Parlons peu parlons Science

ExoMars : Qu’il est long, le chemin vers la planète rouge...

mercredi 26 octobre 2016 par Rédaction de Parlons peu parlons Science

Par @astropierre

Près d’une planète aux reflets carmin, un bijou de technologie s’apprête à pénétrer à vitesse hypersonique dans l’atmosphère de cet autre monde… La tension est à son comble, chacun retient son souffle, quand soudain…

Mais je m’égare. Je commence par la fin. Revenons quelques années en arrière pour voir ensemble comment cette aventure a commencé…

Il y a 14 ans, en novembre 2002, l’Europe propose un programme à long terme dont l’objectif est d’étudier le Système Solaire et plus particulièrement la planète Mars. Parmi les projets listés dans ce programme s’en trouve un appelé ExoMars qui comprend l’envoi vers la planète rouge d’un véhicule robotisé.

La difficulté, c’est que l’Agence Spatiale Européenne (ESA) n’a jamais posé d’engin à la surface de Mars. Certes, elle a réussi à placer un orbiteur d’importance autour de la planète rouge (Mars Express en 2003), mais les techniques à maîtriser pour une rentrée atmosphérique et un atterrissage sont jusque-là du seul ressort de la NASA. La dernière fois que l’Agence Spatiale Européenne a tenté de poser un atterrisseur sur Mars (Beagle 2), le module s’est posé sans encombre mais s’est mal déployé et n’a jamais repris contact avec la Terre.

L’atterrisseur Beagle 2 tel qu’il aurait dû se déployer à la surface de Mars - © ESA

L’orbiteur Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) a photographié Beagle 2 et son déploiement incomplet - © NASA

C’est d’ailleurs pourquoi, en 2008, le projet est modifié. Avant le rover, l’Europe décide d’abord d’envoyer un atterrisseur et un orbiteur. L’atterrisseur ne possèdera pas de roues et ne pourra pas bouger. Son rôle principal et de tester et valider toutes les procédures d’approche, de rentrée atmosphérique, jusqu’à l’atterrissage. Quant à l’orbiteur, son rôle sera de commencer l’étude de l’atmosphère martienne et de relayer vers la Terre les informations que les futures missions robotisées enverront depuis le sol.

Mais de son côté, la NASA prépare, elle aussi, un voyage sur Mars et ambitionne d’y poser un nouveau rover. Les deux agences, conscientes des impératifs économiques que de telles missions imposent, décident en 2009 de fusionner leur projet et de mutualiser leurs efforts.

Un programme est donc mis sur pied qui prévoit l’envoi en deux temps de tous ces engins sur Mars :
1. En 2016, l’orbiteur Trace Gas Orbiter (TGO) et l’atterrisseur ExoMars EDM feraient le 1er voyage. L’atterrisseur testerait les capacités de l’Europe à se poser sur Mars et TGO, dont la majorité des instruments scientifiques seraient fournis par la NASA, commencerait à observer Mars.
2. En 2018, alors que la Terre et Mars se trouveraient à nouveau dans une configuration favorable pour y envoyer du matériel, le rover européen (ExoMars) et le rover américain (MAX-C) décolleraient dans une fusée Atlas fournie par la NASA et iraient observer la planète rouge, relayés par TGO pour discuter avec la Terre.

Tout semble pour le mieux dans le meilleur des mondes, mais en 2011, la NASA fait face à d’importants problèmes budgétaires. Plusieurs projets dépassent largement les coûts initialement prévus, et la crise économique frappe de plein fouet le secteur spatial. De coupes budgétaires en restrictions, la NASA finira par se retirer complètement du projet, laissant l’ESA avec un programme dont la moitié n’est plus assurée. Parmi les problèmes auxquels il faut désormais faire face, deux sont extrêmement problématiques : les lanceurs, initialement fournis par la NASA, ainsi que les instruments scientifiques de l’orbiteur TGO.

