Moteurs de controle d'attitude (Crédit photo : droits réservés) Système de Contrôle d'Attitude et d'Orbite (SCAO)

Au cours du voyage Terre - Mars (la phase de croisière), une sonde martienne doit impérativement suivre une trajectoire bien précise. Le moindre écart par rapport à la trajectoire idéale, et l'engin risque de manquer sa cible. Une fois la sonde arrivée à bon port, il faut également s'assurer que le satellite se maintienne sur la bonne orbite. Enfin, quelle que soit sa situation (en croisière ou en orbite), la sonde doit conserver une orientation (que l'on appelle attitude) compatible avec son bon fonctionnement (orientation des antennes, des panneaux solaires, des instruments scientifiques).

Toutes ces vérifications sont du ressort du système de contrôle d'attitude et d'orbite. Ce dernier ne peut pas se permettre de se tourner les pouces, car une multitude de facteurs peuvent entraîner une dérive de la trajectoire, de l'orbite ou de l'orientation du satellite : attraction faible mais non négligeable du soleil et des lunes martiennes, impact d'une micrométéorite, vent solaire, frottements de l'atmosphère et irrégularité du champ de gravité martien pour les orbites basses.

Pour lutter contre ces dérives inévitables, il est nécessaire de traquer le satellite grâce à des stations de poursuite terrestres de manière à vérifier en permanence sa trajectoire (pendant la phase de croisière) ou son orbite exacte (après la mise en orbite). Si un écart trop important est constaté, des instructions sont envoyées pour forcer la sonde à corriger sa position. Une mauvaise estimation de la position de la sonde peut facilement aboutir à sa destruction (comme l'a prouvé le tragique destin de Mars Climate Orbiter).

La sonde dispose également d'une série d'équipements pour contrôler elle-même son orientation et sa position. Le premier n'est autre qu'une centrale de navigation inertielle, composée d'accéléromètres et de gyroscopes. Des petites caméras spécialisées, sorte de sextants modernes, permettent également à la sonde de se repérer dans le ciel, avec un précision supérieure à celle d'une centrale de navigation inertielle. Les sondes comportent plusieurs capteurs solaires (chargés de localiser le soleil) ainsi que des capteurs stellaires capables de reconnaître des étoiles (comme Canopus) ou des groupements d'étoiles caractéristiques. La Terre peut aussi être utilisée comme phare céleste.

Stabilisation

Une première technique pour stabiliser l'orientation d'une sonde consiste à la faire tourner sur elle-même (la rotation est en général initiée par le dernier étage du lanceur, avant que la sonde ne soit larguée). Une sonde de ce type est une sonde "spinnée". Une autre technique consiste à actionner des petits moteurs de contrôle d'attitude qui crachent des jets de gaz (azote) dans les trois directions de l'espace. Une sonde de ce type est appelée 3 axes, car elle est stabilisée dans les trois axes de l'espace.

Les réservoirs qui alimentent les moteurs de contrôle d'attitude ne sont pas sans fond, et un fonctionnement excessif des moteurs peut fortement diminuer la durée de vie d'une sonde. Lorsque les réservoirs sont vides, la sonde devient incontrôlable et donc inutilisable (c'est de cette manière que la sonde Mariner 9 a terminé sa brillante carrière).

Roues à inertie

Pour économiser les réserves de gaz, ou pour effectuer des corrections très fines, la sonde est également équipée de roues à inerties (que l'on appelle également roues à réactions), une pour chaque axe de l'espace. Ce dispositif a pour but d'appliquer un couple au satellite, c'est à dire une force tendant à mettre un solide en rotation. Ainsi, si l'ordinateur de bord constate une dérive due par exemple à l'action du vent solaire, il peut accélérer légèrement l'une des roues pour contrebalancer cette dérive. L'efficacité des roues est cependant limitée par leur vitesse, qui ne peut dépasser une certaine valeur. Lorsque cette vitesse maximale est atteinte, la sonde ne peut plus corriger son orientation en jouant sur l'accélération de la roue en question. L'ordinateur de bord engage alors une opération de désaturation : la roue est arrêtée, tandis que l'attitude de la sonde est maintenue grâce à l'allumage des moteurs de contrôle d'attitude (effectivement, si rien n'est fait, l'arrêt de la roue va modifier l'orientation de la sonde !). Une fois la désaturation terminée, la roue est à nouveau disponible pour des changements d'orientation ...

Les manœuvres de correction de trajectoire (TCM)

Au cours du voyage Terre - Mars, une sonde martienne ajuste en général sa trajectoire juste après le départ, puis à mi-parcours. Juste avant d'arriver sur son objectif, une dernière série de corrections est aussi traditionnellement effectuée. Ces manœuvres de correction de trajectoire (TCM) impliquent des différences de vitesse (delta V) de quelques m/s seulement, et nécessitent l'allumage des moteurs de contrôle d'attitude.

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