Deep Space 2

Le programme New Millennium

La mission Deep Space2, connue aussi sous le nom de Mars Microprobe, constitue la seconde mission du programme New Millennium de la NASA, un programme focalisé sur la validation de nouvelles technologies spatiales plus que sur la collecte et la découverte de nouvelles données scientifiques. Deep Space 2 est une mission ambitieuse puisqu'elle ne comprend pas moins que la validation d'une dizaine de nouvelles technologies, qui auront leur place dans les missions planétaires du siècle prochain. Le coût total de la mission est d'environ 30 millions de dollars.

Les résultats obtenus seront d'une grande importance, en particulier pour la mise en place d'un réseau d'observation planétaire. La mise en place d'un tel réseau consiste à lancer une multitude de sondes (éventuellement à partir d'un seul vaisseau mère, placé en orbite) vers des régions différentes de la surface de Mars. Après l'atterrissage, chaque sonde envoie des données en même temps que toutes les autres. L'installation d'un tel réseau constitue le seul moyen d'étudier sérieusement des phénomènes complexes et dynamiques comme le climat ou l'activité sismique. Pour étudier l'activité climatique, il est important d'obtenir des données météorologiques à différents endroits de la planète et cela de manière simultanée. C'est la même chose pour l'étude de l'activité sismique. Un réseau de stations sismiques permet non seulement de localiser un tremblement de terre (ou un tremblement de Mars, dans notre cas !), mais aussi d'augmenter la probabilité de la détection d'un tel phénomène. Deep Space 2 est en quelque sorte un précurseur de ce genre de mission. Il faudra cependant attendre le projet NetLander et ses quatre petites stations pour avoir un véritable réseau d'observation planétaire à la surface de Mars.

Remarque : Deep Space 2 est en relation avec la mission Deep Space 1, dont l'objectif est également de valider une douzaine de nouvelles technologies (comme la propulsion ionique) par l'intermédiaire d'une sonde qui a décollé le 25 octobre 1998. Détail amusant, Deep Space 1 devait survoler la planète Mars en avril 2000, mais cette étape a été annulée. Elle passera à proximité d'un astéroïde (Braille en juillet 1999) qui n'est plus celui initialement prévu (McAuliffe) puis de deux comètes (Wilson-Harrington en janvier 2001 et Borrely en septembre 2001).

La mission

Les petites sondes sont parties vers Mars en même temps que la sonde Mars Polar Lander le 3 janvier 1999, grâce à  une fusée Delta II 7425. Pendant le voyage qui va durer 11 mois, les deux pénétrateurs sont attachés sur l'étage de croisière de Mars Polar Lander. Il n'y a pas d'interface électrique entre les deux sondes et Mars Polar Lander, de manière à simplifier les opérations en vol. De la même manière, les sondes seront inactives pendant le voyage et il n'y aura pas de communication avec celles-ci depuis la Terre, du lancement à l'impact final. Pour les protéger du froid de l'espace pendant le long voyage vers Mars, chaque pénétrateur est emmitouflé dans une sorte de bonnet d'isolation thermique. Le poids de l'interface avec la sonde Mars Polar Lander est de 3,7 kg.

L'atterrissage (mais on préférera peut être le terme de crash !) de Scott et d'Amundsen est prévu pour le 3 décembre 1999. Il aura lieu dans une région située à proximité de la calotte polaire sud, à la frontière nord des dépôts stratifiés. Les deux pénétrateurs frapperont la surface à une distance de 50 à 100 km du site d'atterrissage de Mars Polar Lander. Les dépôts stratifiés intéressent beaucoup les scientifiques. Formés de l'accumulation de couches de glace et de poussière, ils contiennent peut être un enregistrement de l'histoire climatique martienne et constituent sans doute un vaste réservoir de glace d'eau sur Mars.

Juste avant l'entrée dans l'atmosphère de Mars, Mars Polar Lander va se séparer de son étage de croisière. Cette séparation va activer un mécanisme pyrotechnique qui permettra à son tour la libération des pénétrateurs, 18 secondes après celle de l'atterrisseur. 4 minutes après, les sondes rentrent dans l'atmosphère martienne. A ce moment, le bonnet de protection thermique va brûler et mettre à nu le bouclier thermique. Après une chute courte mais vertigineuse, c'est l'instant crucial, c'est à dire l'impact avec la surface martienne. Sous le choc, chaque sonde va alors se séparer en deux éléments connectés entre eux par un câble flexible.

