Statut de Mars Global Surveyor

Résumé des épisodes précédents

Mise en orbite

Mars Global Surveyor est arrivée sur Mars le 12 septembre 1997 et s'est mise à suivre une orbite elliptique (avec une période de révolution très précise de 45 heures) autour de la planète rouge. Le 16 septembre 1997, l'altitude du point de passage le plus bas de l'orbite de MGS a commencé à diminuer, de manière à ce que la sonde passe dans les hautes couches de l'atmosphère martienne. C'était le début de la phase de freinage atmosphérique. L'aérofreinage consiste à utiliser la résistance de l'air pour freiner la sonde et diminuer ainsi sa période de révolution, l'orbite devenant également progressivement circulaire. Après douze passages à travers les hautes couches de l'atmosphère martienne, la période de révolution est passée de 45 heures à 35 heures. Pendant le troisième passage rapproché près de Mars, les instruments de MGS ont eu l'opportunité d'acquérir une quantité significative de nouvelles données scientifiques, concernant l'intérieur, la surface et l'atmosphère de Mars. On sait maintenant que Mars possède un champ magnétique rémanent non négligeable près de sa surface plutôt qu'un champ magnétique global comme la Terre, ou que la région d'Elysium dans l'hémisphère nord est extrêmement plate.

Les problèmes commencent !

Lorsque du lancement de la sonde MGS, l'un des panneaux solaires ne s'était pas complètement déployé ni verrouillé. Il s'était bloqué 20° avant sa position idéale. Apparemment, une petite pièce de métal s'était coincée dans la charnière du panneau solaire. Comme les panneaux solaires offrent la plus grande partie de la surface exposée à l'atmosphère martienne pendant la phase de freinage atmosphérique, les équipes au sol ont essayé de profiter de cette phase pour forcer le panneau à se déployer complètement. Comme la pression de l'air augmente au fur et à mesure que la sonde s'enfonce dans l'atmosphère martienne, le panneau aurait fini par atteindre sa position finale.

Mars Global Survevor

Configuration de Mars Global Surveyor pendant l'aérofreinage. Pendant cette phase, les panneaux solaires sont inclinés de 30° vers l'arrière. Ils subissent alors une résistance non négligeable de la part de l'atmosphère, ce qui réduit la vitesse de la sonde et l'altitude à son apoapse (sur le schéma, la sonde progresse de haut en bas).

 MGS en position normale MGS pendant le freinage atmosphérique MGS pendant la phase de cartographie

Les trois positions de la sonde Mars Global Surveyor. Le dessin de gauche montre la sonde telle qu'elle se présente pendant sa révolution autour de Mars. Au centre, la sonde pendant le freinage atmosphérique (noter la différence de position des panneaux solaires avec l'image). La flèche représente le sens de la progression. A droite, la sonde pendant la phase de cartographie (les instruments visibles sur le coté gauche sont pointés vers la surface de Mars). Ces trois images ont été obtenues à partir de modèles en 3 dimensions de la sonde Mars Global Surveyor (VRML).

Le 1er octobre, lors du passage rapproché de la sonde près de Mars (orbite n°12, l'altitude de la sonde était alors de 110 km au dessus de la surface de la planète), le panneau a bougé de 14 ° vers sa position finale. Mais le 6 octobre (orbite n°15), la densité de l'atmosphère martienne était supérieure à la valeur attendue. Même si la sonde pouvait facilement résister à une telle augmentation de la densité de l'atmosphère, le panneau s'est quand même bloqué à 1° au delà de sa position idéale. Le changement de la densité de l'atmosphère était sans doute du au changement de saison sur Mars, et il ne résultait probablement pas d'une grande tempête de poussières.

Pour réduire la pression subie par les panneaux solaires, l'altitude du périapse (le point le plus bas de l'orbite) est alors passé de 110 km à 121 km, pour permettre aux équipes au sol de comprendre pourquoi le panneau avait dépassé ainsi sa position de blocage. Cependant, lors des deux passages suivants, et bien que la densité de l'atmosphère soit redescendue, le panneau a commencé à bouger de manière inattendue. Il faut noter que ces problèmes n'ont jamais affecté l'alimentation en énergie de la sonde et que le panneau est toujours resté fonctionnel.

Panneau solaire

L'un des panneaux solaire de Mars Global Surveyor. De gauche à droite, on trouve l'articulation du panneau, le panneau interne, le panneau externe et le volet de freinage atmosphérique.

Le 11 octobre, les équipes au sol décident de sortir la sonde de l'atmosphère martienne, car le mouvement du panneau solaire n'est toujours pas expliqué et il se pourrait qu'un mécanisme à durée de vie limitée soit impliqué. D'autre part, il est vital de préserver la sonde et d'éviter un accident, de manière à ce que Mars Global Surveyor continue à collecter des données essentielles sur la planète rouge.

