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Hommage aux Voyager et autres sondes spatiales

Document David A. Hardy.

De frêles esquifs partis à l'aventure sur l'océan cosmique (I)

Ainsi que vous l'avez constaté, de nombreuses pages de ce site consacrées au système solaire sont richement illustrées. Elles rendent implicitement hommage aux missions Apollo, aux observatoires orbitaux Cluster, Hubble, Iras, Soho, Trace, Yohkoh ainsi qu'aux sondes spatiales Cassini-Huygens, Clementine, Galileo, Giotto, Hayabusa, Juno, Lunar Orbiter, Mariner, Mars Global Surveyor, Mars Express, Mars Odyssey, New Horizons, Pioneer, Ulysse, Voyager et bien d'autres explorateurs mécaniques.

Dans le cadre de cette extraordinaire aventure spatiale, ces sondes ont accompli une tâche monumentale, remplissant leurs missions souvent au-delà de toutes les espérances. D'ailleurs certaines parmi ces missions sont toujours en cours.

Ces sondes spatiales ne sont pas lancées dans l’espace comme on jetterait une bouteille à la mer. Elles font non seulement partie d’un projet scientifique mais également d'un système de communication sophistiqué alliant une sonde d’exploration in situ et des stations terriennes de poursuite qui dans le cas présent peuvent les suivre à la trace pendant des décennies.

Ainsi que nous l'avons expliqué, les installations radio du réseau DSN de la NASA, situées en Californie, en Australie et en Espagne sont des composantes tout aussi critiques que les sondes elles-mêmes.

C’est le Jet Propulsion Laboratory (JPL) installé en Californie à Pasadena qui, sans cesse, améliore ce système en lui ajoutant de nouveaux récepteurs, des filtres, des logiciels de traitement de signaux et des antennes toujours plus sensibles. Ces améliorations ne peuvent toutefois pas compenser la perte graduelle de la puissance d’émission des sondes spatiales à mesure qu’elles s’éloignent de la Terre.

Si dans la banlieue terrestre le bruit de fond galactique n'est pas sensible ni gênant, aux confins du système solaire il est prédominant et le signal est à peine perceptible.

C'est la raison pour laquelle les stations terriennes de poursuite doivent disposer de très grandes paraboles. En complément, les émetteurs des sondes spatiales doivent également être suffisamment puissants et les systèmes de réception capables de corriger les erreurs de transmission. Or ce n'était pas le cas au début de la conquête spatiale.

Ces contraintes ont conduit les ingénieurs à développer des algorithmes de compression de données et de correcteur d'erreurs qui ont permis d'accélérer la réception des images tout en augmentant la fiabilité des données.

L'antenne DSS-14 de 70 m de Goldstone intégrée au réseau DSN de la NASA. Il s'agit de la plus grande antenne orientable dédiée aux télécommunications spatiales. A droite, l'impression que cela donne sous l'antenne. Quand on à l'habitude des petites paraboles TV, c'est impressionnant ! En fait plus la parabole est grande plus elle est capable de détecter de faibles signaux. Document UCLA/RADHEP.

Mais loin du Soleil, l'énergie devient une denrée rare et précieuse. Aussi, afin de conserver une réserve de puissance pour des corrections éventuelles de trajectoire ou de position loin de la Terre, la vitesse de transmission de Pioneer 10 par exemple a été réduite à 16 bits par seconde (bps), un débit plus lent que celui d’une conversation ordinaire.

En revance, la sonde Voyager a profité des avancées technologiques. Disposant de 20 fois plus de puissance que Pioneer, d’un émetteur fonctionnant à une fréquence plus élevée, d'une antenne un tiers plus grande et d’une antenne terrienne de 34 mètres de diamètre, Voyager communique avec la Terre dix fois plus rapidement que Pioneer 10. Jugées très rapides pour l'époque, à l'ère de la fibre optique et des très hauts débits (se chiffrant en Gbits/s), le débit de transmission de ces sondes spatiales nous paraît ridiculement faible aujourd'hui. C'est pourtant grâce à ces pionniers que nous profitons de la loi de Moore qui touche toute l'électronique et l'informatique.

