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Les missions spatiales

La sonde spatiale Cassini-Huygens approchant de Saturne. Document T.Lombry.

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.

Moyen de propulsion

Comment sont propulsées et alimentées les sondes spatiales ? Si les sondes spatiales sont équipées de moteurs plus ou moins puissants reconnaissables au  cône de leur moteur-fusée situé soit à l'arrière de la sonde soit sur les côtés, ils ne servent pas tous à les propulser. Une sonde spatiale est d'abord littéralement catapultée dans l'espace par une fusée. Dans le cas des sondes Voyager par exemple, elles bénéficiaient d'une impulsion initiale de 35 km/s mais qui les maintenaient toujours sous l'emprise gravitationnelle du Soleil. Comme la plupart des sondes spatiales, elles disposaient donc de petits moteurs-fusées à hydrazine (ou hydrazine er peroxyde d'azote comme dans le cas de Cassini-Huygens) mélangé à de l'hélium pour corriger leur trajectoire. Mais à eux seuls, s'ils permettent d'effectuer des manoeuvres orbitales, ils ne permettent pas à ces vaisseaux spatiaux d'explorer le système solaire pendant plus de 40 ans. Nous verrons qu'ils ont bénéficié d'une autre assistance.

D'autres sondes spatiales disposent de leur propre moteur électrique (ionique). C'est le cas des sondes spatiales DeepSpace 1 (DS1), Parker Solar Probe et des futurs sondes d'exploration du programme Discovery de la NASA qui seront équipées du moteur NEXT. On y reviendra à propos des moyens de propulsion. Seul inconvénient, ces sondes disposent d'une réserve limitée de carburant qui généralement vient à manquer bien avant la panne électrique.

Alimentation électrique

L'alimentation électrrique des sondes spatiales est soit assurée par des panneaux solaires comme c'était le cas de la plupart des sondes orbitales ayant visité Mercure, Vénus et Mars et comme c'est encore le cas de la sonde spatiale Juno qui survole actuellement Jupiter, soit elles sont alimentées par un générateur thermoélectrique à radioisotopes, RTG en abrégé. Ce dernier fut notamment utilisé par les sondes spatiales Pioneer, Voyager, Viking, Cassini et New Horizons ainsi que sur certains modules ou instruments utilisés sur la Lune (LEM et ALSEP) et sur Mars dont le rover Curiosity. Ce système utilise un élément radioactif comme le plutonium 238, l'américium 241 ou le polonium 210 qui développe 567 W/kg dans le cas du plutonium. Il existe bien un radionucléide plus efficace comme l'oxyde de curium (Cm2O3) qui développe 2.27 kW/kg, mais il émet des neutrons indésirables qui exigent un blindage dix fois plus lourd qu'un RTG à base de plutonium. Selon la NASA, le plutonium 238 reste l'isotope le plus efficace et le plus simple à contrôler bien que cette solution ne soit jamais sans risque.

Le système d'alimentation électrique RTG de la sonde spatiale New Horizons qui visita Jupiter, Pluton et bientôt la Ceinture de Kuiper. Documents NASA.

Le plutonium 238 n'est pas utilisé par les militaires mais uniquement dans quelques rares applications civiles, d'où son prix élevé. Le système RTG comprend une source de chaleur contenant du dioxyde de plutonium 238 (PuO2) et un ensemble de thermocouples à semiconducteurs qui convertit cette chaleur en électricité. La puisssance thermique (P) générée par un RTG dépend de la période ou demi-vie (T) du radionucléide et suit une loi en puissance : P = Po x0.5(t/T). Elle dépend aussi du rendement des thermocouples. Pour 4.8 kg de dioxyde de plutonium 238, le système RTG du rover Curiosity par exemple produit 2000 watts de chaleur et 120 watts d'électricité, garantissant au robot de disposer de 2.5 kWh par jour pendant au moins 680 jours. En général, les missions sont beaucoup plus économes et ces robots survivent parfois plus de dix ans.

Etant donné que la demi-vie du plutonium 238 est de 87.7 ans, en embarquant quelques kilos de plutonium et en utilisant des appareils très économes en énergie, les sondes spatiales peuvent assurer des missions de plusieurs décennies avant que le niveau d'énergie ne permette plus de maintenir leurs activités et qu'elles s'éteignent définitivement. C'est ainsi que les sondes spatiales Voyager lancées en 1977 seront toujours opérationnelles jusqu'en 2020, la puissance de leur RTG tombant en dessous de 300 W/kg au bout de 40 ans. A cette date, elles seront encore animées d'une vitesse de l'ordre de 15 km/s.

Reste à résoudre le problème de la durée de ces missions et des changements de trajectoires. A la vitesse de 15 km/s, il faudrait des décennies pour faire le tour du système solaire. Avec un moteur électrique NEXT à base de xénon, on pourrait atteindre des vitesses entre 50 et 89 km/s. Quant aux changements de trajectoires, l'hydrazine est suffisante pour assurer de petites corrections de trajectoires pendant quelques décennies mais jamais pour effectuer des sauts de planètes en planètes ou faire une excursion vers leurs différentes lunes. Quant au moteur électrique, il fonctionne avec des panneaux solaires.