Cette même année, l’Agence Spatiale Russe (Roscosmos) tente, elle aussi, de conquérir Mars, et plus exactement sa petite lune Phobos. L’ambitieuse mission, que la Russie a mis au point, doit envoyer une sonde sur Phobos, y atterrir, récupérer des échantillons du sol et les ramener sur Terre. Le lancement de cette sonde appelée Phobos-Grunt se fait en Novembre 2011, mais une fois placée en orbite basse, un plantage du calculateur de bord empêche la mise à feu des moteurs de bord censés placer la sonde sur une trajectoire de transfert vers Mars. Bloquée près de la Terre, le frottement de l’atmosphère ténue de la Terre réduit chaque jour un peu plus l’altitude de la sonde qui finit, en janvier 2012, par retomber et se désintégrer au large du Chili.

La sonde Russe Phobos-Grunt en route pour Phobos - © CNES

L’Europe a besoin d’un lanceur et d’instruments scientifiques ; la Russie a besoin de redorer son blason et faire oublier ce cuisant échec. Il n’en faut pas plus pour que, deux mois plus tard, en Mars 2012, les deux agences officialisent un partenariat qui reprend les grandes lignes du programme ExoMars.

Le voyage sur Mars se fera grâce à des fusées Proton fournies par l’agence russe et les instruments scientifiques américains seront remplacés par les russes à bord de TGO.
En ce qui concerne les rovers, on ne garde plus que le rover européen ExoMars, et RosCosmos s’occupe des éléments de rentrée atmosphérique qui permettront au rover d’arriver jusqu’au sol.
Par contre, les budgets n’ayant pu être bouclés à temps, l’envoi du rover est repoussé de 2018 à 2020.

Et c’est ainsi que l’on arrive à la mission ExoMars telle qu’on la connaît aujourd’hui avec deux phases :
1. ExoMars 2016 - envoi de l’orbiteur TGO et du démonstrateur technologique de descente sur Mars rebaptisé Schiaparelli
2. ExoMars 2020 - envoi du rover ExoMars et étude in situ du sol martien (grande première pour l’agence européenne et russe)

Tout commence donc le 14 Mars 2016, lorsqu’une fusée Proton décolle de Baïkonour avec, dans ses entrailles, l’orbiteur TGO et l’atterrisseur Schiaparelli solidement accrochés l’un à l’autre.

Schiaparelli et TGO dans la fusée russe Proton avant le décollage - © ESA

Le décollage se passe sans encombre. Lorsque le moteur du dernier étage de la fusée Proton s’arrête, TGO et Schiaparelli sont sur une trajectoire optimale qui, 7 mois plus tard, les fera croiser l’orbite de Mars.

Passons rapidement cette croisière interplanétaire baignée de radiations solaire, de particules cosmiques, d’écarts de températures allant de +100°C à -100°C, bref, que des choses parfaitement normales pour un voyage vers Mars, et intéressons-nous maintenant à la fin du voyage.

Nous sommes le dimanche 16 octobre.

Il est temps maintenant de séparer TGO de Schiaparelli. En effet, l’orbiteur et l’atterrisseur ne doivent pas avoir la même trajectoire. L’orbiteur doit frôler Mars, freiner et se mettre en orbite alors que l’atterrisseur doit pénétrer dans son atmosphère et se diriger vers le sol.

Séparation de TGO et Schiaparelli - © ESA

Cette séparation se fait sans encombre. Chacun des deux engins suit désormais son chemin. Il est temps de réveiller Schiaparelli, de vérifier que l’état des engins et leur instrumentation est bon et que les programmes et dernières mises à jour sont bien installés.

Ce qui nous amène au mercredi 19 octobre.

