L’atterrisseur MSE doit posséder une batterie de 1,7kWh afin de l’alimenter en électricité pendant sa mission de sept jours. Au final, la complexité d’un tel atterrisseur, les contraintes thermiques à la surface, les limites de masse de BepiColombo et les limites budgétaires de l’ESA à la suite des restrictions en 2003 contraignent à l’abandon du MSE.

Modèle 3D du projet d’atterrisseur MSE, plus tard abandonné. Crédit : ESA

Vient ensuite le temps de choisir le lanceur pour cette mission. Deux scénarios sont envisagés : Un premier qui vise à envoyer les deux sondes indépendamment grâce à deux lanceurs Soyuz qui décolleraient depuis Baïkonour, et un second, plus simple techniquement mais plus coûteux, dans lequel les deux sondes sont envoyées ensemble à bord d’une Ariane 5 tirée depuis Kourou. Avec le développement d’une nouvelle version de l’étage supérieur Fregat du lanceur Soyuz ainsi que la construction d’un pas de tir pour ce dernier en Guyane, ce qui augmentera ses performances grâce à l’effet de fronde, il est décidé de lancer les deux sondes à bord d’un Soyuz qui décollera depuis Kourou en 2013 afin d’arriver en orbite de Mercure en 2019. Initialement, BepiColombo est conçue pour tenir dans la coiffe du lanceur russe mais aussi pour ne pas dépasser 80% de la masse de charge utile maximale que peut mettre sur orbite ce dernier. Cependant, au fur et à mesure de l’avancée du projet, cette masse augmente dangereusement et le projet frôle l’annulation en 2008. Au final, il est décidé de tirer BepiColombo à bord d’une Ariane 5, ce qui augmente le coût du projet de 120 millions d’euros mais qui permet une charge utile bien plus lourde. En décembre 2009, le Comité du programme scientifique de l’ESA approuve la reconfiguration et un contrat avec Arianespace est signé en septembre 2011.

Photo du pas de tir de Soyuz à Kourou. Crédit : ESA

En 2007, l’ESA choisit Astrium Allemagne (devenu depuis Airbus Defence and Space) ainsi que Thales Alenia Space Italie pour le développement de la sonde européenne MPO (Mercury Planetary Orbiter) et de l’étage de transfert MTM (Mercury Transfer Module). Des études poussées montrent que les panneaux solaires ne pourront pas faire face à l’afflux thermique qu’ils vont subir : il faut fortement accroître leur surface ce qui fait monter la masse de la sonde à 4t et qui conforte le changement de lanceur pour passer de Soyuz à Ariane 5. Malgré un coût qui atteint 970 millions d’euros, l’ESA décide de continuer le projet. Plusieurs retards à la suite de problèmes principalement lors du développement du système complexe de propulsion solaire-électrique repoussent le lancement de la mission de 2014 à octobre 2018.

L’orbiteur MPO et l’étage de transfert MTM pendant un test dans le simulateur spatial. Crédit : ESA

En août 2011, Thales Alenia Space fournit à l’ESTEC, le Centre européen de technologie spatiale, un modèle thermique du MPO. Dès septembre de la même année des tests sur ce modèle débutent dans le LSS (Large Space Simulator, une grande chambre à vide permettant de recréer les conditions de l’espace) afin de vérifier la résistance de l’engin à des erreurs d’orientation dans des régions proches du Soleil. En décembre 2011 c’est au tour du Japon de livrer un modèle thermique de l’orbiteur spinné MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) à l’ESTEC qui subira les mêmes tests. Six mois plus tard, on commence les mesures de répartition des masses de la sonde entièrement assemblée. L’usine de Turin de Thales Alenia Space achève l’assemblage du modèle de BepiColombo qui servira aux qualifications finales et au vol en juillet 2014. Les modules sont ensuite livrés à l’ESTEC durant l’été 2015 pour y réaliser les tests finaux et s’assurer que ceux-ci n’auront pas de problèmes une fois dans l’espace. Et heureusement que ces tests ont été faits ! En effet, un problème majeur a été détecté dans un boîtier de régulation électrique du MTM. Cette défaillance a causé un des reports de lancement et a poussé les sondes à n’arriver vers Mercure qu’en décembre 2025. Pendant l’été 2017, les tous derniers tests sont réalisés à l’ESTEC en configuration de vol pour le trajet jusqu’à Mercure mais aussi après séparation des différents modules. Les quatre pièces formant BepiColombo ont ensuite été livrées à Kourou pour y être assemblées et intégrées à leur lanceur Ariane 5. Au final, le coût total du projet pour l’ESA et la JAXA s’élève à 1,65 milliards d’euros. Si vous pensez que ces dépenses sont bien trop grandes et inutiles, dites-vous que ce projet aurait pu être financé instantanément si chaque personne résidant en Union Européenne et au Japon donnait 2,60€. En comparaison, la France dépense l’équivalent de 861€ par habitant pour la défense chaque année.