Honneur aux anciens : Pioneer et Voyager

Sur le plan théorique, nous devons le projet scientifique Pioneer au célèbre professeur James Van Allen. Il fut aussi le chercheur responsable du compteur Geiger embarqué (Geiger Tube Telescope) sur ces sondes.

Parmi les premières missions au long cours interplanétaire il y a celle de la sonde spatiale Pioneer 10. Ce projet fut conçu au début des années 1970 par l'ingénieur américain Herb Lassen de TRW. Cette société fut intégrée en 2002 aux secteurs Mission Systems and Space Technology de Northrop Grumman, l'une des 10 majors du secteur astronautique américain. On y reviendra en deuxième partie de cet article.

Pioneer 10

Pioneer 10 fut la première sonde spatiale qui photographia Jupiter. Lancée le 3 mars 1972 par une fusée Atlas-Centaur D, la rencontre avec le géant jovien eut lieu le 4 décembre 1973. Cette sonde emblématique pesait 258 kg et disposait d'une antenne parabolique de 2.74 m de diamètre.

Comme la majorité des sondes spatiales, les corrections de trajectoires furent assurées par de petits moteurs-fusées à hydrazine tandis que les instruments étaient alimentés en électricité par des générateurs thermoélectriques à radioisotopes (RTG) générant une puissance de 24 watts.

A lire : Comment s'oriente une sonde spatiale ?

Entourant le plan des sondes spatiales Pioneer 10 et 11, à gauche, Pioneer 10 toute neuve et à droite, un gros-plan sur sa parabole de 2.74 m si précieuse. Sans antenne, les sondes spatiales sont incapables de communiquer. Documents NASA, Noemotion pour IEEE Spectrum et H.M.Stanfield.

Pioneer 10 embarqua 11 instruments scientifiques pesant 33 kg et présentait un long bras s'étendant depuis le module des instruments portant un capteur magnétométrique. La sonde spatiale tournait sur elle-même sur un axe parallèle à celui de l'antenne parabolique. Plusieurs petits propulseurs à hydrazine placés sur le bord de l'antenne permet d'ajuster sa vitesse en cours de vol, son taux de rotation et de maintenir son antenne orientée vers la Terre.

Les données étaient transmises à la Terre par un émetteur en bande S de 8 watts à un débit variant entre 16 et 2040 bits/s, à peine plus vite que les modems construits à cette époque dont le débit variait entre 300 et 1200 bits/s.

En décembre 1973, Van Allen utilisa Pioneer 10 pour mesurer l'intensité des ceintures de radiation entourant le géant jovien.

Pioneer 11

Pioneer11 fut fabriquée sur le même modèle que son prédécesseur (258 kg, parabole de 2.74 m, 12 instruments de 30.4 kg, 25 watts de puissance et un débit de transmission variant entre 16 et 2048 bits/s).

Après avoir visité Jupiter en décembre 1974, prit quelques images et mesuré son champ magnétique, Pioneer 11 rencontra Saturne en septembre 1979, une première dans l'histoire de l'astronautique. A cette occasion, beaucoup de téléspectateurs ont délaissé leurs loisirs pour suivre cette mission avec beaucoup d'intérêts. Pioneer 11 permit notamment de découvrir deux nouvelles lunes autour de Saturne et un nouvel anneau (un second anneau mince doublant l'anneau F).

Passé le cap de l'an 2000, après 8 mois d'efforts, en août 2001 le signal de Pioneer 10 fut détectée près d'Aldébaran dans la constellation du Taureau par l'antenne du DSN de Madrid. La sonde alors à 78 UA, deux fois la distance qui nous sépare de Pluton, émettait avec une puissance réduite à un milliardième de trillon de watt (10-21 watts).

A la plus grande joie de son créateur Herb Lassen de la société TRW, Pioneer 10 vivait toujours depuis son lancement en 1972, alors que sa garantie était depuis longtemps périmée, ne le couvrant que 21 mois.

