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Les missions spatiales

L'exploration du système solaire (II)

Depuis 1969, année qui vit le débarquement de l'homme sur la Lune, l'exploration spatiale n'a cessé de nous émerveiller et de nous dévoiler le véritable visage des membres du système solaire. Passons brièvement en revue les différents missions qui ont été organisées vers ces différents astres. Vu l’étendue du sujet, nous détaillerons cette merveilleuse aventure dans le dossier consacré au système solaire.

Rappelons tout d'abord une notion fondamentale en mécanique spatiale, l'effet de fronde ou d'assistance gravitationnelle sans lequel l'exploration du système solaire serait beaucoup plus compliquée et onéreuse.

L'effet de fronde gravitationnelle

Comment modifier la trajectoire et la vitesse d'une sonde spatiale sans consommer d'énergie ? Telle était la question que se posèrent les ingénieurs de la NASA et du JPL au début des années 1960.

Il faut tirer profit de l'effet de "fronde gravitationnelle" leur répondit le mathématicien Michael Minovitch (dont voici le site web) de l'UCLA.

En effet, en 1961, les ingénieurs du JPL où Minovitch était stagiaire s'étaient rendu compte qu'une mission dans le système solaire durerait des années en raison des distances incommensurables que les sondes spatiales devaient parcourir. Une mission vers Saturne par exemple durerait plus de trois ans et une fois lancée il n'y avait aucun moyen d'infléchir la trajectoire de la sonde sans consommer du carburant.

Il était donc impensable de visiter Vénus et Mercure ou une planète et une comète au cours de la même mission ou profiter d'un alignement planétaire comme il s'en produit régulièrement pour visiter par exemple Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune au cours de la même mission.

A l'époque, cela signifiait qu'il fallait envoyer une sonde spatiale vers chaque astre et donc multipler le budget de l'exploration du système solaire, une solution peu réaliste à long terme.

C'est alors que Minovitch eut l'idée de profiter de l'attraction gravitationnelle des planètes pour accélérer les sondes spatiales et modifier leur trajectoire sans consommer la moindre énergie. Mais pour prouver que cette solution était viable, il devait trouver un ordinateur assez puissant pour effectuer ses simulations.

L'effet d'assistance gravitationnelle. A gauche, la sonde spatiale approche une planète sous un certain angle et une vitesse U. La composante de la vitesse perpendiculaire à la trajectoire reste inchangée mais gagne 2U dans la direction parallèle au déplacement de la planète. En d'autre terme, l'attraction de la planète permet à la sonde spatiale de quitter l'astre sous une autre trajectoire et à une vitesse supérieure à celle de son arrivée. 3eme image, les trajectoires des sondes Pioneer 10,11 et Voyager 1 et 2 assisté par l'effet de fronde gravitatonelle. A droite, la trajectoire suivie par la sonde Rosetta. Documents Egglescliffe School, NASA adapté par l'auteur et WSJ.

A l'époque de ses premiers travaux, Minovitch disposait du tout nouvel IBM 7090 de l'UCLA, un mainframe transistorisé de 2.8 millions de dollars dont l'exploitation était facturée 1000$ l'heure de CPU.

Bien que doctorant et n'ayant pas encore fait ses preuves, l'UCLA donna une chance au jeune Minovitch alors âgé de 26 ans qui mis tout son talent et son temps pour trouver une solution à ce problème.

A mesure que le nom des planètes et des nombres s'alignaient sur les listings, il découvrit une solution permettant à une seule sonde spatiale de visiter plusieurs astres du système solaire en profitant de l'effet de l'assistance gravitationnelle. Ses calculs démontrèrent que cet effet pouvait s'appliquer à l'infini.

Aussitôt que son idée fut approuvée, les ingénieurs du JPL l'appliquèrent à la sonde Mariner 10 qui survola Vénus en 1973 puis Mercure en 1974 puis aux sondes Pioneer 10 et Pioneer 11 qui visitèrent Jupiter fin 1973 et Saturne en 1979 ainsi qu'aux sondes Voyager 1 et 2 à partir de 1977, à la sonde Ulysse en 1990 et plus récemment à la sonde Rosetta qui bénéficia de l'assistance gravitationnelle de la Terre et de Mars pour atteindre la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en 2014 (voir plus bas).

Le Soleil

Honneur au Roi Soleil, source de toute vie (ou presque) ici bas. Première mondiale, en 1990 l'ESA en coopération avec la NASA envoyèrent la sonde Ulysse survoler les pôles du Soleil. Ingénieuse stratégie, elle fut lancée vers Jupiter dont elle photographia le pôle Nord après un périple de 17 mois, avant de recevoir le coup de fouet gravitationnel qui lui permit de traverser le plan de l'écliptique et de rejoindre le Soleil en 1994-1995.

