Mars Pathfinder

Dans les années 1990, les agences spatiales, et en particulier la NASA, n'étaient pas encore obnubilées par la recherche d'une vie, passée ou actuelle, sur la planète Mars. Pour les scientifiques, le saint graal était de déployer sur Mars un réseau de petites stations pour réaliser des mesures géophysiques et météorologiques.

Le réseau envisagé par la NASA s'appelait MESUR (Mars Environmental Survey) et la sonde Pathfinder, qui appartenait au programme Discovery, constituait le prototype des stations qui devaient être déployées. Pathfinder était d'abord et avant tout une mission technologique, les objectifs scientifiques passant au second plan. Composé d'une station au sol et d'un robot mobile, Pathfinder devait prouver que l'exploration martienne pouvait être parfaitement conduite par des sondes économiques et assemblées dans des temps records (le fameux better, faster, cheaper cher à l'administrateur de la NASA d'alors, Daniel Goldin).

L'une des principales innovations de Pathfinder, par rapport à ses deux illustres prédécesseurs, les sondes Viking 1 et Viking 2, tient dans l'utilisation de coussins gonflables pour la phase finale de l'atterrissage. Si l'emploi d'airbags était une grande première pour la NASA, ces derniers avaient cependant déjà été utilisés avec succès par les soviétiques pour des missions à destination de la planète Vénus et de la Lune. Les sondes soviétiques se présentaient cependant sous la forme d'une sphère qui s'ouvrait comme une fleur. Par définition, les pétales avaient une forme courbe, qui n'était pas idéale pour supporter des instruments scientifiques ou des panneaux solaires. C'est pourquoi l'agence spatiale américaine a opté pour des panneaux mobiles triangulaires plus adaptés, qui confèrent à la sonde un aspect des plus géométriques.

La sonde

Pathfinder (station Carl Sagan)

Au moment de son lancement, Pathfinder pesait 895 kilogrammes. Fermée, la sonde possédait l'aspect d'une pyramide tronquée à trois côtés. Chaque panneau (d'une largeur de 1 mètre) formant cette pyramide était relié à la base par une articulation dotée d'un moteur lent mais très puissant. Lors du déploiement, la station s'ouvrait comme une fleur. L'ensemble mesurait alors 2,75 mètres d'envergure pour une hauteur de 1,5 mètres. Si l'atterrisseur ne s'était pas posé sur sa base, mais sur l'un de ses panneaux latéraux, les moteurs auraient été capables de le redresser. Ceux-ci pouvaient également compenser dans une certaine mesure les accidents du terrain, de manière à offrir à Sojourner une plateforme stable permettant sa descente vers Mars en tout sécurité.

Les panneaux étaient revêtus de cellules solaires (2,8 m2 au total) qui assuraient l'alimentation électrique de la station. Une batterie rechargeable argent-zinc alimentait la sonde pendant les opérations de nuit. Pour les communications, la station possédait une antenne à grand gain de 30 cm de diamètre (débit de 2250 bits par seconde), ainsi qu'une antenne à faible gain. La plate-forme centrale abritait l'électronique, dont un ordinateur 32 bits RAD 6000. L'ensemble des systèmes électroniques était protégé du froid en étant maintenu entre 0° et 20°C. L'atterrisseur servait non seulement de relais entre la Terre et le petit robot Sojourner, mais supportait également plusieurs instruments scientifiques.

Après son arrivée sur Mars, la station au sol de Pathfinder a été officiellement baptisée Station Carl Sagan, en hommage au célèbre astronome américain, disparu le 20 décembre 1996, peu après le lancement de la mission.

Sojourner

Premier robot à gambader à la surface de Mars, Sojourner pesait seulement 10,6 kg. Ce micro-rover avait grossièrement la forme d'un four à micro-ondes, et mesurait 65 cm de longueur, pour une largueur de 48 cm et une hauteur de 30 cm. Recroquevillé sur l'un des panneaux de son vaisseau mère, Pathfinder, Sojourner pouvait utiliser l'une des deux rampes d'accès semi rigides montées sur le pétale qui lui servait de support pour rejoindre la surface martienne. La durée totale du déploiement, depuis l'engagement sur la rampe de descente jusqu'au premier tour de roue au sol, prenait environ 15 minutes.

Sojourner était alimenté en énergie par un petit panneau solaire d'une surface totale de 0,25 m2. Il fonctionnait avec une puissance de seulement 16 Watts (puissance consommée par une lampe de four, à comparer aux 500 Watts nécessaires au fonctionnement d'un ordinateur de bureau !). Pour les opérations nocturnes, le rover basculait sur une batterie au lithium non rechargeable. Sojourner était protégé du froid intense qui règne à la surface de Mars par de l'aérogel, une matière très particulière, constituée de 99,9 % d'air emprisonné dans une matrice poreuse de silicone. La grande quantité d'air piégée dans l'aérogel le rend presque invisible : un bloc d'aérogel ressemble à de la fumée de cigarette qui aurait été figée dans l'air. En complément de cette isolation, Sojourner était également équipé de trois radiateurs cylindriques de la taille d'une pile, et contenant chacun 2,6 gramme de plutonium 238, qui par sa désintégration fournissait de la chaleur.

