Le freinage atmosphérique

Le freinage atmosphérique (ou aérofreinage) est une technique économique qui consiste à utiliser l'atmosphère d'une planète pour modifier l'orbite d'une sonde spatiale. En général, on utilise l'aérofreinage pour circulariser une orbite et diminuer sa période de révolution (c'est à dire le temps mis par la sonde pour boucler un tour). Expérimentée pour la première fois avec la sonde Magellan après la fin de sa mission principale autour de Vénus en 1994, elle a ensuite été utilisée pour placer la sonde Mars Global Surveyor sur son orbite finale de cartographie. Cette technique doit de nouveau être employée avec l'orbiteur de la mission Mars Surveyor 2001. La sonde Mars Climate Orbiter aurait également du en tirer parti, si elle ne s'était pas crashée sur Mars lors de son insertion orbitale.

Éclaircissons tout de suite un point. Le freinage atmosphérique n'est pas utilisé pour placer une sonde en orbite autour d'une planète. Il ne rentre en jeu qu'une fois l'insertion orbitale terminée.

Imaginons une sonde ayant pour destination finale la planète Mars. Après un décollage réussi, celle-ci traverse à grande vitesse l'espace interplanétaire en suivant une trajectoire qui va l'amener tôt au tard à frôler Mars. Si rien n'est fait lors de son arrivée, la sonde va simplement continuer sur sa lancée et s'éloigner de la planète rouge sur une orbite héliocentrique (elle peut également s'écraser à la surface de la planète si elle a été injectée sur une trajectoire de collision).

Lorsque la sonde va frôler Mars, elle va devoir ralentir suffisamment pour que le champ de gravité planétaire puisse la retenir dans ses griffes. A l'heure actuelle, il n'existe qu'une seule technique pour freiner un engin interplanétaire et permettre sa mise en orbite : l'allumage d'un moteur chimique. Une autre technique bien plus économique existe sur le papier (l'aérocapture), mais personne ne l'a encore jamais mise en oeuvre.

Une fois l'insertion orbitale terminée, il faut généralement modifier les paramètres de l'orbite initiale, qui correspond rarement à l'orbite désirée par les scientifiques. Par exemple, dans le cas de Mars Global Surveyor, l'orbite initiale obtenue après la capture par le champ de gravité était une longue ellipse (54 000 km sur 262 km) avec une période de révolution de 45 heures. Or les scientifiques désiraient une orbite circulaire (400 km sur 400 km) avec une période de révolution de 2 heures.

Pour atteindre l'orbite finale, il existe deux manières de procéder : soit on utilise une technique lourde, peu élégante et coûteuse qui consiste à allumer de nouveau le moteur qui a déjà servi à la mise en orbite, soit on utilise la solution économique et astucieuse du freinage atmosphérique.

Principe du freinage atmosphérique

Le baiser de l'atmosphère

Pour commencer le freinage atmosphérique, il faut impérativement que la sonde plonge à un moment ou un autre dans l'atmosphère martienne. Cette rencontre a toujours lieu au périapse (ce terme barbare désigne le point remarquable d'une orbite ou la sonde passe au plus près de la surface d'une planète).

En général, juste après l'insertion orbitale, l'altitude du périapse est bien trop haute et la sonde survole Mars sans rencontrer la moindre molécule d'air. Lorsque les ingénieurs sont près à démarrer l'aérofreinage, ils diminuent légèrement la vitesse de la sonde en allumant brièvement son moteur à l'apoapse (le point de l'orbite le plus éloigné de la surface d'une planète). Cette manœuvre propulsive à l'apoapse va abaisser l'altitude du prochain passage au périapse, de telle sorte que l'orbite recoupe alors les hautes couches de l'atmosphère martienne. Sur Mars, la limite supérieure de l'atmosphère est d'environ 120 km. En dessous de cette altitude, les effets de l'atmosphère commencent à se faire sentir.

La manœuvre qui marque le début de l'aérofreinage peut avoir lieu juste après l'insertion orbitale, lors du premier passage à l'apoapse : ainsi, le freinage atmosphérique commence immédiatement. Ce genre d'enchaînement n'est cependant possible que si les équipes responsables du contrôle de la sonde sont expérimentées. En général, on laisse la sonde effectuer quelques orbites avant de la plonger dans l'atmosphère histoire de souffler un peu après l'insertion orbitale et de vérifier que tous les paramètres sont nominaux.

Le principe du freinage atmosphérique est relativement simple. Au cours de chacune des boucles allongées qu'elle décrit autour de Mars, la sonde va rencontrer au périapse les hautes couches de l'atmosphère. La friction de l'air sur sa structure va alors la ralentir.

Quand une sonde voit sa vitesse chuter au périapse, la mécanique du vol spatial nous enseigne que l'altitude du prochain passage à l'apoapse sera plus faible. Inversement, si la vitesse augmente au périapse, on assiste à une élévation de l'altitude de l'apoapse. Ce principe fonctionne également dans le sens inverse. Une augmentation de vitesse lorsque la sonde passe à l'apoapse élève l'altitude du périapse (cette manœuvre sera utilisée par exemple pour sortir la sonde des couches de l'atmosphère si un incident survient pendant le freinage). De la même manière, si on diminue la vitesse à l'apoapse, lors du prochain passage au périapse la sonde va survoler Mars à une altitude moindre. Ainsi, à coup de manœuvres propulsives de courtes durées au moment du passage à l'apoapse, on peut contrôler ce qui se passe de l'autre côté de l'orbite et moduler l'aérofreinage.