En résumé, chaque solution présente des contraintes : soit il faut embarquer du carburant (hydrazine et/ou xénon) en quantité limitée soit l'usage des panneaux solaires limite les distances accessibles à environ celle de Pluton et la sonde doit restée exposée au Soleil pour garantir un niveau suffisant d'énergie.

Bref, si on veut faire rapidement le tour du système solaire (en moins de dix ans voire une génération), il faut trouver le moyen d'accélérer le vaisseau spatial et le faire changer de trajectoire sans trop consommer ou sans consommer du tout de carburant. C'est ici qu'intervient 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, longue et onéreuse.

L'assistance 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. A l'époque, les ingénieurs ne pouvaient lancer de sondes spatiales qu'avec l'assistance de moteur-fusée et sur des trajectoires directes vers la Lune, Vénus, Mercure et Mars. Pour les planètes géantes les ingénieurs ne pouvaient qu'attendre et espérer que la technologie leur apporterait de nouveaux moyens de propulsion car elles étaient hors de portée des sondes spatiales. En effet, en 1961 les ingénieurs du JPL s'étaient rendu compte qu'une mission dans les confis du système solaire durerait des décennies en raison des distances incommensurables que les sondes spatiales devaient parcourir à une vitesse inférieure à 1 UA par an. 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.

L'effet d'assistance gravitationnelle. La sonde spatiale approche une planète animée d'une vitesse U sous un certain angle Θ et une vitesse V. La composante de la vitesse perpendiculaire à la trajectoire reste inchangée mais gagne 2U+V cosΘ dans la direction parallèle au déplacement de la planète. Concrètement, 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 sans utiliser son moteur. A droite, lorsque Vénus et Mercure sont dans le même secteur du ciel, l'assistance gravitionnelle de Vénus permet d'atteindre Mercure sans consommer de carburant. Documents Egglescliffe School et NASA (SP-424).

C'est alors que le mathématicien Michael Minovitch (dont voici le site web), un jeune doctorant de l'UCLA âgé de 26 ans en stage au JPL en 1961 leur dit qu'il fallait tirer profit de l'"assistance gravitationnelle". Comme une fronde permet de démultiplier la vitesse du projectile, 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. Du moins en théorie. Car pour prouver que cette théorie audacieuse était réaliste, Minovitch devait trouver un ordinateur assez puissant pour effectuer ses simulations.

Par chance, l'idée de Minovitch fut approuvée par son directeur de thèse qui mit à sa disposition le 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.

Conscient du privilège qu'on lui accorda, Minovitch mit tout son talent et son temps pour confirmer que sa théorie était correcte en l'appliquant à deux exemples concrets : l'exploration de Vénus et de Mercure et à une mission de longue durée vers les planètes géantes.

A mesure que les nombres s'alignaient sur les listings, affichant les paramètres de la sonde spatiale en regard de sa distance à l'astre visé, Minovitch découvrit que sa théorie fonctionnait comme prévu. En poursuivant ses simulations sur de longues périodes de temps, les calculs de Minovitch démontrèrent que l'assistance gravitationnelle pouvait s'appliquer plus de 100 fois, autrement dit à l'infini ou en tout cas aussi loin que la sonde spatiale serait capable de transmettre ses données à la Terre.

Minovitch nota que par chance les planètes géantes se trouveraient dans le 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.

A gauche, les trajectoires des sondes Pioneer 10,11 et Voyager 1 et 2 assistées par l'effet d'assistance gravitationnelle. Au centre, 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. A droite, la trajectoire suivie par la sonde Rosetta pour rejoindre la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Document NASA adapté par l'auteur, NASA/Steve Matousek/JPL adapté par l'auteur et WSJ.

Aussitôt que son idée fut approuvée, les ingénieurs du JPL l'appliquèrent tout d'abord 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, à la sonde Rosetta qui bénéficia de l'assistance gravitationnelle de la Terre et de Mars pour rejoindre la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en 2014 qui évoluait à 55000 km/h (15 km/s) et enfin à la sonde New Horizons qui bénéficia de l'assistance gravitationnelle de Jupiter pour changer de direction et rejoindre Pluton pratiquement en ligne droite à plus de 49000 km/h. On y reviendra.

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 prit ensuite le relai en 2001 collectant des échantillons du vent solaire afin d’effectuer une analyse quantitative des constituants du Soleil.

A consulter : Missions Active - By Target - By Type, NASA

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

Enfin, en 2018 la NASA enverra la sonde spatiale Parker Solar Probe (alias Solar Probe Plus) explorer le Soleil. Notons que son nom rend hommage à l'astrophysicien Eugène Parker qui développa l'étude de l'astrophysique solaire et décrivit le vent solaire (cf. la spirale de Parker).