Au niveau mobilité, Sojourner possédait 6 roues motrices de 13 centimètres de diamètre, ce qui lui permettait de franchir allègrement des obstacles d'une hauteur de 20 cm au maximum, tout en lui conférant également une certaine puissance. Les six roues étaient montées sur une suspension de type bogie. Outre leur fonction motrice, les roues permettaient d'étudier les propriétés mécaniques, grâce aux traces qu'elles laissaient sur le sol martien. En bloquant cinq roues et en laissant tourner la dernière librement, Sojourner pouvait aussi égratigner la surface et révéler le terrain sous jacent. Il pouvait arriver au même résultat en tournant sur lui-même au rythme de 7° par seconde.

Grâce à sa suspension rocker-bogie, Sojourner pouvait rester stable sur des pentes présentant une inclinaison de 45° (en réalité, par mesure de sécurité, les ingénieurs l'avaient programmé pour faire marche arrière dès que la pente dépassait 26°). Au sol, la vitesse maximale de Sojourner était de 24 m/h, et il pouvait théoriquement s'éloigner à 500 mètres de sa station. En réalité, au cours de la mission, la vitesse moyenne de Sojourner n'a été que de 1 centimètre par jour, ce qui représente un déplacement somme toute très lent.

Le rover était équipé de plusieurs senseurs pour étudier le terrain se trouvant devant lui. Deux caméras frontales noir & blanc, ainsi qu'une caméra couleur située à l'arrière lui fournissaient des vues directes du sol. Un ensemble de cinq faisceaux lasers lui permettait également d'évaluer les obstacles éventuellement présents juste devant lui, grâce au temps mis par les rayons pour frapper le sol et revenir. Lorsqu'un laser ricochait contre un rocher, le faisceau revenait plus vite vers Sojourner que lorsque ce dernier frappait une surface plate. Au contraire, le temps nécessaire à un aller retour s'allongeait lorsque le laser atteignait un trou, la distance à parcourir étant alors plus importante que dans le cas d'une surface plate idéale.

Le rover possédait deux modes de déplacement. Il pouvait recevoir des ordres d'un navigateur, qui déterminait dans un premier temps la route à suivre grâce à un système d'imagerie en 3D, avant d'envoyer chaque jour ses instructions à Pathfinder, qui retransmettait alors les ordres au petit robot (ce dernier disposant d'une antenne UHF). Sojourner possédait également une capacité d'autonomie limitée. En activant ses lasers, qui dessinaient devant lui des raies de lumière, l'ordinateur de bord pouvait connaître la distance et la position des différents obstacles, et déterminer de lui-même la meilleure trajectoire à suivre pour les contourner. Si au bout de trois tentatives, le rover ne parvenait pas à éviter un obstacle, il stoppait ses tentatives et appelait la Terre à la rescousse.

La conception de Sojourner a demandé 4 années de travail aux ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory (JPL). Pour simplifier le développement, plusieurs composants ont été achetés dans le commerce. Ainsi, le modem qui équipait Sojourner était fourni par la société Motorola, et les moteurs des roues n'étaient autre que des moteurs de moulinet de canne à pêche fabriqués par la société suisse Maxon !

Le nom du petit rover a été choisi suite à un concours organisé par la NASA. La gagnante, une jeune fille de 12 ans prénommée Valérie Ambroise, avait proposé de baptiser le robot en l'honneur de Sojourner Truth, militante antiesclavagiste qui a fait beaucoup pour le droit des femmes.

Le site d'atterrissage : Ares Vallis

Après deux ans et demi d'intenses recherches, et après avoir examiné des dizaines de candidats, la NASA a choisi de faire atterrir Pathfinder dans la région d'Ares Vallis, une gigantesque vallée de débâcle située à l'est des volcans géants du dôme de Tharsis, à 850 km du site d'atterrissage de Viking 1 dans Chryse Planitia. L'ellipse d'incertitude mesurait 200 kilomètres de longueur pour 100 kilomètres de largeur. Le site d'atterrissage est situé précisément à 19,33° de latitude nord et 33,55° de longitude ouest.

La mission

Lancement

Pathfinder et Sojourner ont décollé ensemble vers Mars le 4 décembre 1996 depuis le centre spatial de Cap Canaveral en Floride, sous la coiffe d'une fusée Delta II 7925. Le lancement avait été reporté à deux reprises, la première fois pour cause de mauvais temps, la seconde à cause d'une panne informatique, qui a stoppé net le compte à rebours 4 minutes avant l'allumage des moteurs.

Peu après la séparation de la sonde et du dernier étage du lanceur, les ingénieurs furent confrontés à un problème sérieux, qui devint de plus en plus critique à mesure que les heures passaient. Le capteur solaire, un petit instrument qui permet à la sonde de naviguer au soleil, ne transmettait effectivement aucune donnée. De la taille d'un pavé de hockey, ce capteur comportait une grille disposée au-dessus d'un ensemble de cellules solaires. Suivant l'éclairage, certaines cellules sont plongées dans l'ombre, tandis que d'autres sont vivement illuminées, ce qui permet de calculer la position du soleil dans le ciel. En analysant le problème, les ingénieurs découvrent bientôt que le capteur fonctionne, mais qu'un dépôt de suie, provenant vraisemblablement de l'explosion d'un boulon pyrotechnique, diminue la quantité de lumière reçue par le capteur bien en dessous du seuil à partir duquel le capteur réagit. La solution est toute trouvée : il suffit d'abaisser le seuil de sensibilité pour que le capteur se remette à fonctionner ...