Si rien ne vient perturber le freinage atmosphérique, à chaque orbite la sonde perd un peu de sa vitesse au périapse, ce qui a pour effet de diminuer en retour l'altitude de l'apoapse. L'aérofreinage est donc une technique qui permet d'abaisser l'altitude de l'apoapse sans modifier la valeur du périapse, ce qui conduit à terme à une circularisation de l'orbite à la hauteur du périapse. Dans le même temps, la période de révolution diminue également.

Le rôle des panneaux solaires

Les panneaux solaires jouent un rôle important pendant l'aérofreinage, car ils offrent une surface importante, qui peut encore être augmentée par l'ajout de petites extensions (les volets) à leurs extrémités. La position des panneaux est modifiée juste avant le plongeon dans l'atmosphère de manière à obtenir un frottement maximal. Comme ils ne sont en général plus pointés vers le soleil, ils ne fournissent plus d'énergie au vaisseau spatial. Après la manœuvre, les panneaux retrouvent leur position initiale et peuvent de nouveau alimenter la sonde en énergie.

Une technique risquée

Malgré une simplicité apparente, la mise en oeuvre de l'aérofreinage demande un certain doigté. Le point le plus critique consiste à déterminer l'altitude du passage à travers l'atmosphère. Si la sonde s'enfonce trop profondément dans l'atmosphère, les forces de friction peuvent devenir assez fortes pour abîmer certaines structures fragiles comme les panneaux solaires. Une erreur de quelques dizaines de kilomètres et la sonde se désintègre en mille morceaux (Mars Climate Orbiter peut parfaitement en témoigner !). Outre les contraintes mécaniques, les frottements avec l'air conduisent également à une élévation de température. L'échauffement doit impérativement être limité à des valeurs acceptables, sous peine de voir la sonde subir des dommages irrémédiables. D'un autre côté, si la sonde se contente juste d'effleurer l'atmosphère sans vraiment y pénétrer, le freinage risque de ne pas être suffisant et les paramètres orbitaux ne seront pas modifiés.

Contrôle de la densité atmosphérique

Le calcul de l'altitude optimale repose sur la connaissance de la densité atmosphérique. Pour la planète Mars, le profil vertical de densité de l'atmosphère est assez mal connu, même si nous avons fait des progrès certains grâce à Mars Global Surveyor. L'atmosphère martienne peut connaître des brusques sursauts de densité. Une tempête de poussière qui se lève peut provoquer un épaississement de l'atmosphère, l'effet se faisant sentir même à très haute altitude. Les ingénieurs sont donc constamment obligé de prévoir la densité atmosphérique au prochain point de passage.

Pour cela ils ont à leur disposition les données collectées par les instruments de la sonde elle-même et éventuellement les mesures effectuées par d'autres sondes en orbite. Ils font également tourner des simulations complexes qui leurs permettent de prévoir la météorologie de la haute atmosphère à deux ou trois jours. Chaque jour, le modèle théorique est alimenté avec des données de la veille. Si les ingénieurs se rendent compte que la densité atmosphérique est plus faible que prévu, ils peuvent hardiment décider de plonger la sonde un peu plus en profondeur dans l'atmosphère, pour profiter d'une plus forte densité et augmenter l'efficacité du freinage. A l'inverse, ils peuvent réaliser avec stupeur que la densité atmosphérique rencontrée lors du dernier passage était bien trop élevée et que l'altitude du passage suivant doit absolument être augmentée, sous peine d'assister à la combustion de la sonde dans l'atmosphère ! Si la situation est vraiment critique, ils sont autorisés à sortir carrément la sonde de l'atmosphère pour stopper net l'aérofreinage. Le freinage atmosphérique ne marche pas tout seul. Il suffit d'un moment d'inattention ou d'une mauvaise estimation de la densité pour que la situation tourne vite au désastre.

Game Over !

Les choses deviennent particulièrement excitantes lors d'une période que les ingénieurs désignent sous le terme de end-game (fin du jeu), et qui correspond aux derniers jours du freinage atmosphérique. Vers la fin de l'aérofreinage, l'orbite est presque circulaire et l'altitude de l'apoapse est proche de l'altitude du périapse. La sonde parcourt son orbite en quelques heures seulement et le temps de réaction est donc considérablement diminué. Si par malheur la sonde subit un freinage trop important lors du passage au périapse, les ingénieurs ne disposent que de très peu de temps pour planifier une manœuvre qui rectifiera la situation. Sinon, une ou deux orbites plus tard, l'apoapse sera tellement bas que la sonde rencontrera les couches de l'atmosphère et s'y abîmera.

Un exemple avec Mars Global Surveyor

A l'heure actuelle, la sonde Mars Global Surveyor est la seule à avoir expérimenté le freinage atmosphérique et nous n'avons donc à notre disposition que ce seul exemple pour illustrer la mise en oeuvre de cette technique. Mars Global Surveyor a cependant connu tellement de péripéties au cours de son freinage atmosphérique que c'est finalement un excellent exemple, peut être même un véritable cas d'école !