Modèle de BepiColombo utilisé pour les tests thermiques. Celui-ci est aujourd’hui exposé au Science Museum de Londres. Crédits : @therogue_astro avec son accord

Déroulement de la mission

La mission BepiColombo est une des plus ambitieuses de l’histoire : près de sept ans de voyages et pas moins de neuf assistances gravitationnelles pour atteindre la planète aux conditions orbitales les plus rudes, Mercure. Ainsi, le 20 octobre 2018, à 3h45 CEST, une Ariane 5 décolle depuis le Centre Spatiale Guyanais à Kourou. Cette Ariane 5, c’est celle qui emporte BepiColombo dans sa coiffe. Deux minutes plus tard, les deux gigantesques étages d’accélération à poudre (EAP) sont vides et sont donc largués. A T+3 minutes du lancement, c’est au tour de la coiffe de devenir inutile et d’être larguée : pour la première fois, BepiColombo est en contact direct avec le vide de l’espace. Six minutes après cet évènement, l’étage principal cryogénique (EPC), vide, est séparé et c’est l’étage secondaire cryogénique (ESC-A) qui prend le relai sur la propulsion. A T+27 minutes, BepiColombo a atteint la trajectoire visée : Il est sur une trajectoire hyperbolique pour quitter la Terre avec 3km/s de supplément par rapport à la vitesse de libération de cette dernière. Moins d’un quart d’heure plus tard, l’antenne de l’ESA à New Norcia en Australie reçoit le signal de BepiColombo : Le lancement s’est déroulé parfaitement !

Décollage de BepiColombo. Crédit : ESA

74 minutes après le lancement, les deux gigantesques panneaux solaires du module de transfert (MTM) ainsi que le panneau de l’orbiteur européen (MPO) sont déployés. Une photo prise par une caméra positionnée sur le MTM et reçue 12h après le décollage viendra confirmer ce déploiement. Deux autres caméras apportent, de la même manière, des preuves visuelles du bon déploiement de l’antenne haut-gain du MPO ainsi que de son mât à expériences. L’antenne s’est déployée 29h30 après le décollage tandis que le mât a attendu 18h pour s’ouvrir. Enfin, trois jours après le décollage, les sous-systèmes du vaisseau et les instruments reçoivent une dernière vérification avant de démarrer la longue phase de croisière. A partir de ce moment, BepiColombo a déjà dépassé l’orbite lunaire depuis plus d’un jour et approche de sortir de la sphère d’influence terrestre : Cette sphère représente le lieu où la gravité terrestre est majoritaire sur celle de tout autre corps.