Le jeux de commande nécessaire à l'opération est vite assemblé, mais au moment de l'envoyer vers la sonde, les ingénieurs se trouvent confrontés à un problème encore plus étrange que le précédent : Pathfinder refuse certains fichiers, et seuls les plus petits sont acceptés (du moins dans un premier temps car la sonde finira par les rejeter eux aussi !). Simultanément, chaque 5 minutes, les ingénieurs notent une diminution du signal radio en provenance de la sonde. Alors que la perplexité commence à se muer en panique chez les ingénieurs, la situation continue de s'aggraver : Pathfinder rejette désormais catégoriquement toutes les commandes émises depuis le sol ...

Les équipes techniques au sol gardent cependant la tête froide, et refusent de considérer que Pathfinder, qui vient à peine d'être lancé, puisse être déjà une épave irrécupérable à la dérive. En analysant les données plus finement, les ingénieurs découvrent que la connexion avec la sonde n'est pas coupée toutes les 5 minutes, mais toutes les 5 secondes. Or, pour se stabiliser dans l'espace, Pathfinder tourne sur elle-même à raison de 12 tours par minute ! Apparemment, à chaque rotation, l'antenne perd à un moment donné la Terre de vue, ce qui provoque une rupture du flux de données (les tests n'avaient pourtant montré aucun problème d'obstruction, et aucun objet ne semblait être capable de boucher la vue de l'antenne). Cette perte de connectivité à répétition explique parfaitement le refus des fichiers : seuls les plus petits, qui peuvent être transmis en moins de 5 secondes, parviennent à la sonde ! Les fichiers qui avaient été acceptés par la sonde peu après l'apparition du problème avaient simplement été envoyés par chance dans la fenêtre de 5 secondes ...

Les ingénieurs comprennent alors toute la perversité du problème : pour modifier l'orientation de la sonde et rendre à l'antenne son champ de vision, ils ont besoin du capteur solaire. Or ce dernier ne peut pas redevenir fonctionnel avant que les communications ne soient rétablies ! Cet incident est un excellent exemple d'un dysfonctionnement multiple fatal : pris séparément, chacun des problèmes peut facilement être corrigé, mais mis ensemble, ils peuvent ruiner une mission !

Heureusement, Pathfinder pu être récupéré. En diminuant le débit de 250 bps à 7,8 bps, les ingénieurs réussirent à faire accepter à la sonde les fichiers permettant de modifier le seuil de sensibilité du capteur solaire (le débit était suffisamment faible pour que les algorithmes de correction d'erreur puissent récupérer les fichiers éventuellement tronqués). Une fois ce dernier redevenu fonctionnel, l'orientation de la sonde dans l'espace pu être modifiée, ce qui mis fin aux ruptures de communication ...

Phase de croisière

Si ce problème avait échaudé les esprits, le reste de la croisière entre Mars et la Terre fut relativement calme. Après 7 mois dans l'espace, et bien qu'étant partie avec un mois de retard sur son compagnon, la sonde Mars Global Surveyor, Pathfinder est arrivé la première sur Mars. Au total, 4 manoeuvres de correction de trajectoire ont été effectuées pour affiner la trajectoire de la sonde en vue de son atterrissage sur Ares Vallis.

Le 4 juillet 1997 à 19h07 heure française, la sonde (qui ne pesait alors plus que 260 kg, système d'atterrissage non compris) s'est posée sur Mars, 20 ans après les atterrisseurs Viking. Contrairement à ces derniers, l'atterrissage n'a pas nécessité une mise en orbite autour de la planète, Pathfinder ayant effectuée une rentrée directe dans l'atmosphère martienne. Voyons en détail le déroulement de la séquence d'atterrissage ...

L'atterrissage

La séquence d'atterrissage de Pathfinder a débuté à 8500 kilomètres d'altitude, 35 minutes avant l'impact avec la surface rouillée de Mars, par l'éjection de l'étage de croisière, désormais inutile. En tout et pour tout, depuis l'entrée dans les hautes couches de l'atmosphère jusqu'au contact avec le sol, elle n'a duré que 4 petites minutes et demie. Durant cette séquence, 41 boulons pyrotechniques - placés exclusivement sous le contrôle de l'ordinateur de bord - ont du être mis à feu avec une grande précision, sans quoi l'atterrissage aurait immanquablement échoué ...

Pathfinder avait été conçue pour garder le contact radio avec la Terre pendant la phase d'atterrissage. Les conditions particulières auxquelles la sonde était soumise pendant l'atterrissage empêchaient cependant tout transfert digne de ce nom, et les signaux radios étaient réduits à leur plus simple expression. Pathfinder devait effectivement se contenter de transmettre une porteuse qui ne contenait aucune information en soi. Seul la fréquence et l'amplitude de cette porteuse renseignaient les ingénieurs sur le bon déroulement de la séquence d'atterrissage.

Grâce à l'effet Doppler, les ingénieurs pouvaient suivre les différentes décélérations provoquées par la friction de l'air sur le bouclier thermique, l'ouverture du parachute ou encore l'allumage des rétrofusées. Les ingénieurs s'attendaient également à ce que l'amplitude (la force) du signal varie au cours de la séparation de l'étage de croisière, l'éjection du parachute, l'impact avec le sol, la rétraction des airbags et l'ouverture des pétales. Plus important encore, Pathfinder pouvait signaler la bonne exécution d'étapes clés en changeant volontairement la fréquence de sa porteuse. Ces petits signaux, appelés sémaphores, constituaient une source d'information précieuse pour les ingénieurs. Ils n'étaient cependant pas sensés être décryptés en temps réel, mais plutôt lors d'analyses ultérieures conduites après l'atterrissage. Au moment de l'atterrissage, un signal radio mettait dix minutes et 40 secondes pour parcourir la distance Terre - Mars, qui était alors de 233 millions de kilomètres. La séquence d'entrée, de descente et d'atterrissage ne durant que 6 minutes, tout était donc déjà terminé sur Mars lorsque le centre de contrôle a reçu le premier signal confirmant la séparation de l'étage de croisière !