Les avantages de l'aérofreinage

La sonde Mars Observer,  qui devait initialement accomplir la mission dévolue à Mars Global Surveyor, va nous permettre de comprendre l'avantage économique de l'aérofreinage. Après un décollage et une phase de croisière sans incidents notables, la NASA perd définitivement le contact avec Mars Observer en août 1993, à quelques jours de sa mise en orbite. Pour combler cette lourde perte, l'agence spatiale américaine décide de mettre sur pied une mission de remplacement : ce sera Mars Global Surveyor.

Pour la NASA, plus question d'investir un milliard de dollars dans la nouvelle sonde. Celle-ci devra impérativement être plus économique. Mars Global Surveyor n'a donc emporté que 6 des 8 instruments scientifiques de Mars Observer, ce qui a permis de diminuer le poids de la charge utile de 81 kg. Mais la principale économie n'est pas là. La différence cruciale entre les deux missions tenait surtout dans la technique utilisée pour atteindre l'orbite finale. Mars Observer devait compter sur son moteur, Mars Global Surveyor sur l'aérofreinage.

Mars Observer emportait avec elle un puissant moteur, les ergols nécessaires à son fonctionnement et les ordinateurs permettant de contrôler le tout. Au moment du lancement, la sonde pesait 2572 kg. De son côté, Mars Global Surveyor pouvait faire l'économie d'une large quantité d'ergols et des systèmes de contrôle, et elle ne pesait que 1060 kg ! En recourant à la technique de l'aérofreinage, la NASA a permis de réaliser une économie substantielle sur le poids de la sonde, qui s'est bien entendu répercutée sur les coûts de lancement. Le lanceur utilisé pour propulser Mars Global Surveyor vers la planète rouge, une fusée Delta II 7925, était plus petit, moins puissant et surtout bien moins coûteux (d'un facteur cinq) que la fusée Titan III E employée pour lancer Mars Observer.

Mise en orbite

Le 12 septembre 1997, Mars Global Surveyor réussit à se placer en orbite autour de la planète Mars, après avoir allumé son moteur pendant 22 minutes. Encore sous le choc de la perte de Mars Observer, les ingénieurs étaient sous tension. L'insertion orbitale ayant lieu derrière le globe martien, ces derniers étaient aveugles pendant toute la durée de la manœuvre. Mais lorsque la sonde réapparaît enfin, une excellente surprise les attend. Mars Global Surveyor se trouve sur une orbite très elliptique, avec un périapse à 262 km d'altitude et un apoapse à 54 000 km d'altitude. Pour boucler un tour, la sonde met pratiquement 45 heures. Tous les paramètres sont donc conformes aux prévisions et l'insertion orbitale est un modèle de précision.

L'orbite finale de cartographie

Pour les ingénieurs, le but du jeu consiste maintenant à modifier les paramètres de l'orbite initiale pour arriver à l'orbite finale de cartographie, dont les caractéristiques sont bien différentes. L'orbite désirée par les scientifiques est pratiquement circulaire (avec un périapse et un apoapse avoisinant les 400 km). La période de révolution de 1,96 heures. De plus, la sonde devait suivre une orbite héliosynchrone avec un survol de l'équateur martien à 14:00 très précise (heure locale martienne) pour que les observations scientifiques puissent être menées de manière optimale.

Notons ici un point important : l'aérofreinage étant le point de passage obligé vers l'orbite finale, il conditionne de fait toute la mission. Si l'aérofreinage est un échec, aucun des objectifs ne pourra être rempli complètement et la mission sera un désastre. Dans le cas de Mars Global Surveyor, la nature héliosynchrone de l'orbite représentait une contrainte supplémentaire. Si, pour une raison ou une autre, l'aérofreinage était interrompu même temporairement, l'heure du passage au-dessus de l'équateur alliait subir un décalage, compromettant ainsi fortement la mission.

Marge de tolérance

La sonde Mars Global Surveyor a été conçue pour supporter une augmentation de 90 % de la densité atmosphérique nominale lors d'un passage au périapse. Au-delà, la pression et la chaleur risqueraient d'endommager de manière irréversible la sonde. Cette marge d'erreur peut paraître importante et elle excède de beaucoup les fluctuations de densité atmosphérique enregistrées par la sonde Magellan autour de Venus au cours de ses centaines de passages dans l'atmosphère. Mais à l'altitude ou doit avoir lieu le freinage de Mars Global Surveyor (105 km +/- 15 km), la densité n'est pas connue avec précision et l'on redoute des changements importants, ce qui explique cette marge de manœuvre confortable.

Tempête de poussière

Lorsque Mars Global Surveyor a débuté son freinage atmosphérique, le printemps faisait son apparition dans l'hémisphère sud. Or cette période est particulièrement propice aux fameuses tempêtes de poussière, qui peuvent parfois atteindre une violence extrême et englober la planète entière, comme l'ont appris à leurs dépends la sonde américaine Mariner 9 et les sondes russes Mars 2 et Mars 3 en 1971.

Le problème n'est pas tellement la poussière elle-même. Les particules de poussière ne montent guère plus haut que 60 km d'altitude, alors que Mars Global Surveyor évolue à des hauteurs environ deux fois supérieures. Malgré cela, la présence de grains de poussière en grande quantité modifie le bilan thermique. Les rayons solaires sont absorbés par la poussière, la température de l'atmosphère augmente brutalement, les masses d'air rentrent en expansion, ce qui provoque au final une forte augmentation de densité. Même à une centaine de kilomètres de la surface martienne, le changement de densité est palpable.