La sonde spatiale Parker devrait s'approcher jusqu'à 6.2 millions de kilomètres de la "surface" de la photosphère où elle subira une chaleur et des rayonnements qu'aucune sonde n'a expérimenté à ce jour. La sonde spatiale effectuera au moins 7 révolutions autour du Soleil jusqu'en 2024 à la vitesse de 724000 km/h soit 201 km/s. Elle devra supporter une température supérieure à 1400°C (plus de 800000 K mais dans un milieu raréfié contenant 1 million d'atomes/cm3) et résister à un niveau d'énergie de 649 kW/m2, un vent solaire constitué de protons animés d'une vitesse pouvant atteindre 600 km/s et des éjections de matière coronales (CME) atteignant régulièrement 1000 km/s et exceptionnellement 2900 km/s !

La sonde spatiale devrait d'abord survoler Vénus le 28 septembre 2018 avant de passer à 35.7 R soit 24.8 millions de kilomètres du Soleil le 1 novembre 2018 et au périhélie à 9.86 R soit 6.86 millions de kilomètres du centre du Soleil le 19 décembre 2024.

Les satellites SOHO (gauche) et Parker Solar Probe (droite). Documents ESA/T.Lombry et JHUAPL/T.Lombry.

Solar Probe Plus étudiera la couronne solaire, c'est-à-dire son atmosphère externe, un milieu instable et méconnu à l'origine du vent solaire et des CME qu'il est nécessaire d'étudier à la source. Parmi ses nombreux objectifs, la sonde spatiale étudiera le plasma poussiéreux de la couronne F lors de son passage prévu en décembre 2024. L'instrument SWEAP du SAO mesurera les électrons, les protons et d'autres particules chargées, tandis que l'expérience Fields comptabilisera le nombre de grains de poussières qu'elle rencontrera. 

La couronne libère des millions de tonnes de matière magnétisée à des vitesses de plusieurs millions de km/h qui peuvent à l'occasion atteindre la Terre. Etudier la couronne solaire et en particulier sa composition et ses mécanismes magnétiques apporteront des renseignements précieux qui permettront aux astronomes d'améliorer les prévisions du temps spatial dont les effets peuvent avoir des conséquences sur Terre, y compris sur la santé des astronautes et de façon générale sur tous les organismes vivants.

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 fut en orbite autour de Mercure à partir de mars 2011 et dura plus de 4 ans. La sonde spatiale s'écrasa sur sa surface le 30 avril 2015.

Vénus

Après la Lune, c'est Vénus qui reçut le plus de visites : 41 sondes spatiales. 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.

Après avoir détourné son regard de Vénus durant 14 ans, le 9 novembre 2005, grâce à la collaboration de l'agence spatiale russe, l'ESA lança depuis le cosmodrome de Baïkonour la sonde spatiale Venus Express (cf. le dossier spécial de l'ESA) à destination de l'étoile du berger.

A gauche, la trajectoire de la sonde Mariner 10 qui explora Vénus en 1973 et bénéficia de son assistance gravitationnelle pour atteindre Mercure en 1974. Sans l'assistance gravitationnelle, la NASA aurait dû envoyer deux sondes spatiales. A droite, illustration de la sonde spatiale Venus Express en orbite autour de Vénus en 2006. Sous des abords calmes et feutrés, Vénus est un monde très hostile. Documents Ken Hodges (1973) et T.Lombry.

Le vol jusque Vénus dura environ 160 jours. Venus Express fut placée en 2006 sur une orbite polaire très excentrique variant entre 250 et 66600 km d'altitude. La mise en orbite d'insertion eut lieu en avril 2006. La sonde avait pour mission de jeter un oeil indiscret dans l'atmosphère de notre voisine afin de comprendre pourquoi elle est si dense et de quelles manières elle s'est enrichie en soufre et en gaz carbonique. Les scientifiques espéraient indirectement déterminer si le même phénomène pourrait arriver à la Terre si nous ne réduisons pas les émissions des gaz à effet de serre. La mission Venus Express devait durer au moins 500 jours, jusqu'à la mi-2007 mais se poursuivit jusqu'en novembre 2014 où l'ESA perdit définitivement le contact avec la sonde qui finit par s'écraser sur Vénus.

Pour étudier l'atmosphère plus en détails, Venus Express devait être suivie par la sonde Venus Entry Probe de l'ESA dont voici une illustration mais le projet fut abandonné en 2007. C'était un ballon stratosphérique qui devait larguer vers 55 km d'altitude (où la température est voisine de 30°C et la pression d'environ 500 mb) 15 microsondes d'environ 100 g chacune.

A son tour, l'agence japonaise JAXA en collaboration avec l'ESA lança la sonde spatiale Akatsuki (Planet-C) en 2010. Elle fut mise en orbite d'insertion autour de Vénus en décembre 2015. Sa mission consiste à étudier l'atmosphère de Vénus en proche infrarouge, en particulier l'épaisse couche de nuages située entre 45 et 60 km d'altitude dans la région équatoriale que les sondes spatiales Venus Express et Galileo n'avaient pas pu sonder en détail. On doit à Akatsuki la découverte d'un courant jet équatorial en 2016 dont la vitesse des vents dépasse 80 m/s soit plus de 288 km/h. Mais son origine n'est pas encore élucidée.

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