Débarrassée de son encombrant vaisseau porteur, Pathfinder se dirige désormais vers sa cible à la vitesse de 26 460 km/h. Comme nous l'avons vu, contrairement aux atterrisseurs Viking, qui avaient été largués depuis l'orbite martienne vers la surface, Pathfinder arrive sur une trajectoire balistique directe, ce qui explique que sa vitesse d'entrée soit 80 % plus élevée que celle des atterrisseurs Viking. Pour la petite sonde, Mars apparaît comme un fin croissant rouge. Seule la partie droite du globe martien est illuminée par les rayons du soleil, et Pathfinder fonce à tombeau ouvert vers la partie plongée dans l'obscurité. Ares Vallis, son site d'atterrissage, était effectivement plongé dans la nuit : il est presque 3 heures du matin sur Mars.

A 130 kilomètres d'altitude, la capsule de descente pénètre violemment dans les hautes couches de l'atmosphère martienne, avec un angle de 14,2°. Les forces de friction sont considérables, mais la sonde est protégée d'un échauffement excessif par un bouclier thermique de 2,65 mètres de diamètre, hérité des sondes Viking. Grâce à ce dernier, la vitesse de Pathfinder va rapidement descendre à 1440 km/h. Cette valeur est cependant encore bien trop élevée pour un atterrissage. Deux à trois minutes après la rencontre avec l'atmosphère martienne, et alors que la surface n'est plus qu'à 9,4 km, un parachute de 11,5 mètres de diamètre est éjecté par mortier pour compléter le freinage amorcé par le bouclier thermique. La vitesse de Pathfinder est tombée à 234 km/h. Vingt secondes plus tard, le bouclier thermique, désormais inutile, est éjecté.

20 secondes s'écoulent à nouveau avant que la sonde Pathfinder ne soit descendue au bout d'un filin de kevlar de 30 mètres de long, dont l'extrémité est fixée au bouclier arrière qui supporte le parachute. La distance au sol est tombée à 6,6 kilomètres. Un radar altimétrique, dont l'objectif est de détecter la surface martienne pour pouvoir commander l'allumage des rétrofusées RAD lorsque l'altitude sera suffisamment basse, s'active et commence à émettre des pulses d'ondes radio vers le sol. A ce moment là, 1500 mètres seulement séparent encore Pathfinder de la surface martienne.

8 secondes avant l'arrivée sur Mars, alors que la distance avec la surface n'est plus que de 300 mètres, une grappe de 24 ballons protecteurs se gonflent soudain tout autour de la sonde, grâce à des générateurs de gaz qui brûlent un composé similaire à celui que l'on trouve dans les accélérateurs à poudre des fusées. En tout et pour tout, le gonflement des airbags prend moins d'une seconde.

Composés de quatre grappes de six ballons qui forment une immense framboise d'un diamètre de 5 mètres, ces airbags vont avoir la lourde tâche d'amortir l'impact de Pathfinder avec le sol martien. Leur développement a été particulièrement difficile. Les premières versions, qui ne comportaient qu'une seule couche de tissu, se déchiraient à chaque essai. Les ingénieurs ont du coudre quatre couches de tissu ensemble avant d'atteindre une résistance suffisante. Alors qu'ils ne devaient peser que 15 kg au départ, les airbags finirent par atteindre le poids respectable de 85 kg, soit un quart de la masse totale de l'atterrisseur (360 kg) !

A 50 mètres au-dessus du sol, et seulement 2 secondes après le déploiement du cocon d'airbags, les trois rétrofusées à poudre RAD rivetées sur le bouclier arrière s'allument, et stoppe instantanément la sonde en plein ciel. Presque simultanément, la bride de kevlar qui reliait l'atterrisseur au bouclier arrière est sectionnée, et Pathfinder parcourt les 20 derniers mètres qui la séparent de la surface martienne en chute libre, à la vitesse de 90 km/h. Juste au-dessus, le bouclier arrière remonte vers le parachute sous l'impulsion des rétrofusées, qui continuent à fonctionner (elles cracheront des gaz brûlants pendant une durée totale de 2,2 secondes) : l'objectif est d'entraîner le bouclier arrière et son parachute le plus loin possible de la zone d'impact, pour éviter qu'ils ne retombent par malchance sur l'atterrisseur.

Dans la salle de contrôle, où les ingénieurs suivent le déroulement des opérations avec un retard de plus de 10 minutes, l'ambiance est tendue. Rompant un silence oppressant, l'ingénieur de vol annonce avec une voie vibrante d'excitation les étapes clés de la séquence : parachute déployé ... bouclier thermique éjecté, ... les rétrofusées se sont allumées !