Alors que Pioneer 10 ne visita que Jupiter, grâce à l'effet d'assistance gravitationnelle, Pioneer 11 accomplit la prouesse technique de visiter Jupiter et Saturne. Toutefois, si la moisson scientifique fut importante et intéressante comme en témoigne l'ouvrage publié par Richard O. Fimmel en 1980 présenté ci-dessous, à l'inverse des images de Jupiter qui étaient claires et détaillées, les images de Saturne n'étaient pas de très bonne qualité ni nombreuses.

A lire : Pioneer: First to Jupiter, Saturn, and beyond, Richard O. Fimmel, NASA SP-446, 1980

Pioneer Odyssey, Richard O. Fimmel, NASA SP-349, 1977

Quelques unes parmi les plus belles illustrations de la sonde spatiale Pioneer aujourd'hui et... dans un lointain futur. Documents NASA, Noemotion pour IEEE Spectrum et Adolph Schaller pour le National Geographic.

Après avoir annoncé la fin des transmissions avec Pioneer 11 en septembre 1995, le 26 février 2003, la NASA annonça officiellement l'arrêt des communications avec Pioneer 10. La sonde spatiale souffrait d'une faiblesse et d'une décroissance de sa source d'énergie radioisotopique et avait envoyé ses derniers signaux le 22 janvier 2003 à quelque 12.2 milliards de km de la Terre, soit à presque 82 UA.

Van Allen s'attendait en fait à cette décision lorsque la NASA l'avertit personnellement par téléphone une semaine plus tôt. Mais dans son esprit l'odyssée de Pioneer 10 n'était pas terminée; il écrivit en effet des articles à son sujet et s'intéressa de près à la fameuse "anomalie de Pioneer", une erreur sur sa position estimée découverte en 1996. On y reviendra.

Voyager 1 et 2

Le projet de "grand tour" vers les planères extérieures remonte à 1961. Le jeune mathématicien Michael Minovitch (dont voici le site web) de l'UCLA proposa aux ingénieurs du JPL de tirer profit de l'assistance gravitationnelle des planètes pour changer de trajectoire et visiter plusieurs planètes sans consommer le moindre carburant. De plus, il avait noté que par chance les planètes géantes se trouveraient dans le même secteur du ciel entre 1980-1990 et qu'il existait une fenêtre de lancement de quelques mois en 1977, une occasion qui n'allait pas se reproduire avant 175 ans. Après avoir testé son hypothèse sur ordinateur avec succès, son idée fut approuvée par la NASA qui l'appliqua immédiatement à la sonde spatiale Mariner 10 qui survola Vénus en 1973 puis vira pratiquement à angle droit pour atteindre Mercure en 1974.

A gauche, lorsque Vénus et Mercure sont dans le même secteur du ciel, l'assistance gravitionnelle de Vénus permit à la sonde spatiale Mariner 10 d'atteindre Mercure sans consommer de carburant. A droite, les trajectoires des sondes spatiales Pioneer 10 et11 et de Voyager 1 et 2 profitant de l'assistance gravitationnelle aussi efficacement qu'un projectile placé dans une fronde et un objet chargé dévié par un aimant. Documents NASA (SP-424) et NASA adapté par l'auteur.

Entre-temps, en 1965 Gary Flandro qui terminait son Master en Aéronautique (il obtint son Ph.D. de Caltech en 1967) travaillait à temps-partiel au JPL. Il se rappela qu'en 1940, à l'âge de 6 ans, on lui offrit le nouveau livre "Wonders of the Heavens" d'Arthur Draper dans lequel il vit un dessin montrant les planètes alignées comme des pavés : "Je pensais combien il serait chouette d'aller jusqu'au bout du système solaire et de passer près de chacune de ces planètes extérieures", dit-il au cours d'une interview accordée en 2017 au journaliste et écrivain Timothy Ferris.