Les trois photos qui ont permis de confirmer le bon déploiement des panneaux solaires du MTM et de l’antenne grand gain et du mât du MPO. Crédit : ESA

Deux mois plus tard, le système de propulsion MEPS sera allumé pour la première fois. Les moteurs ioniques, en fonctionnement, vont ioniser du xénon pendant un total de 880 jours tout au long de la mission, répartis en plus de 25 phases propulsives. Les assistances gravitationnelles commenceront avec la première le 13 avril 2020 : BepiColombo passera à environ 11 200km de la Terre. Quelques mois plus tard, le 16 octobre 2020, ce sera au tour de Vénus de recevoir une visite de la sonde à moins de 11 000km d’altitude. Le 11 août 2021, BepiColombo passera à nouveau proche de cette planète mais cette fois à une distance de seulement 1 000km. S’en suivront ensuite six assistances de Mercure afin de modifier suffisamment l’orbite de BepiColombo pour minimiser le coût en carburant de l’insertion en orbite. Ces survols auront lieu le 2 octobre 2021 à 200km, le 23 juin 2022 à 200km, le 20 juin 2023 à 200km, le 5 septembre 2024 à 200km, le 2 décembre 2024 à 40 000km et enfin le 9 janvier 2025 à 345km.

A partir de cette dernière date, BepiColombo sera sur une trajectoire quasiment identique à celle de Mercure. Il ne suffira plus que d’une petite impulsion des moteurs chimiques du MPO pour se placer en orbite polaire autour de la planète. Mais avant cette insertion, l’étage de transfert MTM sera largué car devenu inutile, début octobre 2025. Le 5 décembre de la même année, les moteurs à propulsion liquide de l’orbiteur européen MPO seront allumés afin de se placer sur une orbite haute très elliptique (674km par 178 000km). Cette insertion sera réalisée à l’aide d’une méthode connue sous le nom anglais de « weak stability boundary capture ». Cette méthode consiste à faire arriver son vaisseau en bordure de la sphère gravitationnelle (au niveau des points de Lagrange Mercure-Soleil L1 ou L2) pour se faire capturer en douceur par le corps, en l’occurrence Mercure.

Schéma simpliste du principe du « Weak Stability Boundary Capture ». Crédit : Aurélien Genin

Une fois cette première insertion orbitale réalisée, le MPO allumera à cinq reprises ses propulseurs afin de diminuer l’altitude de son apoapside pour atteindre une orbite polaire de 590km par 11 640km : l’orbite du MMO, la sonde japonaise. Cette dernière sera larguée peu de temps après mais cette séparation est soumise à certaines contraintes techniques : Coupure de signal en cas d’opposition Terre-Mercure, impossibilité de réaliser des manœuvres dans une zone de plus ou moins 60° du périhélie pour éviter les surchauffes non prévues et enfin des éclipses pouvant impacter l’alimentation énergétique du MMO. Une fois le MMO largué, la jupe de protection MOSIF sera séparée elle aussi, devenue inutile. L’orbiteur MPO réalisera enfin une série de dix propulsions afin de se placer sur son orbite finale : 480km par 1500km. Au total la phase d’insertion en orbite aura duré trois mois auquel il faut rajouter un mois de mise en service de la sonde européenne.

Récapitulatif des différentes séparations entre les morceaux de BepiColombo à l’arrivée de Mercure. Crédit : ESA

La phase d’exploration de Mercure commence donc vers le début 2026 et doit durer une année terrestre pendant laquelle Mercure aura effectué quatre révolutions autour du Soleil. Il est cependant prévu d’étendre cette phase d’une année supplémentaire si les équipements fonctionnent toujours. Au total, le voyage jusqu’à Mercure aura duré plus de sept ans pour une distance parcoure de neuf milliards de km et plus de 18 orbites solaires réalisées. BepiColombo atteindra une vitesse de pointe de 60km/s ce qui rendent ridicule les 7,7km/s de l’ISS en orbite terrestre. De par les 240 millions de km qui pourront séparer BepiColombo de la Terre, un signal pourrait mettre plus de 13min pour réaliser un simple voyage aller entre les antennes au sol et les antennes des sondes.

Pour en apprendre plus sur les aspects techniques de la mission ainsi que sur tous les instruments qu’elle emporte, vous n’avez qu’à aller lire ce second article qui entre bien plus dans les détails des vaisseaux.

Si vous voulez voir plein de magnifiques images de la mission, que ce soit du décollage, de sa fabrication ou même plus tard, celles prises prise par les sondes, allez voir la galerie de l’ESA.

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