Le silence retombe sur la salle de contrôle comme une chape de plomb. Les personnes présentes n'ont pas besoin de regarder leur montre pour savoir que l'atterrissage doit être maintenant terminé, et que Pathfinder doit émettre d'un instant à l'autre un signal, s'il est arrivé sain et sauf à la surface de Mars. "Nous avons un signal !" hurle soudain l'ingénieur responsable de la séquence d'atterrissage. Son cri traverse la salle comme un raz de marée, et déclenche sur son sillage un tonnerre d'applaudissements et de cris de joie. Scientifiques et ingénieurs se serrent l'un contre l'autre, se congratulent, tandis que le chef de projet de la mission Pathfinder, le visage inondé de larmes, lance ses bras au ciel dans un geste de triomphe.

Sur Mars, le premier contact avec le sol a été plutôt rude. Emmitouflé dans sa grappe d'airbags, Pathfinder et le petit robot Sojourner ont rebondit 15 fois comme un vulgaire ballon de plage géant, avant que le calme ne revienne sur Ares Vallis. Au cours du premier rebond, Pathfinder a atteint une hauteur de 20 mètres, ce qui correspond grosso modo à la distance qui le séparait du sol lorsque la bride a été sectionnée.

Les contrôleurs au sol reçurent le signal annonçant l'arrivée de la sonde au sol bien plus tôt que prévu. Ce message était en effet transmis par une antenne minuscule de la taille d'un pouce, montée au sommet de l'atterrisseur. Or ce dernier avait seulement une chance sur quatre d'atterrir à l'endroit. Si la sonde s'était immobilisée sur l'un des trois pétales latéraux, et non pas sur sa base, la séquence d'ouverture des panneaux aurait été ajustée pour que la sonde se retrouve au final à l'endroit. Avant que la sonde ne parvienne à se redresser, les signaux radios émis par la petite antenne, plaquée contre le sol, auraient vraisemblablement été inaudibles depuis la Terre. Se retrouvant par chance dans la bonne position, l'antenne a pu transmettre la joyeuse nouvelle à la Terre, ou les signaux radios ont été réceptionnés par les paraboles de la station d'écoute de l'espace lointain (DSN) de Madrid en Espagne. Dans la salle de contrôle, les contrôleurs ne s'attendaient pas à recevoir un signal de Pathfinder avant deux bonnes heures. Or celui-ci est arrivé en quelques minutes ! Rassérénés, les ingénieurs attendent désormais le prochain bip, qui doit signaler la bonne ouverture des panneaux latéraux, une étape prévue pour durer une heure ou deux ...

Une fois complètement immobilisée, Pathfinder doit effectivement dégonfler ses airbags, puis rétracter l'ensemble en vue de son ouverture. Des petits orifices s'ouvrent sur chaque ballon pour permettre au gaz de remplissage de s'échapper, le dégonflage pouvant cependant avoir commencé à la faveur de déchirures ou de fuites dues aux conditions violentes ayant présidé à l'atterrissage. Les ballons sont ensuite ramenés vers l'atterrisseur grâce à un ingénieux système de câbles en kevlar. Les pétales s'entrouvrent, tandis que les ballons se dégonflent et sont tirés vers l'engin pour aller se loger sous ces dernières. Il faudra 45 minutes aux ballons pour se rétracter complètement, et trois heures pour que la station soit complètement déployée ...

Lorsque Pathfinder informa la Terre de son complet déploiement, une nouvelle salve d'applaudissement se fit entendre dans la salle de contrôle. L'ingénieur de vol en chef, qui avait la responsabilité du système d'entrée, de descente et d'atterrissage, lança joyeusement à l'assemblé : "je suis au chômage !".

Lorsque les premiers rayons du soleil lèchent enfin les terres ocres d'Ares Vallis, la sonde bascule des batteries vers ses panneaux solaires. Pour l'instant, Pathfinder communique avec la Terre par l'intermédiaire de son antenne faible gain. Si celle-ci peut émettre dans toutes les directions, le débit est cependant très faible. Pathfinder dispose également d'une antenne à grand gain capable de transmettre à plus haut débit, mais celle-ci nécessite d'être pointée avec une bonne précision vers la Terre. Pour localiser notre planète dans le ciel, la sonde doit rechercher le soleil grâce à son imageur IMP. Une fois la position du soleil connue, Pathfinder peut en déduire, par un simple calcul, la position de la Terre sur la voûte céleste martienne. Les ingénieurs estimaient que cette recherche entièrement automatique avaient de fortes chances d'échouer, et qu'ils allaient devoir guider eux-mêmes la station. Leur surprise fut donc de taille lorsque Pathfinder leur adressa un bonjour de Mars à travers son antenne grand gain à l'heure prévue. Cela semble trop beau pour être vrai, mais jusqu'à présent, tout s'est déroulé à la perfection ...

Quand les premières images (et quelles images !) parviennent à la Terre, les ingénieurs se rendent cependant vite compte que la masse flasque du tissu d'un airbag bloque dangereusement la route de sortie de Sojourner. Pour résoudre ce problème, ils reproduisent la configuration de l'atterrisseur grâce à un modèle de test resté sur Terre, et estiment que la meilleure façon de dégager le passage est de relever un pétale de 45°, puis d'actionner le moteur relié aux câbles pendant 10 minutes pour attirer l'airbag récalcitrant vers l'atterrisseur, avant de rabattre le pétale dessus. Une fois testé sur Terre, le jeu de commande est envoyé vers Mars, puis exécuté par l'atterrisseur.