Les données collectées pendant la mission seront stockées temporairement dans les mémoires du micro-contrôleur de la sonde jusqu'à leur transmission sur Terre via la sonde Mars Global Surveyor (Mars Climate Orbiter aurait également pu jouer ce rôle) qui va alors fonctionner comme un relais de transmission. Mars Global Surveyor suivra une orbite presque polaire lorsque les deux pénétrateurs arriveront sur Mars en décembre 1999. Pendant les deux premiers jours, les pénétrateurs auront quatre occasions d'envoyer les données à Global Surveyor (qui passera alors au-dessus du site d'atterrissage), à un débit d'environ 8 000 bps grâce à une antenne UHF fonctionnant en bande S. Mars Global Surveyor enverra alors les données à la Terre (la réception s'effectuera grâce aux antennes du Deep Space Network de la NASA).

La mission primaire des deux pénétrateurs se terminera normalement avec la transmission d'un premier ensemble de données à la Terre via Mars Global Surveyor. Cet unique ensemble de données contiendra assez d'information pour valider d'un point de vue technique les technologies mises en oeuvre. La première session de communication devrait avoir lieu 2 heures après l'impact. En attendant le contact, chaque pénétrateur se placera dans un mode de faible consommation d'énergie, pour éviter un épuisement inutile des batteries. Dés qu'il recevra un signal de Mars Global Surveyor, le pénétrateur sortira de son sommeil et transmettra les données, avant d'attaquer l'analyse du sol qui marquera le début de la phase étendue de la mission. Les données concernant la principale expérimentation scientifique (prélèvement et analyse d'un échantillon du sous-sol en vue de la détection de glace) devraient alors être transmises 6 heures après l'impact. La collecte des données continuera jusqu'à que les batteries soient déchargées (entre 1 et 3 jours selon leur durée de vie).

Amundsen et Scott

A la fin du mois de novembre 1999, deux semaines avant l'arrivée sur Mars, les deux petits pénétrateurs de la mission Deep Space 2 ont été baptisés Amundsen et Scott en l'honneur des premiers explorateurs à avoir atteint le pôle sud terrestre. Le norvégien Roald Amundsen avait mené pour la première fois une expédition vers le pôle sud, qu'il atteint le 14 décembre 1911. Lorsque le britannique Robert Scott arrive à son tour au pôle le 18 janvier 1912, c'est seulement pour trouver le drapeau qu'Amundsen avait planté cinq semaines plus tôt ! La totalité de l'expédition de Scott péri lors du voyage de retour, les derniers rescapés n'étant plus qu'à 18 km de leur campement. 

La NASA avait organisé un concours pour baptiser les deux petites sondes, qui a d'ailleurs été un beau succès puisque l'agence spatiale américaine a reçu pas loin de 17 000 propositions ! Ayant trouvé deux noms plutôt sympas pour les petites sondes Deep Space 2, je n'avais pas pu m'empêcher d'y participer. Ma proposition n'a peut être pas été retenue, mais je n'ai pas dit mon dernier mot et je les garde sous le coude pour une autre mission spatiale martienne !

Les pénétrateurs

Chaque sonde kamikaze mesure seulement 18 cm de haut (la taille d'un ballon de basket), pèse 6,5 kg au total (soit 2,4 kg une fois à la surface de Mars), et se compose de trois parties. On trouve d'abord le bouclier thermique qui protège l'engin lors de l'entrée dans l'atmosphère de Mars. Comme nous le verrons plus tard, il ne sera pas éjecté pendant la phase finale de la descente, mais sera détruit lors de l'impact au sol.

La partie supérieure (d'un poids de 1,7 kg) est sensée rester au-dessus de la surface de Mars. C'est elle qui transmettra les données vers la Terre. Conçue pour supporter une température de 0° à -80°C, elle comporte deux batteries, le système de télécommunication, un capteur météorologique sensible à la pression, un accéléromètre pour la phase de descente et un capteur sensible au Soleil (qui permettra de savoir si la partie supérieure du pénétrateur est vraiment restée en surface après l'impact !).