Assigné par le JPL à la préparation des futures missions spatiales au-delà de Mars, Flandro traça sur une feuille de papier les futures positions de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune et confirma les calculs de Minovitch; les quatre planètes géantes seraient alignées dans les années 1980 de manière à ce qu'un seul vaisseau spatial puisse profiter de son impulsion orbitale pour sauter de l'une à l'autre. Il pouvait gagner suffisamment de vitesse pour visiter les quatre planètes en 10 ou 12 ans alors qu'il aurait fallut plusieurs décennies et plusieurs sondes spatiales en vol direct. Etant donné que l'analyse de Flandro appuya la théorie de Minovitch, la NASA décida de l'appliquer concrètement et lança l'avant-projet de la mission Voyager le 1er juillet 1972.

A l'origine, sur base des missions spatiales précédentes, les ingénieurs du JPL se doutaient que le Congrès américain ne comprendrait pas l'intérêt d'un grand tour et refuserait de financer un vaisseau lourd, n'envisageant qu'une mission vers Jupiter et Saturne. Mais les ingénieurs continuèrent tranquillement à travailler à la conception de ce qui était encore nommé la mission "Mariner 11". Le nom fut ensuite changé en "Voyager" lorsque le projet différa notablement des anciennes missions Mariner. En effet, rapidement les deux sondes spatiales Voyager 1 et Voyager 2 s'avérèrent intelligentes, puissantes, robustesd, endurantes, équipées de deux caméras à haute définition sensibles entre 280-640 nm et de divers capteurs, et furent conçues pour aller jusqu'au-delà de Neptune.

A télécharger : Plan de la sonde spatiale Voyager

(Fichier.GIF de 2.3 MB restauré par l'auteur)

La sonde spatiale Voyager. A droite, tests des instruments scientifiques en 1976 sur le modèle d'essai (qui n'a jamais volé) dans le simulateur spatial du JPL dédié aux tests des vaisseaux non habités dans une chambre de 25' simulant les conditions du vide spatial. Cette chambre mesure 8.1 m de diamètre, 25.5 m de hauteur et pèse 16 tonnes avec ses annexes. Documents NASA/JPL et JPL Photojournal.

Mais compte tenu de leur coût - 250 millions de dollars par sonde spatiale en 1977 soit plus d'un milliard de dollars actualisés - tout "défaut" dans la conception des vaisseaux pouvant limiter leur durée de vie était exclu. C'est la raison pour laquelle le fonctionnement des capteurs solaires du système de navigation furent simulés en chambre vide afin d'être certain qu'ils fonctionneraient au-delà de Saturne, là où le Soleil serait au moins quatre fois plus pâle qu'à hauteur de Jupiter. Des techniques d'économie de carburant furent également mises au point afin que la mission soit assurée encore bien longtemps après la fin officielle de la mission. "Nous l'avons fait et n'avons pas parlé du sujet", se rappela l'ingénieur William Pickering (1910-2004), directeur du JPL à l'époque.

Décollage de la fusée Titan IIIE le 3 septembre 1977 depuis Cape Canaveral en Floride. La fusée embarqua la sonde spatiale Voyager 1 qui s'envolera quelques minutes plus tard vers les confins du système solaire. Document NASA/MSFC.

La ruse fonctionna. Une fois que Voyager s'avéra à la fois une cornucopia scientifique, offrant potentiellement une profusion de données et d'images, et un émissaire mondialement populaire capable de voyager jusqu'aux confins du système solaire, le Congrès finança la mission étendue que le JPL avait subrepticement planifiée tout au long de l'avant-projet.

La construction des sondes spatiales Voyager 1 et 2 débuta en mars 1975. Après deux ans de tests dans le simulateur spatial du JPL et de nombreux ajustements, durant l'été 1977 la NASA plaça chaque sonde spatiale au sommet d'une fusée Titan-Centaur IIIE dont la conception fut dérivée du missile balistique intercontinental SM-68. Cette fusée pouvait lancer une charge de 3.9 tonnes vers Mars et plus d'une tonne vers Jupiter. Les deux fusées et leur précieuse sondes Voyager furent respectivement lancées de Cape Canaveral le 20 août et le 5 septembre 1977.