A cause du problème posé par le panneau solaire, la sonde ne peut désormais plus suivre l'orbite de cartographie initialement prévue. MGS devait effectivement passer au dessus de l'équateur martien à 2 heures PM (heure locale de Mars). Plusieurs autres orbites ont été étudiées. Elles devaient permettre à la sonde de recueillir autant de résultats scientifiques que l'orbite originale, tout en étant les plus basses possible, et éventuellement héliosynchrones. Les orbites héliosynchrones sont utilisées pour que les instruments scientifiques de la sonde puissent toujours voir à chaque passage la surface martienne avec les mêmes conditions d'illuminations. Parmi toutes les orbites retenues, la meilleure est circulaire à un autre temps local, tandis que la plus mauvaise est elliptique avec une période de révolution de 16 heures.

Pendant que les équipes au sol essayaient de comprendre et d'expliquer le comportement du panneau solaire (en utilisant les données transmises par la sonde, des modèles théoriques, des simulations sur ordinateur et des tests effectués sur des maquettes), Mars Global Surveyor a utilisé ses instruments pour obtenir des données supplémentaires sur Mars. L'altimètre laser, la caméra ainsi que le spectromètre ont eu de très bonnes occasions pour acquérir des données. Lors du passage au périapse, la sonde est en effet deux fois plus proche de la surface de Mars quelle ne le serait avec l'orbite de cartographie initialement prévue et la résolution des images est donc plus grande. Parmi les informations déjà collectées par la sonde, on trouve des mesures topographiques réalisées par l'altimètre laser dans la région d'Olympus Mons, ainsi que des images en couleurs du gigantesque canyon de Valles Marineris.

Le 7 novembre 1997, après une courte manœuvre propulsive, la sonde Mars Global Surveyor a repris avec succès le freinage atmosphérique à travers les hautes couches de l'atmosphère martienne. Une seconde manœuvre a eu lieu le 9 novembre et une troisième le 11 novembre (celle ci a diminué l'altitude du périapse de 4 km). Ces petits ajustements ont été effectués alors que la sonde était à l'apoapse (le point le plus haut de son orbite autour de Mars). La descente de Mars Global Surveyor dans l'atmosphère martienne est donc devenue beaucoup plus progressive que prévu (la pression subie par la sonde lors de son passage dans l'atmosphère sera égale à 1/3 de la pression initialement prévue, pour ne pas risquer d'endommager encore plus le panneau solaire et de compromettre ainsi la mission de Mars Global Surveyor).

Un an de plus pour le freinage atmosphérique

La nouvelle orbite de cartographie a été déterminée. Elle est exactement l'image dans un miroir de l'orbite initialement prévue. Elle préserve tout les objectifs initiaux de la mission, tout en étant exactement l'inverse de l'orbite initiale. La sonde se déplacera du sud vers le nord, plutôt que du nord vers le sud. Elle survolera des régions ensoleillées qui étaient normalement dans l'ombre dans l'orbite initiale, et vice versa. Elle survolera l'équateur martien à 2 heures AM au lieu de 2 heures PM (heure locale de Mars). Enfin, ce sera alors l'été dans l'hémisphère nord (au lieu de l'été dans l'hémisphère sud).

Le freinage atmosphérique de Mars Global Surveyor va durer par un an supplémentaire. La phase de cartographie commencera seulement en 1999 au lieu de 1998, à cause du freinage plus progressif et d'une période de 6 mois (été 1998), pendant laquelle Mars va s'aligner correctement par rapport au Soleil pour permettre une cartographie globale par la sonde spatiale. MGS atteindra sa position orbitale finale en mi janvier 1999, et la cartographie commencera véritablement en mars 1999 au lieu de mars 1998 comme initialement prévu. Pendant le freinage atmosphérique, la sonde survolera la surface de Mars à une altitude inférieure à celle de l'orbite de cartographie. Ce sera une très bonne opportunité pour acquérir des données scientifiques (résolution élevée et conditions d'illumination excellentes). Tout les instruments de la sonde seront actifs pendant ces passages.

Tempête de poussière

Au début du mois de décembre, une tempête de poussière a pris naissance dans l'hémisphère Sud et a ralenti le freinage atmosphérique de la sonde Mars Global Surveyor. L'altitude de MGS lors de ses passages dans l'atmosphère de Mars était trop haute pour que la sonde rencontre des nuages de poussières, mais la pression de l'air avait quand même fortement augmenté. La sonde a reçu l'ordre d'allumer brièvement son moteur principal de manière à augmenter l'altitude de son passage au dessus de Mars (une seconde manœuvre propulsive a eu lieu par mesure de précaution, de manière à mettre MGS hors de portée d'un nouveau sursaut d'activité de la part de la tempête de poussière). Durant les vacances d'hiver, une atmosphère relativement stable a permis à la sonde Mars Global Surveyor d'avancer plus vite que prévu dans sa phase de freinage atmosphérique autour de la planète rouge.

Le 20 février 1998, la caméra (MOC) et le spectromètre infrarouge (TES) ont été désactivés, car la période de révolution de la sonde autour de Mars ne permettait plus de disposer d'assez de temps pour effectuer à la fois l'envoi des commandes pour l'aérofreinage et la récupération des données des instruments scientifiques. Par contre, les expériences radios n'ont pas été arrêtées (à chaque fois que la sonde passe derrière Mars, les communications radios sont interrompues. Cependant, juste avant de rentrer dans la zone d'occultation, le faisceau radio traverse l'atmosphère de Mars. En analysant les caractéristiques du faisceau à ce moment la, on peut en déduire l'état de l'atmosphère martienne).