Dans le cadre du Plan Horizon 2000 de l'ESA, deux autres satellites furent lancés à destination du Soleil; SOHO en 1995 et TRACE en 1997. Leur mission consista à observer en détails notre étoile, d'étudier "in situ" le vent solaire, autant d'informations qui seront mises en rapport avec les données de futures missions “à la Cluster”. La mission Genesis de la NASA pris ensuite le relai en 2001 collectant des échantillons du vent solaire afin d’effectuer une analyse quantitative des constituants du Soleil.

De gauche à droite, une protubérance longue de 325000 km vue par SOHO le 27 août 1997; le satellite SOHO et une magnifique protubérance apparue le 14 sep 1997 et une éruption dans le raie UV de 195Å vue par TRACE le 15 juin 2000. Documents ESA, SOHO, TRACE et T.Lombry.

Mercure

Mercure intéresse très peu les astronomes. Perdue dans la chaleur du Soleil, elle ne reçut la visite que d'une seule sonde spatiale, Mariner 10 en 1974 à qui nous devons toutes les images de cette planète qui ressemble comme une goutte d'eau à la Lune.

La sonde Messenger lancée en 2004 survole Mercure depuis janvier 2008 et sera en orbite autour de Mercure à partir de mars 2011. Sa mission cartographique a déjà commencé comme en témoigne cette photographie de la surface de Mercure.

Vénus

Illustration de la sonde spatiale Venus Express en orbite autour de Vénus en 2006. Document T.Lombry.

Après la Lune, c'est Vénus qui reçut le plus de visites : 41 sondes spatiales en comptant Planet-C lancé en 2008. Parmi les missions les plus importantes, la navette spatiale américaine y envoya la sonde Magellan en 1989.

Les Japonais envoyèrent également une sonde spatiale explorer Vénus en 1995 mais ce fut un échec. Dans la foulée, le lancement du satellite gamma Hete échoua également et la première fusée Ariane 5 explosa en vol en 1996 (Vol 501). L'exploration planétaire s’est malgré tout poursuivie.

Une troisième sonde baptisée Venus Express fut lancée par l'ESA en 2004 et réussi sa manoeuvre d'insertion autour de Vénus en avril 2006. Elle devrait être suivie par un ballon stratosphérique appelée Venus Entry Probe.

Les astéroïdes

 En 1992, avant d'atteindre Jupiter, la sonde Galileo eut l’occasion de photographier l'astéroïde Gaspra et Ida en 1993. Deux ans plus tard la mission Near-Shoemaker photographia avec succès Mathilde avant d’atterrir sur Eros en 2001.

Si le succès de la mission Near dépassa toutes les espérances, celui de la sonde Hayabusa fut encore plus spectaculaire bien qu'il se fit dans l'indifférence quasi-générale. En 2004, la JAXA japonaise envoya une sonde automatique et totalement autonome explorer le petit astéroïde Itokawa mesurant 630 m de longueur situé à 290 millions de km de la Terre. Le module Minerva y préleva des échantillons et revint les déposer sur Terre en juin 2010.

En 2007, la NASA envoya la sonde spatiale Dawn, propulsée par un moteur ionique, explorer les astéroïdes Vesta (arrivée prévue en 2011) et Cérès (2015). Leur surface sera cartographiée et un spectromètre de masse analysera leur composition minéralogique.

Eros vu par la sonde NEAR. La résolution atteint 4.5m/pixel sur l'image de droite

Documents NASA/JPL/NEAR.

Les comètes

En 1998, la NASA franchit un nouveau pas en lançant la petite sonde Deep Space 1, la première représentante du programme révolutionnaire New Millenium.

DS1 fut emblématique car elle démontra qu’il était possible d’allier dans la prochaine génération de sondes d’explorations une douzaine d’innovations technologiques pour un faible coût, dont une propulsion plus performante (électrique et non plus chimique), une microélectronique encore plus miniaturisée et une meilleure autonomie permettant à ce type de sondes d’opérer plus longtemps sans recevoir d’instructions détaillées de la Terre. 

A gauche, la sonde spatiale Giotto rencontre Halley en 1986. Au centre et à droiote, la sonde Deep Space 1 précurseur du programme New Millenium de la NASA se caractérise par un propulseur ionique et d'autres innovations technologiques (miniaturisation, images HD, etc). Documents ESA et NASA/GRC.

DS1 visita les astéroïdes McAuliffe et Braille en 1999, passa au large de Mars en avril 2000, visitera la comète Wilson-Harrington en janvier 2001 et passa au large de Borelly en septembre 2001 tout en étudiant les autres corps célestes durant son voyage.

Après la grande aventure de la mission Giotto vers Halley, la mission Contour (Comet Nucleus Tour) de la NASA s’envola en juin 2002 pour étudier 3 comètes : Encke, Schwassman-Wachmann 3 et d’Arrest. Les instruments équipant cette plate-forme présentaient une résolution de 4 mètres par pixels, 25 fois supérieure aux meilleurs images de Halley ! Malheureusement, peu après son lancement la sonde fut détruite, probablement suite à une instabilité de son moteur.