Sommet de la technologie des années 1970, les sondes Voyager comprenaient 65000 composants, 10 instruments d'analyses et pesaient 825 kg - trois fois plus que Pioneer 10 - répartis entre l'immense antenne parabolique à haut gain (HGA) de 3.7 m de diamètre, une électronique et des détecteurs sophistiqués et 3 générateurs RTG à PuO2 couplés à un thermocouple capable de générer une puissance de 470 watts à l'époque du lancement, trois fois supérieure à celle de Pioneer 10.

Voyageur 1 transmit ses données à un débit de 115.2 kilobits/sec (kbps) soit 14.4 KB/s, sept fois plus rapidement que les dernières sondes Mariner (16.2 kbits/s soit 2 KB/s) et 56 fois plus vite que les sondes Pioneer (2.05 kbps soit 256 bytes/s). En revanche, les données télémétriques étaient transmises en bande X à seulement 160 bits/s. Notons par comparaison que la sonde New Horizons qui visita Pluton en 2015 transmettait ses données à peine plus vite que Pioneer (2.11 kbps soit 263 KB/s !).

Au débit de 115.2 kbits/s jugé très rapide pour l'époque (en 1977, les modems grand public fonctionnaient encore à 300 ou 1200 bits/s), une image de 10 MB prenait un peu moins de 12 minutes (711 secondes) pour être transmise par l'antenne HGA au DSN et apparaître sur les écrans du JPL.

Voyager 2 envoya sa dernière image de Neptune en 1989. Depuis, les deux sondes Voyager n'envoient plus que percimonieusement des données au JPL.

Les deux Voyager furent télécommandés jusqu'à plus de 4.5 milliards de kilomètres de distance, avec un temps de réponse qui atteignit 4 heures. Parcourant 1 UA tous les trois mois, la puissance des transmissions, de 20 watts à l'émission, arrivent à présent sur Terre avec une puissance réduite 1018 fois... Les techniciens ont calculé la trajectoire de Voyager 2 avec une précision "sur site" de 30 km, une ponctualité de 10 minutes et l'orientation de son antenne fut précise à 0.05° près !

A gauche, les changements de vitesses subis par la sonde spatiale Voyager 2 suite à l'effet d'assistance gravitationnelle. Passée Jupiter, sa vitesse héliocentrique dépassa la vitesse de libération et elle s'est affranchie de l'attraction du Soleil. Au centre, la Terre photographiée par Voyager 1 le 12 septembre 1996 à plus de 6.4 milliards de kilomètres soit 46.7 UA de distance. Carl Sagan la décrivit comme "a dust mote in a sunbeam" (une poussière dans un rayon de lumière) et donne toute la mesure de l'insignifience de notre existence dans l'immensité du cosmos. A droite, la position des sondes Pioneer et Voyager en l'an 2000. Notez la forme sphérique de l'héliosphère découverte en 2017 grâce à la sonde Cassini. Aujourd'hui les deux sondes Voyager ont transversé l'héliopause. Documents T.Lombry adapté de la NASA, NASA/JPL et T.Lombry inspiré de NASA/JPL.

En 1992-1993, signes avant-coureurs de leur évasion, Voyager 1 et 2 ont enregistré les bruits provoqués par l’onde de choc du vent solaire sur l’héliopause qui marque la frontière entre le système solaire et l’espace interstellaire. Au tournant du millénaire on estimait que cette limite se situait encore 40 UA devant les deux sondes soit l'équivalent de 10 ans de voyage.

Comme prévu, le 1 août 2002 Voyager 1 franchit l'onde de choc terminale de la magnétosphère à environ 94 UA soit 14.1 milliards de kilomètres du Soleil. A cette occasion les astrophysiciens récoltèrent une manne de données sur ces fameux rayons cosmiques peu ordinaires et sur la composition générale de cette vaste région inexplorée. Après avoir traversé un nouveau flux intense de vent solaire, Voyager 1 poursuivit sa route vers l'héliopause, un parcours de 28 UA soit plus de 4 milliards de kilomètres.