Normalement, Mars Global Surveyor passe la majeure partie de son temps avec l'antenne grand gain pointée vers la Terre. Une nouvelle commande de rotation a été insérée dans la liste des tâches que le vaisseau exécute à chaque orbite. Les rotations sont devenues nécessaires pour maintenir la température de l'altimètre laser (MOLA) au dessus de 10°C (l'instrument ne fonctionne plus en dessous de cette valeur). La sonde exécute deux rotations à chaque nouvelle orbite et permet ainsi aux différentes parties de la sonde d'être mieux exposées aux rayons solaires.

Transition aérofreinage / SPO

Fin Mars, MGS a effectué la transition entre la première partie de la phase de freinage atmosphérique et la phase d'acquisition de données (SPO ou Science Phasing Orbit). Cette transition s'est produite lorsque la période de révolution de la sonde est passé très exactement à 11,6 heures. A ce moment, MGS a allumé ses moteurs pendant 6,6 secondes de manière à augmenter l'altitude de son périapse et à sortir ainsi de l'atmosphère de Mars.

Date et Heure Orbite Evénement
23 mars 1998, 23:10 UTC Orbite n° 194 Augmentation de l'altitude au périapse pour diminuer l'intensité de l'aérofreinage de manière à donner plus de temps aux équipes au sol pour la préparation des prochaines manœuvres.
27 mars 1998, 08:57 UTC Orbite n° 201 Manœuvre propulsive (4.43 m/s) pour terminer la phase de freinage atmosphérique et commencer la phase d'acquisition des données. L'altitude du périapse est passée de 125 km à 170,6 km.
27 mars 1998, 19:20 UTC Orbite n° 202 Activation des instruments scientifiques.
28 mars 1998, 02:24 UTC Orbite n° 203 Premier PERISCAN (Periapsis Science Acquisition). Ce sera la première fois ou des données scientifiques seront acquises et le début d'une période d'étude scientifique de six mois (le freinage atmosphérique reprendra le 14 septembre).

La phase SPO

La phase d'acquisition de données (SPO ou Science Phasing Orbit) a duré 5 mois et a permis à la sonde de collecter un grand nombre de données scientifiques. Lors de chaque passage à proximité de Mars (périapse), la caméra et l'altimètre laser ont effectué des relevées. Le magnétomètre, le reflectomètre à électrons et le spectromètre ont fonctionné par contre en permanence.

La phase d'acquisition des données était décomposée en trois périodes :

Lors de la phase d'acquisition de données, Mars est entrée en conjonction avec le soleil (c'est à dire que la planète est passée derrière notre étoile). Pendant cette période qui s'étendait du 30 avril au 26 mai, la sonde a été mise au repos, car les communications radio avec la Terre n'étaient plus possibles. Le Soleil possède une activité électromagnétique très importante et il interfère avec le signal radio de la sonde, jusqu'à l'annuler lorsque Mars (et donc la sonde) sera juste derrière lui. Le schéma montre la position de la Terre et de Mars le 27 avril 1998 à 16:21 UTC. Conjonction

Photographies de la région de Cydonia

Pendant la phase SPO, MGS avait comme objectif de photographier les formations de la région de Cydonia (dont le fameux visage de Mars) ainsi que les sites d'atterrissage des sondes Viking et Pathfinder. Les trois survols de la région de Cydonia ont été effectués avec succès. Le site d'atterrissage de Pathfinder dans Ares Vallis a été photographié une seule fois, les deux autres tentatives ayant échouées. Le lander n'est pas visible, car la région était couverte par une épaisse couverture nuageuse. La résolution de l'image était également trop faible, même si elle est bien supérieure à celles des clichés obtenus par les sondes Viking. On peut quand même apercevoir des reliefs familiers, comme les "Twin Peaks" ou le "Big Crater". Le lander de Viking 1 dans Chryse Planitia n'est pas visible non plus sur les images. Enfin, les conditions hivernales régnant dans l'hémisphère Nord et une épaisse couverture nuageuse n'ont pas permis de photographier le lander de Viking 2. Les clichés obtenus lors des trois passages sont disponibles ici.