Contrairement à la partie supérieure, la section inférieure du pénétrateur doit s'enfoncer de 0,3 à 1 mètres de profondeur dans le sous-sol martien, selon la nature terrain (sol gelé ou au contraire sol meuble à grains fins). Prévue pour fonctionner à une température de 0°C à -120°C, elle pèse 700 grammes et contient un micro-contrôleur, les composants du système électrique, le système de prélèvement et de détection d'eau, deux capteurs de températures et un accéléromètre d'impact à trois axes.

Pour s'enfoncer dans le sol, le pénétrateur doit absolument arriver sous un angle correct. Les ingénieurs se sont donc arrangés pour que l'engin arrive avec la bonne orientation, une tache difficile car lors de la descente finale vers la surface, le pénétrateur est en régime transsonique, un régime par définition instable, ce qui signifie que le pénétrateur aura naturellement tendance à osciller.

Pour réduire la masse et le volume de la sonde, et pour survivre à l'impact extrêmement violent avec la surface de Mars, le pénétrateur ne contient qu'un très petit nombre de fils électriques, histoire d'éviter les courts-circuits ou les ruptures. Le câblage du système électrique est implémenté sous la forme d'un ombilic flexible qui relie les deux parties de la sonde entre elles.

Chaque petit pénétrateur tire son énergie de deux minuscules batteries au lithium situées dans la partie supérieure, capable de fonctionner à très basses températures et de résister à des chocs extrêmement violents. Sans panneaux solaires pour les recharger, ce sont elles qui vont déterminer la durée totale de la mission. La puissance maximale électrique disponible est seulement de 300 milliwatts !

Les enjeux technologiques

Les deux petites sondes de la mission Deep Space 2 vont réaliser plusieurs premières. Ce sera en effet la première fois que nous pourrons étudier le sous-sol d'une autre planète grâce à des pénétrateurs. Voyons en détails les technologies mises en œuvre dans cette ambitieuse mission :

  • Résistance à des chocs énormes : Au moment de l'impact, la vitesse du pénétrateur sera de 200 m/s. La décélération subie au cours du choc pourra atteindre 30 000 G pour la partie inférieure du pénétrateur et 60 000 G pour la partie supérieure. En comparaison, l'atterrisseur de Pathfinder n'a expérimenté qu'une décélération de 17 G lors de son atterrissage. Pour donner une idée de la performance que les pénétrateurs doivent réaliser, on peut utiliser un exemple frappant : c'est comme ci on demandait à un ordinateur de bureau de continuer à fonctionner après un choc frontal avec un camion roulant à 200 km/h. Il y a deux manières différentes de résister à des chocs de cette nature. L'une est d'amortir le choc, l'autre est de réaliser une structure extrêmement rigide qui subira et laissera passer l'onde de choc sans se déformer. C'est cette deuxième solution qui a été retenue. De nombreux tests ont été effectués dans le désert du nouveau Mexique (Soccoro) à l'aide d'un canon de 5,5 mètres de long et de 15 centimètres de diamètre, qui a servi à éjecter des prototypes vers le sol à des vitesses de 200 m/s. Le dernier test a eu lieu en septembre 1999.
  • Fonctionnement à des températures très basses : les deux pénétrateurs vont devoir travailler à des températures qui pourront atteindre -120°C.
  • Entrée atmosphérique directe et passive : Les pénétrateurs n'auront pas besoin d'être stabilisé ou pointé dans la bonne direction pendant l'entrée atmosphérique. Aucune fusée ni système de guidage ou de contrôle d'attitude ne viendra corriger la trajectoire, stabiliser la rotation ou déterminer l'orientation lors de l'entrée atmosphérique. Les pénétrateurs vont se comporter exactement comme le volant que l'on utilise au badminton. La plus grande partie du poids de l'engin est placée en avant du centre de gravité. Ainsi, ils se réorienteront d'eux même dans la bonne direction, même dans le cas ou ils ont commencé leur entrée atmosphérique complètement à l'envers, ou s'ils sont animés d'un mouvement d'oscillation. Dans le même registre, les deux petites sondes n'utiliseront pas d'airbags, de parachutes ou de rétrofusées pour ralentir. Seul le bouclier thermique freinera les deux sondes au cours de leur plongeon vers le sol. Enfin, contrairement à ce que l'on pourrait penser, celui ci ne sera pas abandonné pendant la descente. Il accompagnera la sonde jusqu'au moment de l'impact, ou il sera proprement pulvérisé. Le bouclier est capable de supporter des températures de 2000°C lors de la traversée de l'atmosphère martienne tout en maintenant le pénétrateur à une température avoisinant les -40° C, le tout à quelques degrés près ! Le concept du bouclier thermique des pénétrateurs a également été validé par de nombreux tests.
  • Miniaturisation extrême des systèmes embarqués (masse, volume, consommation électrique) et simplification extrême de la sonde, ce qui a permis de réduire fortement les coûts de la mission et de diminuer le nombre de tests pendant la mise au point de l'engin.
  • Utilisation de satellites relais pour la transmission radio des données à la Terre (Mars Climate Orbiter, qui a malheureusement disparu, et Mars Global Surveyor).