L'héliosphère avec les trajectoires des sondes spatiales Voyager 1 et 2. Document K. Dialynas et al. (2017) adapté par l'auteur.

A cette distance, les deux sondes spatiales continuaient de voir le Soleil comme une étoile brillante et ajustaient leur position, se balançant de ci de là en allumant leurs petites fusées à hydrazine pour orienter leur antenne et transmettre leurs informations aux stations de poursuite terriennes. Car leur activité n'était pas encore achevée et continuaient à transmettre de précieux renseignements sur le milieu interplanétaire.

Finalement, entre mai et juillet 2012, à environ 122 UA de la Terre, Voyager 1 franchit l'héliopause dont l'épaisseur est de 0.6 UA et pénétra dans une zone constituée de particules neutres interstellaires d'une énergie de plusieurs MeV. La sonde spatiale venait de sortir du système solaire. C'est à cette occasion que Voyager 1 mesura l'intensité et la direction du champ magnétique interstellaire local et observa qu'il était décalé de 40° par rapport au "nord magnétique vrai" déterminé par le champ magnétique interstellaire.

Précisons que le nord magnétique est orienté vers une région interstellaire située à environ 1000 UA ou 150 milliards de kilomètres du Soleil, aux coordonnées 227.28° de longitude et 32.52° de latitude par rapport à l'écliptique.

A présent, il faudra attendre 2023-2025 pour que Voyager 1 traverse l'arc de choc et fasse l’expérience du milieu interstellaire.

De son côté, en 2002 Voyager 2 atteignit l'enveloppe de l'onde de choc terminale à 84 UA du Soleil. En 2012, Voyager 2 se trouvait à 98 UA de la Terre et franchit l'héliopause en 2013. A son tour, elle devrait faire l'expérience du milieu interstellaire vers 2025.

Les amateurs peuvent-ils détecter les signaux de ces sondes spatiales ? Moyennant l'installation d'une antenne parabolique d'au moins 2 m de diamètre accordée sur la bande S vers 2.32 GHz il était possible de détecter les faibles signaux émis par ces sondes jusqu'à plus de 10 milliards de km de la Terre. Les membres de la SETI League par exemple ont réalisé de telles prouesses ainsi que les radioamateurs équipés d'antennes et de récepteurs performants.

A consulter : Le message emporté par Voyager 1 et 2

Voyager Weekly Report, JPL

A gauche, orientation du champ magnétique interstellaire mesuré par la sonde Voyager 1 après avoir traversé l'héliopause. A droite, l'augmentation du flux de particules lorsque la sonde spatiale Voyager 1 traversa l'héliopause en 2012. Documents Kristi Donahue/ UNH-EOS et Rosaline Lallemand/CNRS adaptés par l'auteur.

Mais à l'impossible nul n'est tenu. En 2000 par exemple, les stations SETI opérées par les radioamateurs ont perdu toute chance de détecter les signaux émis par Pioneer 10. Peu de temps après les radioastronomes professionnels de l'Institut SETI américain perdirent également la trace de la sonde spatiale. Et pour cause. Elle se trouvait alors à 11.5 milliards de km de la Terre et le signal de downlink était 1 dB en-dessous du seuil de détection des antennes et des processeurs DSP du projet Phoenix. Il fallut faire appel aux grandes antennes du réseau DSN pour localiser la sonde spatiale.

En fait, à cette époque, malgré le fait que Pioneer 10 émettait avec une puissance d'émission de 8 W et utilisait une antenne offrant un gain de +33 dBi (puissance totale EIRP de +72 dBm), à la réception la perte de puissance s'élevait à 310 dB, le signal arrivant sur Terre avec une puissance de -229 dBm ! Même l'Institut SETI ne pouvait plus discriminer le signal dans le bruit de fond cosmique malgré l'utilisation d'un logiciel spectrographique plus performant que SETI@home. Cette fois Goldstone repris la relève et les amateurs vaquèrent à d'autres occupations.

Deuxième partie

L'Aventure continue

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