Reprise du freinage atmosphérique : un léger retard

La reprise du freinage atmosphérique a eu lieu le 23 septembre 1998 à 11:11 AM PDT, lors de la 573ème orbite. Le moteur s'est allumé pendant 14,8 secondes, envoyant la sonde vers les hautes couches de l'atmosphère martienne. Le freinage atmosphérique devait reprendre le 14 septembre, mais la manœuvre a du être reportée suite à deux problèmes mineurs. Le premier impliquait l'antenne à faible gain (LGA) : le 9 septembre 1998, les équipes au sol ont détecté des irrégularités au niveau des communications radios. Comme l'antenne LGA sert d'antenne de secours dans le cas d'un disfonctionnement de l'antenne grand gain, il était particulièrement important de s'assurer de son bon fonctionnement, et le freinage atmosphérique a donc été légèrement retardé, le temps d'effectuer des tests. Après des résultats corrects, le freinage devait finalement reprendre le 17 septembre 1998 à 13:00 heure française, lors de la 560éme orbite. Mais l'ordinateur de bord de la sonde annule soudain la séquence commandant l'allumage du moteur principal et place la sonde dans un mode d'urgence, après la détection d'une décharge de l'une des batteries. Une erreur s'était glissée dans le logiciel qui permet de construire les séquences de commandes envoyées à la sonde, erreur qui a provoqué un mauvais positionnement de l'un des panneaux solaires. Avec un seul panneau solaire en bonne position, l'alimentation de la sonde en énergie solaire était insuffisante, et celle ci a commencé à puiser dans ses batteries. Une routine a détecté la décharge et placé la sonde dans un mode d'urgence. Global Surveyor est restée dans ce mode le temps que les batteries se rechargent. Le référentiel de la sonde a été réinitialisé grâce au système de visée stellaire, et la sonde a pu pointer son antenne grand gain vers la Terre le 21 septembre. Le 22 septembre, les équipes au sol ont commencé à utiliser l'antenne grand gain comme moyen de communication principal, et la sonde est retourné dans une configuration normale.

Le 22 décembre, l'ordinateur central de secours s'est placé dans un mode d'urgence. Heureusement, c'était l'ordinateur central primaire qui était responsable des opérations à ce moment là. La situation serait devenue critique si l'ordinateur primaire était tombé en panne, entraînant ainsi l'activation de l'ordinateur de secours, qui aurait commandé la sonde dans un mode d'urgence (et non pas dans un mode normal). Le 30 décembre, l'ordinateur central de secours a retrouvé son état initial, et cela sans incident.

La fin du freinage atmosphérique

Le freinage atmosphérique s'est terminée le vendredi 4 février 1999 grâce à une manœuvre propulsive qui a définitivement sorti la sonde des hautes couches de l'atmosphère martienne. L'altitude de l'apoapse (le point de l'orbite le plus éloigné de la surface de Mars) était alors de 450 km. Le moteur principal de la sonde, qui n'avait pas servi depuis septembre dernier, a fonctionné pendant 70 secondes, augmentant ainsi la vitesse de la sonde à l'apoapse de 61,9 m/s. Suite à cette manœuvre, l'altitude du périapse (le point de l'orbite le plus proche de la surface de Mars) est passé de 115 km à 380 km. L'orbite est donc devenue presque circulaire. Depuis le début de la phase de freinage atmosphérique, la vitesse de la sonde a diminué de 1200 m/s et la période de révolution est passée de 45 heures à 2 heures.

La fin du freinage atmosphérique a été précédée d'une phase de transition assez critique, au cours de laquelle quatre manœuvres propulsives ont eu lieu, et qui a débuté lorsque l'altitude de l'apoapse au dessus de la surface martienne n'était plus que de 1000 km. Chacune des manœuvres consistait à augmenter légèrement la vitesse de la sonde (d'environ 1 m/s) à chaque passage à l'apoapse. Lorsque l'on augmente la vitesse d'une sonde à l'apoapse, l'altitude lors de son passage au périapse s'élève, ce qui a pour effet de ralentir ensuite la décroissance de l'altitude de l'apoapse. Après chaque manœuvre, la durée de vie de la sonde était de 48 heures. Si la manœuvre suivante n'était pas exécutée comme prévu, l'altitude à l'apoapse continuait 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 sur 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. Il n'aurait pas fait bon se retrouver dans une situation d'urgence avec des batteries à plat !

Numéro de l'orbite Date de l'exécution de la manœuvre : Delta V à l'apoapse
1214 29 janvier 1999 1,10 m/s
1238 31 janvier 1999 1,00 m/s
1256 2 février 1999 1,00 m/s
1284 4 février 1999 61,9 m/s

Rappelons que le freinage atmosphérique aurait du se terminer un an plus tôt. C'est un dommage structurel au niveau de l'un des panneaux solaires qui a empêché la sonde de respecter son planning initial (pour éviter tout incident, le rythme du freinage atmosphérique a du être considérablement ralenti). Une année de retard, c'est beaucoup, mais l'allongement de la phase de freinage atmosphérique a cependant permis l'obtention d'intéressants résultats scientifiques. La sonde a pu survoler la surface de Mars à seulement 100 km d'altitude (contre 400 km environ pour l'orbite actuelle), une opportunité inattendue pour certains instruments comme le magnétomètre ou la caméra.