Les nouvelles images confirment que la voie est désormais libre pour le rover. Lors de la deuxième journée à la surface de Mars (une journée martienne est appelée sol), les ingénieurs ordonnent alors à Pathfinder de dérouler ses deux rampes, avant et arrière, qui doivent permettre au petit rover de rejoindre la surface de Mars. Malgré le parfait déroulement de cette étape, les ingénieurs sont vite confrontés à un second problème : bien loin de toucher le sol, la rampe avant ressemble à un plongeoir miniature ! Or le rover est programmé pour s'arrêter net dès qu'il détecte du vide devant lui. La rampe arrière n'a heureusement pas ce problème, mais le rover devra l'emprunter en aveugle : ses capteurs de dangers sont effectivement montés sur sa partie avant, et un airbag déborde légèrement sur la rampe arrière, obstacle potentiel à sa descente vers Mars ...

Tandis que les ingénieurs s'engouffrent à nouveau dans la salle ou repose le double de Pathfinder (salle qui a été entièrement décorée pour ressembler le plus possible à la surface de Mars), Sojourner commence à manifester des difficultés pour communiquer avec Pathfinder. Le temps de contact avec Pathfinder touchant presque à sa fin, les opérations devant conduire à la descente de Sojourner sur Mars sont reportées au lendemain ...

Le jour suivant, les ingénieurs découvrent, déconcertés, que Pathfinder a rebooté tel un ordinateur récalcitrant, pour une raison inconnue. Ce redémarrage a cependant eu du bon : les communications entre Pathfinder et Sojourner semblent rétablies. L'ordre est alors donné à Sojourner d'emprunter la rampe arrière, que les ingénieurs ont jugé plus sûre que la rampe avant. Ces derniers font sauter les boulons qui retenaient Sojourner à l'atterrisseur, puis donnent l'ordre de départ à Sojourner : une dizaine de minutes plus tard, le petit rover foule de ses six roues le sol poussiéreux et cuivré de Mars. C'est la première fois dans l'histoire de l'humanité qu'un rover roule à la surface d'une autre planète.

Bilan de la mission

La mission Pathfinder a été un véritable succès, à tout point de vue. Sur une durée de trois mois, la sonde a retourné 2,6 gigabits de données, dont 16 000 images de la surface de Mars prises par la caméra de l'atterrisseur, 550 images acquises par le rover et 8,5 millions de mesures concernant la température, la pression et les vents martiens. Sojourner s'est déplacé sur une distance totale de 100 mètres en 230 manœuvres. Il a réalisé plus de 16 analyses chimiques de roches et de sols, mesuré les propriétés physiques du sol et exploré en tout 250 m2 de la surface martienne. L'atterrisseur Pathfinder a fonctionné trois fois plus longtemps que prévu (30 jours) et le petit robot a multiplié par douze son espérance de vie (7 jours).

Technologiquement parlant, Pathfinder a engrangé plusieurs premières, comme le déploiement d'un rover à la surface d'une autre planète, ou l'atterrissage sur Mars sans passer par une mise en orbite préalable. La mission a servi de banc d'essai à de nombreuses technologies qui sont déjà mises en oeuvre dans les futures missions d'exploration de la planète rouge de la NASA (voir en particulier les deux MER de 2003). Les plus marquantes sont l'utilisation d'airbags lors de la phase finale d'atterrissage, en lieu et place des rétrofusées, ainsi que le développement d'un système d'imagerie 3D servant à planifier les déplacements du rover.

Pathfinder a également démontré avec brio que le programme faster, cheaper, better assigné à la NASA par son nouvel administrateur, Daniel Goldin, était réaliste. Suite à la perte catastrophique de la sonde Mars Observer et à des coupes dans les budgets alloués aux programmes spatiaux, les ingénieurs de la NASA ont du repenser la conception des sondes spatiales. L'unes des principales conséquences fut une réduction du poids des sondes. Dans l'espace, le poids est l'ennemi numéro un. En développant des sondes plus légères, la NASA peut les lancer avec des lanceurs bon marché, ce qui permet en retour de réaliser des économies substantielles. Ainsi, la fusée Delta II 7925 qui a propulsé Pathfinder vers Mars n'a coûté que 61 millions de dollars, en comparaison du coût exorbitant (126 millions de dollars) de la fusée Titan III E Centaur des missions Viking.

Bien entendu, cette réduction du poids impose de sévères contraintes aux ingénieurs, qui ont du se lancer dans une véritable chasse aux kilogrammes superflus. Pathfinder ne pèse que 890 kg, dont 360 kg pour l'atterrisseur lui-même. Les sondes développées dans le cadre du programme faster, cheaper, better se doivent également d'être économiques, et les responsables doivent faire face à des budgets serrés. Ainsi, Pathfinder n'a coûté que 265 millions de dollars, contre 3 milliards de dollars (1997) pour Viking. Le management des différentes équipes fut également chamboulé. Si Pathfinder semblait une preuve éclatante de la pertinence du concept faster, cheaper, better, ce dernier fut cependant sévèrement remis en question après la perte de Mars Climate Orbiter en septembre 1999, puis la disparition trois mois plus tard de Mars Polar Lander au-dessus du pôle sud martien.

Même si Pathfinder était avant tout un démonstrateur technologique, la science n'a pas été oubliée, loin de là. Enfin, du point de vue médiatique, Pathfinder a été un succès sans précédent dans l'histoire de l'exploration spatiale, et la mission a dévoilé la puissance de la NASA en terme de communication. L'atterrissage de la sonde, qui a eu lieu le jour de la fête de l'indépendance américaine, fut suivi par des millions d'internautes à travers le monde. Le lundi 7 juillet, premier jour de travail depuis l'atterrissage, le site officiel de la NASA avait déjà enregistré 47 millions de hits. A la fin du mois de juillet, il avait recueilli plus de 566 millions de hits, faisant de l'atterrissage de Pathfinder l'un des événements les plus suivis de l'histoire de l'Internet. L'agence spatiale américaine avait parfaitement anticipé les événements, en disséminant de nombreux serveurs à travers le monde pour faire face à l'afflux de visiteurs.