La densité peut facilement augmenter d'un facteur 10 dans les quelques jours qui suivent la naissance d'une tempête planétaire. Heureusement, les passes d'aérofreinage de Mars Global Surveyor avaient lieu au-dessus de l'hémisphère nord. Comme les tempêtes prennent naissance dans l'hémisphère opposé, elles devaient d'abord traverser l'équateur avant de venir déverser leur colère de l'autre côté de la planète. Cela laissait un peu de temps pour voir les choses venir.

L'un des indicateurs qui permet de surveiller le franchissement de l'équateur par une tempête n'est autre que la température. Celle-ci se met à augmenter dans l'hémisphère nord avant que la tempête ne traverse la bande équatoriale. Dans ce cas, les ingénieurs augmentent sensiblement l'altitude du périapse pour anticiper une éventuelle augmentation de densité. La pression de l'air sur les panneaux solaires risque bien sûr d'être moins importante, ce qui peut ralentir un peu le rythme de l'aérofreinage sans pour autant le stopper complètement.

Pour surveiller la météorologie martienne et détecter la naissance d'une tempête de poussière, l'équipe au sol responsable de Mars Global Surveyor avait déjà recours à la sonde elle-même. Mars Global Surveyor emporte de nombreux instruments particulièrement utiles : sa caméra MOC permet de surveiller l'activité en surface, le spectromètre d'émission thermique TES se révèle très pratique pour suivre l'évolution de la température atmosphérique, tandis que le reflectomètre à électrons (Mag/Er) permet de contrôler l'évolution de la densité électronique de l'ionosphère et en particulier l'altitude du pic de densité électronique maximale.

En mesurant le ralentissement subi par la sonde lors de son bref passage dans l'atmosphère martienne, les accéléromètres de Mars Global Surveyor permettent également d'estimer directement la densité des couches d'air rencontrées. De plus, la sonde est également suivie de manière quasi-permanente par les antennes paraboliques du Deep Space Network. Avant chaque passage, les ingénieurs réalisent une estimation de l'efficacité du freinage. Lorsque la sonde quitte l'atmosphère, l'analyse du signal radio permet de connaître différents paramètres (comme la vitesse) et d'en déduire la densité.

Des mesures radars effectuées depuis la Terre servent aussi à surveiller l'état de l'atmosphère et les tendances climatiques. Le télescope spatial Hubble a aussi été mis à contribution. Ses images ont été utilisées pendant la première période de l'aérofreinage pour surveiller la naissance d'une éventuelle tempête (le support du télescope spatial Hubble a pris fin au mois de mars 1998, car Mars était alors trop proche du soleil et les observations n'étaient plus possibles). Enfin, la sonde Pathfinder a également transmis des informations de la plus haute importance pendant les trois premiers mois de l'aérofreinage grâce à sa station météorologique (ASI/MET). La petite sonde a mesuré l'évolution de la pression et de la température, ainsi que l'opacité générale de l'atmosphère.

Déroulement de l'aérofreinage

Le planning initial prévoyait une période d'aérofreinage de 4 mois (soit 300 orbites) pour parvenir à l'orbite finale de cartographie. Il comportait trois phases : 

  • Le démarrage de l'aérofreinage proprement dit au cours duquel l'altitude du périapse passait de 262 km (altitude après insertion orbitale) à 110 km.

  • Une période d'aérofreinage de 3 mois au cours de laquelle l'apoapse devait passer de 54 000 km à 2000 km et la période de révolution de 45 heures à 3 heures. Aucun contact radio n'était possible lorsque Mars Global Surveyor traversait l'atmosphère, car chaque passage dans l'atmosphère avait lieu derrière Mars (ce qui représentait 45 à 60 minutes de silence par orbite). Les sessions de communication ne pouvaient avoir lieu qu'avant ou qu'après la passe d'aérofreinage. Ainsi, à chaque fois que la sonde émergeait de derrière le disque martien, les techniciens connaissent une légère appréhension !

  • Une phase finale de 3 semaines au cours de laquelle l'apoapse était amené avec précaution à 450 km. La sonde était ensuite sortie définitivement de l'atmosphère martienne. Pour atteindre l'orbite finale de cartographie, les ingénieurs devaient enfin mesurer avec précision la valeur du champ de gravité martien pour réaliser les derniers ajustements (manœuvres propulsives).

Début de l'aérofreinage

L'aérofreinage débute le 17 septembre 1997, soit cinq jours après la mise en orbite. Lors de l'orbite n°11, la densité atmosphérique atteint la limite inférieure de l'intervalle de densité nécessaire pour freiner. Malgré tout, au cours de ce seul passage, la période de révolution diminue d'une heure et quatre minutes. Les ingénieurs notent alors qu'un panneau solaire se comporte de manière anormale en vibrant exagérément.

Chaque panneau solaire porte à son extrémité un capteur solaire pointé vers le soleil. En examinant les données télémétriques, les ingénieurs remarquent que l'image du soleil dans le champ de vision de l'un des capteurs se déplace, ce qui indique de fortes vibrations au niveau du panneau lui-même. Comme ce panneau avait connu un incident juste après le lancement, les ingénieurs ne s'inquiètent pas outre mesure.