Etude du champ gravitationnel

Entre la fin du freinage atmosphérique et le début de la phase de cartographie, de nombreux événements ont eu lieu, en particulier l'étude du champ gravitationnel de Mars pour les régions proches de l'orbite de la sonde. Le champ de gravité n'est pas uniforme à la surface de Mars, car la planète n'est pas parfaitement sphérique. Elle est légèrement renflée à l'équateur et aplatie aux pôles, à cause de son mouvement de rotation. Ces variations du champ gravitationnel de Mars entraînent une déviation très fine de l'orbite au cours du temps. Il est important de connaître l'ampleur de ces variations pour donner des valeurs correctes à certains paramètres orbitaux (angle d'inclinaison et argument du périapse) et figer ainsi l'orbite dans une position héliosynchrone. Une orbite héliosynchrone permettra à la sonde de toujours survoler le même point de la surface martienne (l'équateur par exemple) à la même heure locale. Ainsi, les conditions d'illumination seront toujours identiques. Mars Global Surveyor doit normalement traverser l'équateur martien en montant vers le nord à 2:00 de l'après midi (face éclairée de la planète) et à 2:00 du matin en descendant vers le sud (face cachée).

Après deux semaines d'étude du champ de gravité de la planète Mars, la sonde s'est placée sur son orbite finale de cartographie le 19 février à l'issue d'une manœuvre propulsive. La hauteur du périapse a été abaissée (de 405 km à 379 km), le passage au périapse s'effectuant maintenant sous le pôle sud (argument du périapse : 270 °). Le semi grand axe était légèrement plus grand que la valeur requise (0,4 km) et l'inclinaison inférieure de 0,05° à l'inclinaison optimale. La manœuvre a donc été assez précise, suffisamment en tout cas pour que la première manœuvre d'ajustement (prévue pour le 25 février 1999) soit annulée. Le spectromètre d'émission thermique (TES) et l'altimètre laser (MOLA) ont été activés le 28 février 1999 et la caméra a été calibrée pendant une semaine.

Un nouveau problème pour Mars Global Surveyor ?

La sonde Mars Global Surveyor pourrait bien connaître un nouvel ennui technique avec le dispositif de déploiement de son antenne grand gain. Les ingénieurs ne savent pas en fait si quelque chose risque de clocher, mais il y a quelques mois, ils ont eu connaissance de problèmes concernant des mécanismes similaires montés sur d'autres sondes spatiales.

L'antenne grand gain était repliée pour le lancement et pendant la première partie de la phase orbitale de la mission, de manière à éviter une contamination par les gaz du moteur principal. Mais pour la phase de cartographie, elle doit être déployée. Lors du déploiement, le mat de l'antenne est poussé par un ressort puissant. Un mécanisme spécial doit compenser la force du ressort et limiter la vitesse du déploiement. Or, dans le vide spatial, des bulles d'air ont pu apparaître au niveau du fluide hydraulique du système d'amortissement. Le déploiement s'effectuerait à alors haute vitesse et le mouvement du mat pourrait être très important, avant qu'un amortissement ne survienne. La force subie serait proche de la force maximale supportable par l'antenne, et des dommages sérieux pourraient survenir. Si le mécanisme est effectivement défectueux, et dans le pire des cas, il pourrait empêcher la sonde de communiquer avec la Terre. La situation serait alors catastrophique.

Pendant les trois premières semaines de la phase de cartographie, la sonde va utiliser son antenne dans sa position non déployée pour envoyer à la Terre les images et les données acquises. Cette procédure prudente n'est cependant pas optimale. Elle nécessite dans un premier temps le stockage des informations au niveau des enregistreurs de la sonde. Puis Mars Global Surveyor doit se tourner périodiquement vers la Terre pour émettre les données. On imagine aisément que si cette méthode est appliquée pendant la phase de cartographie, la couverture ne pourra pas être globale. On ne sait pas encore avec certitude comment ce mode de fonctionnement affectera la mission de la sonde. Une estimation pour les 30 premiers jours de la phase de cartographie indique que la sonde pourra renvoyer seulement 40 % des données par rapport à la situation normale, avec une antenne dans sa bonne position. La situation pourrait cependant être améliorée en utilisant des antennes terrestres plus larges, ce qui permettrait à la sonde de transmettre les données plus rapidement. Avec une antenne complètement déployée, le problème ne se pose pas. Dans ce mode de fonctionnement, les instruments scientifiques peuvent acquérir des données tandis qu'en même temps, la sonde transmet des données à la Terre.

Déploiement de l'antenne grand gain

La sonde Mars Global Surveyor va enfin pouvoir travailler sérieusement ! L'antenne grand gain s'est correctement déployée le 28 mars 1999, alors que les ingénieurs s'attendaient au pire. Un problème sérieux et important aurait effectivement pu survenir lors du déploiement. C'est pour cette raison que la sonde a commencé ses trois premières semaines de cartographie avec une antenne en position repliée (du 8 mars 1999 au 28 mars 1999), de manière à assurer un minimum de succès à la mission, avant de se lancer dans une manipulation à haut risque. Pendant cette période, la sonde consacrait par jour 9 orbites sur 12 à l'acquisition de données (ses instruments étaient pointés vers la surface de Mars), alors que les trois orbites restantes servaient pour la transmission des informations recueillies vers la Terre. Ces trois orbites ne pouvaient même pas être utilisées pleinement pour les communications. Effectivement, les équipes au sol ne peuvent recevoir des données que lorsque la sonde est directement visible depuis la Terre, ce qui n'est pas toujours le cas. A chaque orbite, la sonde passe en effet la moitié de son temps derrière la planète rouge, et toute communication est alors impossible.