Commençons par ce qui était prévu :

Pour TGO, les choses sont assez simples, parce que rôdées. Pas de manœuvre expérimentale inconnue, pas de technique au succès hypothétique à tester, il s’agira juste de frôler Mars, de freiner au bon moment (pendant 139 minutes, quand même), et hop, l’insertion orbitale est effectuée.
Le problème est que l’orbite de TGO sera alors très elliptique. Pour la ramener sur une orbite circulaire, il faudra freiner l’engin lorsqu’il sera au plus près de Mars. Pour cela, les ingénieurs de vol ont une astuce : ils la feront plonger dans l’atmosphère martienne pour que le frottement de l’atmosphère freine l’engin sans dépenser une seule goutte de carburant… Malin, non ?

Bien sûr, cette manœuvre sera délicate. Si TGO ne plonge pas assez dans l’atmosphère, elle ne freinera pas assez et perdra du temps sur un programme bien chargé. Au contraire, si elle plonge trop dans l’atmosphère, le frottement de l’air martien sera tel qu’il peut, au mieux, endommager les éléments fragiles de l’orbiteur, au pire, le carboniser.

Mais ces manœuvres sont assez bien connues et utilisées fréquemment pour l’observation des planètes du Système Solaire. Il y a donc peu de risque de ce côté-là.

TGO allume ses moteurs pour ralentir et se mettre en orbite autour de Mars - © ESA

D’ailleurs, tout s’est bien passé pour TGO finalement. Le moteur s’est allumé au bon moment, pendant la bonne durée, l’orbite atteinte est parfaitement conforme aux attentes des ingénieurs de vol. TGO est prêt à débuter la longue période d’ajustement orbital qui la mènera, fin 2017 sur son orbite finale, à 400 km au-dessus du sol martien et 74° d’inclinaison, prête à détecter les gaz de l’atmosphère martienne, dans l’attente du futur rover en 2020 dont elle relayera les signaux jusqu’à la Terre.

Reste donc notre atterrisseur expérimental, Schiaparelli.

Pour lui, dès le départ, les choses promettaient d’être intéressantes. Car, on ne va pas se mentir, la principale difficulté, pour un atterrisseur, c’est… d’atterrir… Voilà.
Au-delà de la blague, il est impératif que, pour que tout se passe bien, Schiaparelli, passe de 21 000 km/h à 1km/h en 6 minutes !!!

Et justement, sur Mars, les choses sont loin d’être simples quand il s’agit de s’y poser.
Car lorsqu’une planète possède une atmosphère, la technique de freinage consiste à plonger l’atterrisseur dans l’atmosphère et à compter sur le frottement atmosphérique pour le freiner suffisamment. Le problème, c’est que l’atmosphère de Mars est très petite et très peu dense. La pression au sol est égale à 6 millièmes de la pression terrestre. Avec si peu de gaz, le freinage ne peut être assuré uniquement avec cette technique. Il faut aussi un parachute et, en fin de course, utiliser des rétrofusées pour finir de diminuer la vitesse de l’engin jusqu’à zéro.

Le problème de ces différentes techniques qui s’enchaînent, c’est que chacune possède ses failles, ses erreurs potentielles, ses bugs logiciels, ses casses probables. Toutes aussi nécessaires qu’elles soient, ces techniques enchaînées en série augmentent nécessairement le risque d’un accident…

Autre problème qu’il vaut mieux anticiper, même si l’atmosphère martienne est très peu dense, la vitesse de rentrée est telle que le frottement de l’air martien sur la coque du module élèvera sa température extérieure à des valeurs comprises entre 1500 et 2000°C. C’est pourquoi la partie scientifique est encapsulée dans une coque constituée de résine et de liège prévue pour brûler en cours de descente en évacuant le surplus de chaleur.

La chronologie est donc la suivante :

Séquence d’atterrissage de Schiaparelli - © ESA

Le seul problème avec cette chronologie, c’est que lorsque tous ces évènements s’enchainent, avec la précision d’une horloge suisse, la Terre se trouve à 206 millions de kilomètres de la Terre. Les signaux radio qu’envoient l’orbiteur et l’atterrisseur mettent donc, à la vitesse de la lumière, 9 minutes et 45 secondes pour nous parvenir.