Crac !

Juste après le lancement de Mars Global Surveyor le 7 novembre 1996, les techniciens s'étaient effectivement rendus compte que l'un des deux panneaux solaires ne s'était pas totalement déployé : il s'était bloqué à 20 ° de sa position de verrouillage. La charnière n'avait pas joué comme il fallait, peut être à cause d'une obstruction causée par une particule de métal ou un corps étranger. Le problème ne préoccupe pas trop les ingénieurs, car ils vont pouvoir mettre en oeuvre une solution très originale pour forcer le panneau récalcitrant à se déplier totalement. Pendant l'aérofreinage, les panneaux sont soumis à une certaine pression. Une aubaine lorsqu'il s'agit de faire jouer une articulation un peu grippée !

Le 1er octobre 1997, les ingénieurs surveillent attentivement l'indicateur affichant la position angulaire du panneau solaire. La sonde traverse l'atmosphère et surprise, la technique marche à merveille ! Le panneau solaire s'est déplacé de 4° vers sa position de verrouillage. Au cours de l'orbite suivante, tout semble être rentré dans l'ordre. Le panneau a atteint sa position de blocage, sans que l'on puisse savoir pour autant s'il est effectivement verrouillé.

Le 6 octobre 1997, soit trois orbites plus tard, la densité atmosphérique au périapse augmente sans prévenir de 46 %, suite à un changement saisonnier. Le panneau solaire se prend une véritable gifle. Nous avons déjà vu que Mars Global Surveyor a été conçue pour encaisser une augmentation de 90 % de la densité nominale, mais cela ne va pas empêcher le panneau de dépasser d'un angle de 17° sa position de blocage ! Les ingénieurs commencent à s'affoler et décident d'arrêter les frais. Ce comportement, qui n'était absolument pas prévu, ne peut signifier qu'une chose : l'incident post lancement portant sur le panneau solaire a été mal diagnostiqué.

Arrêt de l'aérofreinage

Pour abaisser la pression subie par les panneaux solaires, les ingénieurs décident de remonter l'altitude du périapse d'une dizaine de kilomètres : lors de son prochain passage à l'apoapse, la sonde accélère en allumant brièvement son moteur, ce qui a pour effet de faire passer le périapse de 110 à 120 km d'altitude. Malheureusement, bien que la pression soit moindre lors des deux passages suivants, le panneau solaire donne des signes de faiblesse et continue de vibrer d'une manière inquiétante à chaque passage au périapse.

De leur côté, les scientifiques font alors pression sur les ingénieurs pour reprendre l'aérofreinage au plus vite. En travaillant dans la précipitation et le stress, ces derniers savent bien qu'ils risquent gros. La moindre petite erreur d'appréciation peut aboutir à une catastrophe. L'idéal serait d'arrêter l'aérofreinage, à la fois pour que les équipes techniques puissent se pencher calmement sur le problème, mais aussi pour stopper les vibrations du panneau solaire. Rien ne dit qu'à ce rythme, ce dernier tienne encore longtemps, et les ingénieurs redoutent un dommage irréversible ou une désintégration pure et simple.

Le 11 octobre 1997, la sonde allume de nouveau son moteur à l'apoapse, ce qui amène le périapse à 172 km d'altitude, hors de l'atmosphère. La mort dans l'âme, les scientifiques assistent à l'arrêt de l'aérofreinage. Nous avons déjà évoqué les contraintes de l'orbite finale de Mars Global Surveyor. En arrêtant l'aérofreinage, les ingénieurs n'allaient plus pouvoir respecter l'heure de passage de la sonde au-dessus de l'équateur martien. La sonde est certes saine et sauve, mais jamais elle ne pourra atteindre ses objectifs ...

Deux scénarios étaient alors envisageables pour Mars Global Surveyor. Dans le premier cas, les dommages subis par le panneau solaire pouvaient empêcher la reprise de l'aérofreinage. Grâce à ses réserves de carburant, Mars Global Surveyor pouvait se rapprocher un peu de la planète Mars, mais elle serait condamnée à suivre une orbite elliptique fortement inadaptée à sa mission de cartographie. Sur une orbite elliptique, une sonde ne peut passer que peu de temps à proximité de la surface d'une planète. Or certains instruments, comme l'altimètre laser, ne peuvent fonctionner au-delà d'une certaine distance. Par exemple, à une altitude supérieure à 780 km, l'altimètre laser devient inutilisable. Dans la mission initiale, cet instrument devait fonctionner de façon continue. Comme l'orbite était circulaire, l'instrument restait en permanence à une distance autorisant son fonctionnement. Sur une orbite elliptique, l'altimètre ne devient utile que lors du passage au périapse. Sa période de fonctionnement correspond seulement à une petite fraction du temps passé sur l'orbite et il aurait alors renvoyé 32 fois de données que prévu ! Les scientifiques veulent éviter à tout prix ce scénario de cauchemar. La deuxième solution, qui consiste à reprendre l'aérofreinage, semble le meilleur choix possible. Tout dépend de l'état du panneau solaire.