L'antenne grand gain (HGA), d'un diamètre de 1,5 m, est fixée à l'extrémité d'un mât de 2 m de long. Lors du déploiement, elle a été poussée en avant par un puissant ressort. Le mécanisme d'amortissement suspect a parfaitement joué son rôle en limitant la force et la vitesse du déploiement.  La semaine suivant le déploiement a été consacrée à la vérification de nombreux composants de la sonde, en particulier ceux impliqués dans les communications.

Les étapes du déploiement de l'antenne grand gain (HGA) de Mars Global Surveyor

Déploiement de l'antenne grand gain : phase 1

L'antenne grand gain est fixée à l'extrémité d'un mât de 2 m de long. Celui ci va être poussé en avant par un puissant ressort, pour effectuer une rotation de 175 °

Déploiement de l'antenne grand gain : phase 2

Lorsque le mat aura atteint sa position définitive (flèche rouge), Mars Global Surveyor se redressera (flèche jaune).

Déploiement de l'antenne grand gain : phase 3

La parabole de l'antenne grand gain (1,5 m de diamètre) va maintenant effectuer une rotation pour se placer dans sa position définitive (flèche rouge).

Déploiement de l'antenne grand gain : phase 4

L'antenne grand gain est complètement déployée ! Pendant une semaine, les équipes au sol vont vérifier son bon fonctionnement.

Les données recueillies par les instruments de Mars Global Surveyor seront maintenant stockés en permanence sur les bandes des enregistreurs de bord. Par jour, une plage de 10 heures sera consacrée à l'envoi de ces données vers la Terre, la sonde étant alors suivie par les antennes du Deep Space Network. De plus, chaque trois jours, un second suivi sera mis en place au cours duquel Mars Global Surveyor pourra envoyer des données en live à très haut débit (40 000 à 80 000 bps), sans passer par les enregistreurs.

Avec une antenne grand gain parfaitement fonctionnelle, la sonde va pouvoir envoyer une énorme quantité de données vers la Terre. Comme l'a d'ailleurs indiqué de manière imagée l'un des responsables de la mission, on est passé du débit d'un tuyau d'arrosage au débit d'une lance à incendie ! La sonde n'est plus obligée de partager son temps entre la collecte de données et leur envoi vers la Terre. Elle peut effectuer des observations grâce à ses instruments (qui restent pointés vers la surface de la planète rouge) et transmettre simultanément les informations recueillies à l'aide de son antenne grand gain, qui est elle dirigée en permanence vers la Terre.

Blocage de l'antenne grand gain

Et un problème de plus ! Le 16 avril 1999 dans la soirée, la sonde Mars Global Surveyor s'est placée d'elle même dans un mode d'alerte après que l'une des deux articulations qui permet à l'antenne grand gain de rester en contact avec la Terre se soit brusquement bloquée. L'antenne grand gain est fixée à un mat par l'intermédiaire de deux articulations. L'une s'occupe de déplacer l'antenne en azimut (de gauche à droite), alors que la deuxième fonctionne en élévation (de haut en bas). C'est l'antenne de déplacement en azimut qui est resté bloquée entre sa position de parking et sa position de suivi de la Terre. Avant de commencer une session de communication, l'antenne grand gain est pointée vers notre planète. A la fin de la session, l'antenne retourne dans sa position de parking pour minimiser la force de gravité qui pèse sur elle.

Les pivots ont parfaitement fonctionné depuis le déploiement de l'antenne grand gain le 28 mars 1999, ce qui semble montrer que le problème n'est pas lié à cet évènement. Grâce à son antenne grand gain, Mars Global Surveyor peut effectuer des observations scientifiques et transmettre simultanément les informations recueillies à la Terre. L'antenne reste pointée vers la Terre, et les instruments scientifiques vers la surface de Mars. Les données scientifiques sont enregistrées 24 h sur 24 h sur les enregistreurs de bord et retransmises à la Terre le lendemain pendant une session de communication de 10 heures, au cours de laquelle la sonde est suivie par les antennes du Deep Space Network.

En rentrant dans le mode d'alerte, la sonde a arrêté tous ses instruments scientifiques et a initié une communication radio avec les contrôleurs au sol grâce à son antenne faible gain. Le mode d'alerte est une étape intermédiaire dans le fonctionnement de la sonde, située entre le mode normal et le mode de secours, très critique.

Le 19 avril 1999, la sonde a quitté son mode d'alerte pour retourner en mode normal. Les équipes au sol ont ordonné à la sonde de pivoter sur elle même, histoire que l'antenne grand gain se retrouve pointée dans la direction de la Terre. Après cette manœuvre, l'antenne a servi à transmettre les nombreuses données de télémétries qui doivent aider à comprendre ce qui s'est réellement passé.