Dans le cadre de la mission Epoxi, en 2010 la sonde Deep Impact photographia le noyau de la comète Hartley 2, révélant un corps allongé émettant des jets asymétriques.

Enfin, l’ambitieuse mission Rosetta de l'ESA équipée du lander Philae rencontra la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en août 2014, nous révélant un astre irrégulier à la surface très étonnante comme on le voit ci-dessous à droite.

En fait, cette comète dont le noyau mesure 3x5 km et tourne sur lui-même en quelque 12.4 heures s'est formée par l'accrétion de milliers de petits objets autour de deux corps plus importants.

A gauche, en 2004 la sonde Stardust rencontra avec succès la comète Wild2. Au centre, le 4 juillet 2005, l'impacteur de Deep Impact s'écrasa comme prévu sur la comète Tempel1 formant un cratère profond de 500 m et grand comme deux terrains de football. Cette collision programmée permit aux scientifiques d'étudier le nuage de poussières qui en résulta et indirectement la constitution du noyau de la comète qui remonte à l'époque de la formation du système solaire. Rappelons que la mission Deep Space DS4 qui devait survoler Tempel1 en 2006 (lander Champollion) a été annulée en 1999, ce qui a conduit la NASA à la remplacer par la petite mission Deep Impact. A droite, l'aspect de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko photographiée par Rosetta le 3 août 2014 à 285 km de distance. La résolution est de 5.5 km/pixel. Documents Pat Rawlings/JPL, T.Lombry et ESA.

Churyumov-Gerasimenko est une comète libérant deux fois plus de poussières que de gaz. Lorsqu'elle s'approche au plus près du Soleil (entre 4 et 3 U.A.), elle libère entre 60 et 220 kg de poussières par seconde.

La sonde Philae devrait atterrir à sa surface en novembre 2014, espérons-le dans de meilleures conditions que celles imaginées dans les scénarii d'Hollywood (rappelez-vous "Deep Impact" et "Armageddon"...). Elle a pour mission d'effectuer des analyses chimiques de la surface et du sous-sol.

Jupiter et Saturne

Depuis 1972  Jupiter n'a pas été souvent visité par les sondes spatiales. Il y eut les sondes Pioneer 10 et 11 en 1972 et 1973 ainsi que les fameuses sondes Voyager 1 et 2 en 1979. Ensuite il fallut atteindre 1992 pour recevoir les images de la sonde Ulysses et 1995 pour recevoir celles de Galileo.

A gauche et au centre, deux images de Jupiter (avec Io en transit) prises par la sonde Cassini en route vers Saturne le 31 décembre 2000 et le 1 janvier 2001 à une distance de 350000 km. La résolution est de 600 km. A droite , Cassini-Huygens débarque sur Titan. Documents NASA/JPL/Cassini et ESA.

Après de longs pourparler avec la NASA, l’ESA lança la mission Cassini-Huygens vers Saturne et Titan en octobre 1997. La sonde atteignit Jupiter début 2001 et renvoya des images de l'atmosphère tourmentée d'une qualité exceptionnelle. La capsule Huygens fut larguée au large de Titan en novembre 2004 et se déposa avec succès sur sa surface, nous révélant un paysage très inattendu.

Envol vers Saturne

Décollage de nuit de la fusée Titan IVB-Centaur emportant la sonde Cassini-Huygens vers Saturne le 15 oct 1997 et séparation des boosters (Fichiers QT de 7.1 MB et 3.1 MB).

Uranus et Neptune

Tellement éloignées de la Terre, Uranus et Neptune furent toujours considérées comme des étapes intermédiaires au cours de missions plus importantes. Uranus reçut la visite de Voyager 2 en 1986 et Uranus en 1989. Puisqu'il n'y aura probablement plus de missions vers ces planètes avant 2020 ou 2030, actuellement c'est le Télescope Spatial Hubble et le télescope Keck qui tentent de percer à distance le mystère de ces deux planètes gazeuses.

Pluton et Charon

Enfin, après des années de pourparler et plusieurs reports, la NASA accepta in extremis de lancer la sonde spatiale New Horizons vers les contrées lointaines de Pluton qui n'a jamais été visitée à ce jour. La mission débuta le 19 janvier 2006, l'arrivée à 7 milliards de km de la Terre étant prévue pour 2015. Au cours de sa mission, la sonde spatiale passa au large de Jupiter en 2007.

Dans cette liste, deux astres se démarquent par leur absence : Mars et la Lune. Nous devons les traiter séparément car chacun d'eux à fait l'objet de plusieurs dizaines de missions et seront les objectifs prioritaires des prochaines missions spatiales.

Dernier chapitre

L'exploration de Mars et de la Lune

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