Les ingénieurs n'ont pas le temps de se ronger les ongles. Ils sont occupés entre l'analyse des données de télémétrie recueillies depuis le lancement, la mise au point de modèles théoriques, l'étude de simulations numériques et la réalisation de tests sur une maquette du panneau solaire. Un nouveau modèle, capable d'expliquer à la fois les données de télémétrie et le comportement du panneau solaire en laboratoire, émerge finalement.

Le panneau solaire et son articulation sont constitués d'un matériau composite : une plaque d'aluminium en nid d'abeille prise en sandwich entre deux feuilles de résine époxy et de fibres de carbone. Au moment du déploiement, l'une des feuilles s'est fendillée, ce qui ne laisse plus au panneau solaire qu'un côté intact. C'est suffisant pour reprendre l'aérofreinage, mais celui-ci devra dorénavant être beaucoup plus doux. La pression exercée sur les panneaux ne devra jamais excéder 1/3 de la valeur nominale, soit 0,2N/m2 (ce qui correspond à une altitude de 124 km).

De concert, les scientifiques et les ingénieurs décident que l'on doit tout tenter pour optimiser les objectifs de la mission. L'orbite finale doit rester héliosynchrone, pour des raisons scientifiques et techniques (puissance énergétique, communication). Reste alors à déterminer l'heure du passage au-dessus de l'équateur. Après maintes discussions, l'équipe responsable de Mars Global Surveyor se rend compte qu'il n'existe qu'une solution permettant de restaurer les objectifs initiaux de la mission : il faut que la sonde passe au-dessus de l'équateur à 2:00 du matin (heure locale martienne). Mais pour atteindre cette orbite, qui est exactement l'image dans un miroir de l'orbite initiale, il faudra patienter  ... un an !

Un peu abattu par cette nouvelle, les scientifiques demeurent pragmatiques. Après tout, la sonde est toujours en orbite et les instruments fonctionnent, en particulier le magnétomètre, la caméra, l'altimètre laser et le spectromètre infrarouge. Ils pourront toujours mettre à profit cette année supplémentaire pour étudier Mars !

Nouveau calendrier

Dans le nouveau planning, le freinage atmosphérique est scindé en deux parties. La première phase commence en novembre 1997 et se termine au mois de mars 1998. Son objectif est d'atteindre une période de révolution de 12 heures. La fin de cette première phase est marquée par l'arrivée d'une conjonction solaire : le Soleil se placera alors exactement entre la Terre et Mars, ce qui rendra impossibles les communications avec Mars Global Surveyor. A ce stade, l'aérofreinage sera temporairement suspendu, les ingénieurs ne voulant pas courir le risque de continuer le freinage atmosphérique sans communications. La sonde sera donc sortie de l'atmosphère et les scientifiques disposeront de six mois pour étudier la planète deux à quatre fois par jour, lors du passage à l'apoapse (à l'exception de trois semaines autour de la conjonction solaire). Cette pause, baptisée Science Phasing Orbit (SPO), va s'étendre du mois de mars 1998 au mois de septembre 1998. La deuxième et dernière phase du freinage atmosphérique débute à la fin de la phase SPO (de septembre 1998 à mars 1999).

Reprise de l'aérofreinage (phase 1)

Le 7 novembre 1997, Mars Global Surveyor reprend donc le freinage atmosphérique après une pause forcée de quatre semaines, période que les scientifiques ont bien entendu mis à profit pour étudier la planète Mars lors de chaque passage au périapse.

Nouvelle tempête de poussière

L'aérofreinage se déroule sans incidents notables jusqu'au 26 novembre 1997 ou la densité atmosphérique et la pression dynamique subie par la sonde augmentent brutalement de 133 % ! L'équipe scientifique qui surveille l'atmosphère découvre bientôt qu'une tempête de poussière régionale s'est levée au-dessus du secteur de Noachis Terra. Bien que cette tempête concerne l'hémisphère sud, elle est quand même responsable d'une belle augmentation de densité dans les hautes couches de l'atmosphère de l'hémisphère nord. Par prudence, les ingénieurs décident de relever l'altitude du périapse, qui passe de 124 km à 132 km. Aucune autre mesure ne sera nécessaire et après quelques semaines, la tempête diminue d'intensité. Pour la fête de Noël, la sonde peut de nouveau survoler la surface martienne à une altitude de 124 km. Dans les mois qui suivent, la sonde parvient à rattraper ce petit retard.

Au cours de l'aérofreinage, la latitude du périapse a lentement progressé vers le nord. A la fin de l'année 1997, la sonde survolait Mars à 42° de latitude nord. Cette époque correspondait à l'automne pour l'hémisphère nord et les hautes latitudes étaient petit à petit plongées dans l'obscurité. La densité atmosphérique pour une altitude donnée commençait à décliner et Mars Global Surveyor pouvait donc s'aventurer un peu plus profondément dans l'atmosphère sans craindre une pression trop excessive. A la fin du mois de mars 1998, l'altitude du périapse était de 117 km.

Pause temporaire de l'aérofreinage (SPO : Science Phasing Orbit)

A la fin du mois de mars 1998, la conjonction solaire oblige les ingénieurs à suspendre l'aérofreinage, en remontant le périapse à 170 km d'altitude (si l'aérofreinage s'était déroulé correctement, la sonde aurait du être à cette époque sur son orbite finale de cartographie). Pendant six mois (à l'exception de trois semaines autour de la période de conjonction), Mars Global Surveyor va pointer ses instruments à chaque passage au périapse pour collecter des données scientifiques.