Avec presque 10 minutes de retard, impossible don, de commander « en live » les différentes phases de l’atterrissage. Tout est programmé dans un ordinateur de bord qui gère et synchronise les évènements, en fonction du temps passé et des informations dont il dispose en temps réel comme de l’altitude, par exemple, mesurée en permanence par un radar embarqué.

Il est 16h42, heure terrienne lorsque Schiapparelli entre dans l’atmosphère martienne, mais les premiers bits de données n’arrivent qu’à partir de 16h51. Lorsque les informations sont captées, tout est déjà fini, mais personne ne sait ce qu’il est arrivé…
Pendant 6 minutes, tout le monde retient son souffle… Le monde est suspendu aux lèvres des responsables scientifiques de l’ESA, mais les visages restent tendus et fermés. On comprend rapidement que quelque chose cloche…

Rapidement, on nous demande d’attendre 30 minutes pour avoir des résultats… puis une heure… puis deux…
A ce stade, on sait que la télémétrie n’a pas été entièrement récupérée. A un moment, une coupure a empêché d’avoir les 50 dernières secondes de l’atterrissage. Un rendez-vous est donné le lendemain à 10h00 pour une conférence de presse. Il faudra une nuit aux ingénieurs pour récupérer toutes les données et les pré-traiter afin de transformer chaque bit reçu en information compréhensible.

Le lendemain, on apprend que TGO se comporte parfaitement bien. En ce qui concerne Schiaparelli, le problème survient juste après le largage du bouclier thermique, au moment de l’allumage des moteurs. On en saura pas plus ce jour-là, mais depuis, les choses sont un peu plus claires.

A l’heure actuelle, voilà ce que l’on sait : Il semblerait que les moteurs soient restés allumés 4 secondes seulement, puis ils se sont éteints, bien trop tôt pour un atterrissage correct. C’est seulement après l’extinction des moteurs que la télémétrie est tombée.
Pourquoi se sont-ils arrêtés ? On s’oriente vers un défaut du radar, qui aurait indiqué une mauvaise altitude au calculateur de bord, lui faisant croire que le sol était bien plus près qu’il ne l’était réellement. C’est pourquoi il aurait ordonné aux moteurs de s’arrêter.

Schiaparelli a donc été en chute libre à partir de 2 km d’altitude, à une vitesse qui était encore de 200 km/h. Une fois arrivé au sol, l’impact a été très violent, à plus de 300 km/h. Et comme les moteurs ont été arrêtés très tôt, ils étaient encore presque pleins de carburant, ce qui a certainement provoqué une explosion à l’impact.

La sonde américaine Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) a pris cette image le lendemain du crash. On distingue très clairement le parachute blanc en bas de l’image. Le cratère de l’impact noir est, lui aussi, clairement visible. Ses dimensions sont de 14 x 40 mètres.

Le cratère d’impact de Schiaparelli pris en photo par MRO - © NASA

En l’état, cette mission ExoMars2016 est très intéressante. Selon l’Agence Spatiale Européenne, le plus important était la mise en orbite de TGO, afin de commencer au plus tôt le programme de surveillance des gaz martiens, et préparer l’atterrissage du rover prévu en 2020. L’atterrisseur Schiaparelli était un test, un prototype qui devait nous permettre d’acquérir un maximum de données sur les techniques d’atterrissage martiennes et c’est ce qu’il a parfaitement fait. On en sait désormais plus sur les méthodes et procédures à faire pour optimiser les chances d’un atterrissage réussi.

Rendez-vous donc donné en 2020 pour la suite de l’aventure… !

Le futur rover ExoMars sera le premier, en 2020, à creuser le sol martien jusqu’à 2m de profondeur – © ESA


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