Les objectifs scientifiques

Même si Scott et Amundsen sont avant tout des démonstrateurs technologiques, la science est également au rendez-vous. Ici, l'objectif scientifique principal est de détecter de la glace dans le sous-sol martien. Après l'enfouissement de la partie inférieure du pénétrateur sous la surface de Mars, une petite vrille va sortir sur un côté pour prélever une petite quantité de sol (100 milligrammes), qui sera transféré dans une petite chambre. Après un scellement pyrotechnique par soudure, la chambre est chauffée de manière progressive (par tranche de 10°). 

Au cours du chauffage, les substances volatiles comme l'eau ou le CO2 vont s'échapper sous forme gazeuse. On considère en effet que le sol martien est un vaste réservoir d'eau et de gaz carbonique (surtout dans les hautes latitudes). L'eau, par exemple, peut être présente sous la forme d'eau liquide, de glace, ou encore liée chimiquement à certains minéraux (dans ce cas, un chauffage plus important est nécessaire pour la libérer). Un fin pinceau laser va traverser les gaz qui vont s'échapper de l'échantillon en vue d'analyser les substances volatiles. Les molécules d'eau ou de CO2 vont absorber la lumière du laser de manière spécifique, ce qui permettra de les détecter et de mesurer leur concentration. Les résultats seront comparés à ceux obtenus par l'instrument TEGA du Mars Polar Lander. Comme les pénétrateurs et Mars Polar Lander atterrissent à des endroits bien différents, on pourra obtenir une estimation de la variabilité des terrains entourant le pôle sud.

D'autres propriétés du sous-sol seront étudiées, comme la conductivité thermique et la température. La conductivité sera estimée en mesurant la vitesse à laquelle le pénétrateur refroidira après son entrée dans le sous-sol (ce qui révèlera à quelle vitesse le sol dissipe la chaleur). Une conductivité thermique faible indiquera la présence d'un sol constitué de grains très fins, éventuellement déposés par le vent. Au contraire, une forte conductivité thermique révélera la présence d'une grande quantité de glace dans le sous-sol. La conductivité a une forte influence sur les températures qui règnent dans le sous-sol et donc sur la profondeur à laquelle la glace est stable. Quant à la température, elle est obtenue grâce à deux capteurs montés sur le pénétrateur.

La partie supérieure du pénétrateur qui reste en surface après l'impact effectuera enfin des enregistrements de la pression atmosphérique toutes les heures, et ce pendant au moins 2 jours. Les mesures continueront jusqu'à l'épuisement des batteries.

Les données scientifiques ne seront pas recueillies uniquement après l'atterrissage, mais également pendant la descente vers la surface martienne et au moment de l'impact. Lorsque les pénétrateurs fonceront en aveugle vers le sol rouillé de la planète rouge, un capteur (accéléromètre de descente) va mesurer en continu la décélération pendant la traversée de l'atmosphère martienne. Cette information permettra de construire des profils verticaux de densité, de pression et de température pour l'atmosphère. De la même manière, lors du choc avec la surface, des accéléromètres vont enregistrer la brusque décélération subie par la sonde. Des données très précieuses, qui serviront ensuite à estimer la dureté du sol, la présence d'une éventuelle stratification sur une profondeur d'une dizaine de centimètres ou plus simplement la profondeur à laquelle s'est enfoncée la section inférieure du pénétrateur. Les informations recueillies seront comparées avec celle obtenues par le bras robotique du Mars Polar Lander.