Pour les scientifiques, cette période imposée va devenir une véritable aubaine. Mars Global Surveyor survole effectivement la planète à une altitude deux fois inférieure à celle qui caractérise l'orbite finale de cartographie (400 km). La caméra peut donc saisir de nombreux détails supplémentaires (d'autant plus que l'éclairement des terrains est excellent) et la précision des mesures s'accroît d'autant. C'est pendant ces survols à une altitude inespérée que le magnétomètre va faire une découverte fondamentale.

Reprise de l'aérofreinage (phase 2)

La deuxième phase de l'aérofreinage débute au mois de septembre 1998 et la sonde atteint finalement son orbite de cartographie le 9 mars 1999, après avoir parcouru 600 orbites supplémentaires (par rapport au plan initial qui n'en comptait que 300).

Fin de l'aérofreinage

Le freinage s'est terminé par la phase de transition baptisée "end-game". Cette phase critique a débuté lorsque l'apoapse a atteint 1000 km d'altitude. Quatre manœuvres propulsives ont été effectuées de manière à relever progressivement le périapse pour limiter la décroissance de l'altitude de l'apoapse. Après chaque manœuvre, si rien n'était tenté, la durée de vie de la sonde était de 48 heures. Si, pour une raison ou une autre, la manœuvre suivante ne pouvait pas être exécutée comme prévu, l'altitude de l'apoapse aurait continué de diminuer dangereusement, pour finalement atteindre la valeur fatidique de 300 km. A ce point, la chute de l'altitude lors des prochains passages aurait été très rapide et après quelques orbites supplémentaires, la sonde se serait crashée à la surface de la planète !

La phase de transition a été également compliquée par le fait que la sonde passait de plus en plus de temps au-dessus de la face obscure de Mars, avec pour conséquence une décharge de plus en plus importante des batteries. Pour couronner le tout, pendant cette période, la salle de contrôle depuis laquelle les ingénieurs commandaient la sonde a été victime d'une inondation catastrophique, qui a impliqué le départ de l'équipe vers la salle de contrôle de secours !

Le 4 février 1999, le moteur de manœuvre est mis à feu pendant 70 secondes et la vitesse de la sonde augmente de 62 ms : un coup de pied bien suffisant pour la sortir définitivement des hautes couches de l'atmosphère ! Avec un périapse à 450 km d'altitude, l'aérofreinage est officiellement terminé et tout le monde peut souffler. Des corrections fines (prise en compte du champ de gravité) permettront d'aboutir à l'orbite de cartographie finale. Le freinage atmosphérique de Mars Global Surveyor est donc un beau succès, entaché cependant par un retard d'une année. Nul doute qu'il a du offrir quelques nuits blanches aux ingénieurs de la mission et de beaux frissons aux scientifiques !

Mars Global Surveyor en cours d'aérofreinage

Dessin d'artiste montrant Mars Global Surveyor pendant son freinage atmosphérique. La sonde est au périapse, le point de l'orbite le plus proche de la planète. Remarquez les panneaux solaires, repliés de 30° vers l'arrière. Dans cette position ils opposent le maximum de surface au flux d'air. Chaque panneau comprend deux plaques recouvertes de cellules photoélectriques bleues et un volet rigide noir fixé à l'extrémité pour augmenter la surface. Le frottement atmosphérique (visible sur le dessin) va légèrement échauffer la sonde et diminuer sa vitesse. Les instruments scientifiques sont situés sur la partie arrière, le corps de la sonde jouant ainsi le rôle de protection (Crédit photo : droits réservés).

L'aérofreinage de Mars Global Surveyor

Schéma représentant les orbites successives de Mars Global Surveyor au cours de son aérofreinage. L'orbite initiale après capture est très elliptique (apoapse à 54 000 km, périapse à 265 km) et possède une période de révolution de 45 heures (1, en jaune). Au cours de l'aérofreinage, l'orbite de Mars Global Surveyor va progressivement se circulariser, tandis que la période de révolution diminue (2, en bleu). A la fin du freinage atmosphérique, la sonde a rejoint son orbite finale de cartographie : un cercle parfait à 400 kilomètres d'altitude de la surface martienne, un tour complet prenant 2 heures (3, en vert) (Crédit photo : NASA/JPL).