L'atterrissage lui-même fut un grand moment, et il est d'ailleurs à l'origine de ce site. Le 4 juillet 1997, les serveurs miroirs de la NASA se sont vite révélés très précieux. S'il était encore relativement facile de suivre les premières étapes de l'atterrissage, les serveurs devenaient de plus en plus surchargés, tandis que la sonde fonçait vers la surface martienne et que les événements se précipitaient. Le changement de serveur était alors fortement conseillé (pour ma part, bien qu'ayant manqué quelques étapes clés dans la chronologie de la séquence d'atterrissage, j'ai malgré tout réussi à assister au largage du bouclier thermique et à l'allumage des rétrofusées).

Grâce à Internet, des millions de personnes de part le monde ont donc pu vibrer en même temps que les ingénieurs du JPL quand la première télémétrie de la surface de Mars est parvenue à la Terre, le 4 juillet 1997 à 19h07. L'aventure ne faisait cependant que commencer et dès le lendemain martin, les internautes pouvaient admirer des paysages martiens qu'aucun homme n'avait encore jamais vu. Un désert de sable, de poussière et de rocs, souligné par la ligne douce de deux collines lointaines, avec au premier plan un petit robot qui attendait avec une patience toute mécanique de se dégourdir les roues à la surface de Mars ... Qui pouvait bien prétendre, après cela, qu'Internet n'était pas formidable ?

Goodbye !

Le 27 septembre 1997, après 83 jours d'opérations, les équipes au sol perdent brutalement le contact avec Pathfinder. Bien qu'ayant déjà largement dépassé sa durée de vie théorique, le choc est rude pour les responsables de la mission. La procédure d'urgence est déclenchée, et le rétablissement des communications avec Pathfinder recoît la priorité maximale. Bien que des opérations critiques soient en cours sur la sonde Galileo, les antennes du DNS (le réseau d'écoute de l'espace lointain de la NASA) reçoivent l'ordre de se détourner de Jupiter pour pointer la planète Mars.

Parmi toutes les hypothèses soulevées pour expliquer la rupture des communications, l'épuisement des batteries est la plus probable. Sans énergie, incapable de résister au climat glacial de Mars, Pathfinder est probablement mort de froid. Pour tenir compte de la possible dérive des fréquences radio avec la chute de la température de la sonde, les antennes du DSN ont scanné une large gamme de fréquence. En vain. Malgré de multiples tentatives, les équipes au sol ne parviennent pas à rétablir le contact. Pathfinder restera définitivement muet.

Sur Mars, Sojourner a du attendre pendant plusieurs jours, peut-être même quelques semaines, des instructions de la Terre. Au bout de 7 jours de silence radio, le petit robot avait ordre de retourner près de l'atterrisseur, et de se mettre à tourner lentement autour de lui, dans l'attente d'un signal (Sojourner devait cependant prendre garde de ne pas s'approcher trop près, pour éviter de percuter l'atterrisseur). Le petit véhicule a du circuler inlassablement autour de son vaisseau porteur, avant d'être bloqué par un caillou. Seul, avec une batterie inopérante (cette dernière ayant cessé de fonctionner lors du 58ème sol) et un panneau solaire recouvert d'un fin manteau de poussière, Sojourner a alors attendu que le froid martien s'insinue dans ses circuits, pour le paralyser à jamais. Le silence plane à nouveau sur la vaste plaine poussiéreuse d'Ares Vallis ...

La mission Pathfinder s'est officiellement terminée le 4 novembre 1998, après une dernière tentative de la part de la NASA pour reprendre contact avec l'atterrisseur grâce à l'antenne de 34 mètres du DSN de Goldstone, en Californie, le 10 mars 1998.

Pour en savoir plus :

Go ! Liste de liens concernant la mission Pathfinder (page de bibliographie).

Lancement de Pathfinder

Pathfinder a décollé de nuit le 4 décembre 1996 à 01:56 (heure locale), sous la coiffe d'une fusée Delta II 7925 (Crédit photo : NASA).

La sonde Pathfinder, avant son arrivée sur Mars. On distingue l'étage de croisière (2,65 mètres de diamètre pour 1,5 mètres de hauteur) qui a alimenté Pathfinder en énergie (2.5 m2 de panneaux solaires) et assuré les transmissions avec la Terre grâce à une antenne à gain moyen pendant les 7 mois du trajet interplanétaire. Equipé d'un système propulsif (2 séries de quatre tuyères et quatre réservoirs d'hydrazine) pour les corrections de trajectoire, il tourne sur lui-même deux fois par minute de manière à se stabiliser (Crédit photo : NASA/JPL).