Résultats de la mission

Les deux petits pénétrateurs de la mission Deep Space 2 ont disparu en même temps que Mars Polar Lander le 3 décembre 1999. Un chapitre complet consacré à cette terrible perte sera mis en ligne dans quelques semaines.

Pour en savoir plus :

Go ! Liste de liens concernant Deep Space 2 (page de bibliographie).

Les deux sondes Deep Space 2 sont fixés sur l'étage de croisière de Mars Polar Lander. Le pénétrateur de droite est déjà recouvert de sa cagoule noire qui doit le protéger contre les rigueurs du milieu interplanétaire (Crédit photo : NASA/JPL).

Ejection des pénétrateurs

Le largage des deux pénétrateurs a lieu 10 minutes avant l'atterrissage du Mars Polar Lander et 18 secondes après la séparation de l'étage de croisière. Juste après le largage des pénétrateurs, l'ordinateur de bord se réveille, l'énergie étant fournie par des batteries au lithium. Une vérification des principaux systèmes est effectuée. 4 minutes après, chaque pénétrateur rentre dans l'atmosphère martienne. Les deux sondes vont s'écraser sur la surface martienne 50 à 85 secondes avant l'atterrissage de Mars Polar Lander qui aura lieu à 100 km de là (Crédit photo : NASA/JPL).

Bouclier thermique et bouclier arrière

Le bouclier thermique (en blanc à droite) et le bouclier arrière (en noir à gauche) avant assemblage (Crédit photo : NASA/JPL).

Un pénétrateur

L'un des pénétrateurs Deep Space 2. On reconnaît la partie supérieure avec son antenne plumet, la partie inférieure destinée à s'enfoncer dans le sol martien et l'ombilic flexible d'interconnexion (Crédit photo : NASA/JPL).

Installation du pénétrateur dans le bouclier thermique

Le pénétrateur va être placé au fond du bouclier thermique, de manière à ce que le centre de masse soit plus bas que le centre de gravité. Ainsi, avant la rentrée atmosphérique, on est sur que la petite sonde va s'orienter d'elle-même dans la bonne direction, un peu comme un volant de badminton (Crédit photo : NASA/JPL).

Le pénétrateur une fois assemblé

Une fois le bouclier arrière accolé au bouclier thermique, le pénétrateur à la taille d'un ballon de basket (Crédit photo : NASA/JPL).

Entrée atmosphérique

Pour la phase d'entrée atmosphérique et l'atterrissage, les deux pénétrateurs ne sont équipés ni de parachutes ni d'airbags, mais seulement d'un bouclier thermique conique. Ce dernier n'est d'ailleurs pas éjecté pendant la descente. Au moment ou le pénétrateur rentrera en contact avec le sol martien, il sera proprement pulvérisé. Les pénétrateurs sont capables de s'orienter passivement dans la bonne direction avant la rentrée atmosphérique, et ils n'ont pas besoin d'être stabilisé par rotation, pas plus qu'ils ne nécessitent un système de guidage actif. Avec une entrée atmosphérique passive et une phase d'atterrissage qui se déroule en une seule étape, la mission est à la fois simple et robuste (Crédit photo : NASA/JPL).

Principe de fonctionnement du pénétrateur

Principe de fonctionnement du pénétrateur. La section inférieure, encastré à l'origine dans la section supérieure, se sépare au moment de l'impact avec la surface martienne pour s'enfoncer dans le sous-sol à une profondeur variant entre 0,3 à 1 mètre (Crédit photo : NASA/JPL).

Après l'impact ...

La partie supérieure du pénétrateur rester à la surface de Mars. On y trouve les batteries, un capteur de pression, un capteur solaire, l'antenne de transmission avec son plumet terminal ainsi qu'un accéléromètre de descente. La partie inférieure, qui s'est enfouie dans le sous-sol, comporte trois accéléromètres d'impact (un pour chaque axe), les systèmes électroniques, le dispositif de prélèvement, le système permettant la détection de l'eau et deux capteurs de température. Les deux parties de la sonde sont reliées par un câble flexible (Crédit photo : NASA/JPL).

 

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