Un premier test a d'abord été effectué pour permettre aux ingénieurs de déterminer la cause du blocage : présence de débris métalliques au niveau de l'articulation, obstruction causée par le passage d'un câble, manque de lubrification des parties mobiles. L'antenne a reçu l'ordre de pivoter d'un demi degré vers la gauche et vers la droite. Les ingénieurs se sont alors aperçus que l'antenne pouvait bouger librement dans une direction, mais que le mouvement était impossible dans la direction opposée (l'antenne se bloque brutalement à un angle de 41°). Un second test a ensuite été tenté, avec un pivotement un peu plus important : un degré de chaque côté. Enfin, des mesures de températures de l'articulation ont été collectées. Effectivement, l'obstruction pourrait être due à la présence d'un fragment de la protection thermique (qui protége la sonde contre les variations brutales de température) au niveau des pivots. Les résultats des mesures de température n'ont cependant pas confirmé cette hypothèse, même si les températures étaient un peu plus faibles que prévues. Pendant les tests, l'obstruction a été déplacée de 41,03° à 43,85°, mais elle est considérée comme stationnaire, car la valeur du déplacement reste très faible. Une troisième théorie a récemment été proposée : un verrou légèrement dévissé pourrait être la cause du blocage. Enfin, les tests ont confirmé que l'articulation fonctionne parfaitement en élévation (de haut en bas) et que l'antenne est mobile dans tout l'intervalle permis.

Alors que les ingénieurs continuent à analyser la situation, Global Surveyor a repris son travail. Tous les instruments scientifiques ont été réactivés le 28 avril 1999, et la cartographie a repris avec succès un jour après, pour une durée d'une semaine pendant laquelle l'antenne grand gain sera utilisée en position fixe.

Reprise de la cartographie avec une antenne partiellement mobile

La sonde Mars Global Surveyor a repris la cartographie globale de la planète Mars dans la nuit du mercredi 5 mai 1999. Effectivement, les positions respectives de la Terre et de Mars ont permis à la sonde de retourner dans son mode optimal de cartographie, avec une antenne grand gain partiellement mobile (de 41° à 80°). C'est une véritable chance que le degré de liberté soit suffisant pour continuer à utiliser l'antenne ! Les scientifiques préfèrent poursuivre la cartographie avec une antenne mobile plutôt que fixe, car la quantité de données qui peut être renvoyée vers la Terre est bien plus importante.

Cette situation pourrait se prolonger jusqu'en février 2000, date à laquelle la géométrie entre la Terre et Mars redeviendra défavorable. Les communications seront alors limitées à cause du mouvement restreint de l'antenne grand gain. A ce moment, Global Surveyor devra poursuivre sa cartographie avec une antenne en position fixe, si le problème n'a pas été résolu d'ici la. Quelques options existent cependant pour permettre une cartographie normale pendant les derniers mois de la mission de Global Surveyor, à la fin de l'an 2000 et au début de 2001.

OTM n°1

Le 7 mai 1999, Global Surveyor a allumé pendant environ deux minutes ses fusées d'appoint pour affiner la forme de son orbite (OTM, Orbit Trim Maneuver). C'est la première manœuvre propulsive de la sonde depuis le début de la phase de cartographie. L'orbite de cartographie a en effet été conçue pour que la sonde ne survole pas toujours les mêmes régions martiennes d'une semaine sur l'autre. Global Surveyor doit régulièrement allumer ses fusées d'appoints pour respecter cette contrainte et modifier sa ligne de passage au sol.

Première campagne scientifique (campagne A)

La première campagne scientifique (six semaines) de la mission est terminée. Pendant cette campagne, les scientifiques ont obtenu un grand nombre d'images stéréo ainsi que des mesures d'altitude de haute précision grâce à l'altimètre laser. L'objectif de cette campagne était une meilleure connaissance de la géodésie martienne. Le suivi de la sonde par les antennes du DSN (Deep Space Network) a été total pendant toute la durée du mois de mai 1999. Les données de la caméra MOC et du spectromètre d'émission thermique (TES) sont parvenues à la Terre en temps réel, au débit de 80 000 bps, pendant 7 orbites chaque jour. Les données datant de la veille, enregistrées sur les enregistreurs de bord, ont été rejouées et transmises à un débit de 16 000 bps pendant les 5 orbites restantes (la sonde effectue 12 orbites par jour autour de Mars).

OTM n°2

La deuxième manœuvre propulsive (OTM n°2, Orbit Trim Maneuver) a eu lieu le 6 juin. Elle était destinée à régler l'écartement de la ligne de passage au sol de la sonde. Rappelons que la première manœuvre propulsive avait échoué, encore à cause de l'antenne grand gain (décidément, cette antenne ainsi que les panneaux solaires sont devenus les deux bêtes noires de cette mission à rebondissement) ! La vitesse de la sonde et son pointage n'étaient alors pas ceux désirés par les scientifiques.

Les mesures altimétriques du pôle sud et du pôle nord, destinées à combler certains vides dans les données acquises par l'altimètre laser (MOLA), ont pris fin le 29 juillet 1999. La sonde est actuellement en train de retourner dans sa configuration normale de cartographie. Le relais radio (MR) a également été soumis à un test le 12 juillet pour vérifier son statut. Ce relais sera utilisé en particulier pour relayer les données en provenance des deux pénétrateurs Deep Space 2 embarqué sur Mars Polar Lander. Au cours du test, le relais radio (bande UHF) a été utilisé (pour la première fois depuis maintenant 2 ans) pour recueillir des données sensées provenir des pénétrateurs et les stocker ensuite dans une mémoire tampon de la caméra de la sonde (MOC, Mars Orbiter Camera) avant leur transmission vers la Terre. Tout s'est parfaitement déroulé.