Le principe de l'aerofreinage

Principe de l'aérofreinage : Sur le schéma, notre sonde (Mars Global Surveyor) suit la trajectoire en pointillée. Une fois à proximité de Mars, elle infléchit sa route pour venir frôler la planète. Une manœuvre propulsive ralentit alors le satellite et provoque sa capture gravitationnelle par la planète Mars, c'est à dire sa mise en orbite. L'orbite initiale est elliptique (pastille bleue). Le périapse est indiqué par la lettre P, l'apoapse par la lettre A. Juste après l'insertion orbitale, la sonde ne traverse pas encore les couches atmosphériques au périapse, mais une légère diminution de la vitesse lors d'un passage à l'apoapse va régler ce problème. Lors de son prochain passage au périapse, la sonde plongera dans les hautes couches de l'atmosphère. A ce moment là, la résistance de l'air sur les panneaux solaires et le corps de la sonde va diminuer sa vitesse (-DV, flèche verte) et provoquer en retour une baisse de l'apoapse (-DR). La sonde suit maintenant une orbite plus circulaire (pastille verte) et plus courte que l'orbite initiale, avec un apoapse plus bas (A'). Le schéma montre également qu'à l'inverse, une augmentation de la vitesse au périapse par l'allumage du moteur de la sonde (+DV, flèche rouge) peut remonter l'apoapse (A''), rallonger l'orbite (la sonde mettra plus de temps à boucler une révolution) et augmenter l'excentricité (l'orbite sera plus elliptique). En résumé, l'aérofreinage est une technique économique permettant de modifier les paramètres d'une orbite en tirant avantage de la friction de la sonde avec les hautes couches de l'atmosphère. Alors que le périapse reste fixe, l'apoapse diminue, ce qui réduit au final la période de révolution et l'excentricité de l'orbite. (Crédit photo : © Philippe Labrot, adapté de l'atlas de géographie de l'espace de Fernand Verger).

F-15E Strike Eagle

Un chasseur américain F-15E Strike Eagle à l'atterrissage. Pour freiner, le pilote a sorti de son logement un énorme aérofrein (la plaque rectangulaire proéminente qui apparaît juste derrière le cockpit). Au cours du freinage atmosphérique, les panneaux solaires des sondes spatiales jouent le même rôle. Par définition, ils ne sont pas conçus pour ce genre d'opération, même si on peut ajouter à leurs extrémités un volet pour augmenter la traînée. Les panneaux solaires restent cependant des structures fragiles, comme l'a récemment prouvé Mars Global Surveyor (Crédit photo : droits réservés).

L'aerofreinage de Mars Climate Orbiter

Mars Climate Orbiter lors d'une passe d'aérofreinage. L'unique panneau solaire de 5,5 mètres est plaqué mécaniquement contre le corps de la sonde. Passage après passage, celle-ci va perdre de la vitesse, ce qui aura pour conséquence de diminuer la période de révolution et l'excentricité de son orbite. L'insertion orbitale de Mars Climate Orbiter devait être plus efficace que celle de Mars Global Surveyor. Juste après la capture, la sonde aurait effectivement du se retrouver sur une orbite assez basse (période de 12 à 17 heures contre 45 heures pour Mars Global Surveyor). Après 140 jours d'aérofreinage seulement, Mars Climate Orbiter aurait du atteindre son orbite finale (altitude 400 km, période de 2 heures). Malheureusement, à cause d'une erreur lamentable de navigation, la sonde a plongé très profondément dans l'atmosphère martienne lors de sa mise en orbite. D'après les calculs, elle serait passée à seulement 57 kilomètres de la surface ! A cette altitude, elle n'avait aucune chance de s'en sortir. Sous l'intense pression et la chaleur liée aux forces de friction, la petite sonde a été réduite en bouillie (Crédit photo : NASA/JPL).

 

Variation de la pression au périapse en fonction du temps

Variation de la pression au périapse (en ordonnée, en N/m2) en fonction du temps (en abscisse). Lors des tempêtes de poussière, la densité atmosphérique peut augmenter brusquement et la sonde court alors le risque d'être endommagée lors de ses passages dans l'atmosphère. Lorsque la densité atteint une valeur trop importante, il est préférable d'élever l'altitude du point de passage dans l'atmosphère (pour diminuer les forces de friction), voire carrément de stopper l'aérofreinage. Tout le problème consiste à estimer la densité atmosphérique et à prévoir d'éventuelles variations avant qu'il ne soit trop tard (Crédit photo : NASA/JPL/Arnaud Vazeille).

Variation de la densité atmosphérique à 122 kilomètres d'altitude en fonction de la longitude

Variation de la densité atmosphérique à 122 kilomètres d'altitude (kg/km3) en fonction de la longitude (en °). Une tendance se dessine nettement sur le graphique : certaines variations de densité dans l'hémisphère nord sont liées à la longitude et sont corrélées avec la topographie de surface. La densité a tendance à grimper entre 90° et 270° de longitude, alors qu'elle diminue souvent entre 0° et 180° de longitude. Or la surface comprise entre 90° et 270° se caractérise par une topographie assez élevée, qui joue donc un rôle sur la densité des hautes couches de l'atmosphère situées 120 km plus haut ! (Crédit photo : Nasa/JPL).

Schéma technique du panneau solaire de Mars Global Surveyor

Schéma technique du panneau solaire de Mars Global Surveyor. Le volet situé à l'extrémité de la structure permet d'augmenter la surface utile lors des passages dans l'atmosphère. Lors de son déploiement, l'articulation de l'un des panneaux solaires de Mars Global Surveyor a été endommagée. On pense que le mécanisme d'amortissement n'a pas joué son rôle. Le choc subi par le panneau lors du déploiement a été suffisamment important pour qu'une vilaine fissure apparaisse au niveau de l'articulation. Fragilisé, le panneau en question s'est mis à vibrer de manière inquiétante lors de l'aérofreinage. Craignant le pire, les ingénieurs ont décidé de continuer les passages atmosphériques à une altitude supérieure à celle initialement prévue, histoire de diminuer les contraintes sur le panneau. Le rythme de l'aérofreinage étant alors moins soutenu, la mission a pris une année de retard (Crédit photo : NASA/JPL).

 
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