L'atterrisseur Mars Pathfinder

Schéma technique de l'atterrisseur Mars Pathfinder. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Sojourner

Schéma technique du robot Sojourner. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Cette image de Mars prise par la caméra WFPC2 du télescope spatial Hubble le 27 juin 1997 montre une tempête de poussières (le ruban jaune clair) assez importante qui remplit une grande partie de Valles Marineris et qui déborde sur Xanthe Terra, à 1000 km au sud de la zone d'atterrissage de Pathfinder (la croix verte). Il est difficile de prédire l'évolution d'une tempête de poussières, mais celle-ci n'affectera finalement pas la mission Pathfinder. Au nord ouest de l'image, on note de nombreuses formations nuageuses qui s'étendent jusqu'à Lunae Planun. Le point noir près du terminateur à l'extrême gauche de l'image n'est autre que le volcan Ascraeus Mons (27 km de haut), qui perce le plafond nuageux (Crédit photo : Hubble Space Telescope).

Séquence d'atterrissage de Pathfinder

Description de la séquence d'atterrissage de Pathfinder. Cliquez sur l'image pour l'agrandir (Crédit photo : NASA/JPL).

Vue d'artiste de la phase finale de l'atterrissage

Vue d'artiste de la phase finale de l'atterrissage. La bride qui relie la grappe de coussins au bouclier arrière vint d'être sectionnée, et l'atterrisseur entame sa série de rebonds. La lueur des trois rétrofusées, qui après avoir stoppées net la sonde en plein ciel, éloignent désormais le bouclier arrière et le parachute, illumine le site d'atterrissage. Si le système d'atterrissage de Pathfinder est fiable, il n'est pas exempt de points faibles. Les ingénieurs craignaient en effet que des vents latéraux ne viennent ballotter l'atterrisseur et incliner le bouclier arrière. Lors de l'allumage des rétrofusées, la sonde aurait alors été traînée horizontalement. Plutôt que de rebondir de haut en bas, la grappe d'airbags aurait roulé comme un pneu à la surface de Mars, ce qui aurait pu entraîner le cisaillement des airbags. Si le problème posé par les vents latéraux était déjà connu pour la mission Pathfinder, il deviendra véritablement gênant pour les deux rovers MER (Crédit photo : Pat Rawlings).

MPF accélération

Cette figure montre les données enregistrées par les trois accéléromètres de Pathfinder durant l'atterrissage. L'axe horizontal indique le temps, l'axe vertical l'accélération. On remarque plus particulièrement le déploiement des airbags (1194 s), l'allumage des moteurs (1198 s), la coupure du câble (1200 s) et le premier rebond (1210 s). 15 rebonds peuvent être clairement identifiés avant la fin de l'enregistrement, le premier ayant conduit la sonde à une hauteur de 15 mètres. Les ingénieurs estiment que Pathfinder a rebondi pendant 2 minutes et demi avant de s'arrêter définitivement à 1 kilomètre environ de son point d'impact. La hauteur des pics montre l'ampleur du rebond et le temps entre les pics indique leur durée (Crédit photo : NASA/JPL).

Pathfinder sur Mars !

Pathfinder sur Mars (Sol 1, 4 juillet 1997). Les premières images en provenance de Mars montrent le petit robot Sojourner qui patiente sagement sur l'un des panneaux solaires de la station (Crédit photo : NASA/JPL).

Pathfinder depuis Sojourner

Une vue de la station Carl Sagan prise par Sojourner. La rampe avant est surélevée par un airbag qui n'est pas complètement dégonflé, ce qui a obligé Sojourner à descendre par la rampe arrière (Crédit photo : NASA/JPL).

La descente historique de Sojourner sur le sol martien

Sojourner sur Mars (Sol 2, 5 juillet 1997). Image historique de la descente du petit robot Sojourner. On distingue les traces laissées par les roues sur le sol martien et une portion de la rampe arrière (Crédit photo : NASA/JPL).

Flat top

Une vue de la surface martienne depuis la station Carl Sagan. Les ingénieurs de la NASA n'ont pas attendu longtemps avant de donner des noms à toutes les pierres. Ici, à droite, on peut voir Flat Top (la pierre plate recouverte par de la poussière) et à gauche, Wedge (Crédit photo : NASA/JPL).

Twin peaks

Une vue superbe des Twin Peaks, les pics jumeaux (Crédit photo : NASA/JPL).

Sojourner en cours d'analyse

Sojourner en train d'analyser le sol martien. Remarquez l'APXS complètement déployé (Crédit photo : NASA/JPL).

Sojourner et Yogi

Sojourner en train d'analyser Yogi, avec son APXS appliqué sur le rocher. Cette magnifique vue en couleur a été réalisée par la caméra IMP de la station Carl Sagan (Crédit photo : NASA/JPL).

Sojourner bancal

Sojourner n'hésite pas à prendre des risques pour faire son travail. Ici, il est en train de faire le pitre sur Wedge. On voit particulièrement bien l'APXS (Crédit photo : NASA/JPL).

Vue d'artiste de Sojourner

Sojourner escalade une colline rocailleuse, laissant derrière lui la sonde Pathfinder. Dans la réalité, le petit robot ne s'est jamais éloigné de plus de quelques mètres de Pathfinder. Si le petit rover se déplaçait plus lentement qu'une tordue, il n'avait aucune raison d'avancer à vive allure. Mars est effectivement un territoire tellement nouveau que chaque centimètre peut apporter son lot de découverte (Crédit photo : Manchu).

La récupération de Sojourner

Un astronaute dépoussière avec précaution le panneau solaire du petit robot Sojourner. Le rover et la station Pathfinder seront probablement mis sous cloche et exposés au regard curieux des visiteurs, à moins qu'ils ne soient rapatriés dans un musée terrestre (Crédit photo : Pat Rawlings).

 

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