Du bruit dans les données du TES

Un test qui a demandé l'interruption temporaire du système de suivi automatique du Soleil par les panneaux solaires a été exécuté le 8 juin 1999. L'équipe du spectromètre d'émission thermique (TES) s'est effectivement plainte que ce système générait un bruit inacceptable dans les données renvoyées par l'instrument et a émis une demande pour que cette source de perturbation soit définitivement éliminée. Le bruit est bien provoqué par le lent déplacement des panneaux solaires lors du suivi du Soleil tout au long de l'orbite parcourue par Global Surveyor. Le test a montré que le bruit dans les données du TES a diminué de manière sensible dés que le système de suivi a été désactivé. La qualité des données s'est encore améliorée après la suppression pendant plusieurs minutes du mouvement de l'antenne grand gain (HGA).

OTM n°3

La troisième manœuvre propulsive (OTM n°3, Orbit Trim Maneuver) a eu lieu le 11 août 1999. L'objectif de cette manœuvre était de corriger le décalage dans le temps de la ligne de survol de la sonde de manière à assurer une couverture uniforme de la surface martienne. La manœuvre s'est déroulée correctement et son résultat est satisfaisant. L'OTM n°3 va servir pour la deuxième campagne scientifique de la sonde (campagne B) qui aura lieu entre le 20 août et le 26 août de cette année.

Mesure de suppression du bruit des données du TES

Pendant la première orbite qui a suivi la dernière OTM, le suivi automatique du soleil par les panneaux solaires a été désactivé. Ceux ci n'occuperont plus que trois positions fixes au cours de chaque orbite, sans que cela influe de manière significative sur l'alimentation en énergie de la sonde ou le fonctionnement des autres instruments (une petite baisse de l'énergie disponible s'est cependant produite, conformément aux prévisions). D'après les tests effectués, on pense que ce changement permettra de réduire de manière significative le bruit qui apparaissait dans les données envoyées par le spectromètre d'émission thermique (TES). Cette stratégie devrait fonctionner jusqu'en juillet 2000, ou les contraintes dans l'alimentation énergétique de la sonde devraient reprendre le pas sur les désirs des scientifiques. Le système de suivi du soleil par les panneaux solaires devra alors être de nouveau enclenché !

endant les périodes ou la sonde ne communique pas avec la Terre, le système de suivi automatique de l'antenne grand gain a été désactivé, de manière à améliorer encore la qualité des données reçues par le spectromètre d'émission thermique (TES). Cette mesure complète la première décision prise par les équipes au sol qui consiste à stopper le suivi automatique du soleil par les panneaux solaires, ceux ci n'occupant plus que trois positions fixes au cours de chaque orbite. La séquence de calibration pour le magnétomètre (MAG), destinée à caractériser de manière fine la signature magnétique de la sonde, a eu lieu comme prévu le 31 août.

A cause du mauvais temps qui règne au niveau de certaines des stations de poursuite du Deep Space Network et de l'allongement de la distance entre Mars et la Terre, le nombre de paquets de données perdus augmente progressivement. Les ingénieurs vont donc diminuer le débit pour la transmission en temps réel des informations (passage de 85 333 bps à 42 666 bps) et la transmission en différée (passage de 80 000 bps à 40 000 bps) à partir du 18 novembre.

Test du relais radio

Le relais radio de Mars Global Surveyor, qui doit en particulier assurer la liaison entre les deux petits pénétrateurs Deep Space 2 puis la sonde Mars Polar Lander a subi une série de tests les 3 et 4 novembre, mais les résultats sont ambigus. Une équipe de l'université de Stanford qui était à l'écoute des signaux du relais radio n'a rien capté, tandis que les données de télémétrie reçues attestent du parfait fonctionnement de l'appareillage.

Problème d'antenne (mois de novembre 1999)

Il y a quelques semaines des erreurs de position sont apparues dans les données de télémétrie de l'antenne grand gain. L'incident ne s'était pas reproduit pendant quelques jours, mais de nouvelles erreurs ont ensuite été de nouveau détectées. Le débit de télémétrie en provenance de la sonde a été augmenté de manière à permettre aux ingénieurs de diagnostiquer le problème.

Abandon de la recherche de Mars Polar Lander

La recherche infructueuse de la sonde Mars Polar Lander a pris fin le 4 février, suite à une baisse significative du débit de données, liée au problème qui affecte l'antenne grand gain. Les tests pour localiser Mars Pathfinder n'ayant rien donné, il était de toute façon quasiment impossible que Mars Global Surveyor retrouve la moindre trace de l'atterrisseur polaire.

Une expérience radar, au cours de laquelle Mars Global Surveyor a envoyé vers la surface de Mars un faisceau d'onde radio qui s'est ensuite réfléchit vers la Terre, a eu lieu le 14 mai 2000.

Deuxième conjonction solaire [18 juillet 2000]

Depuis le 21 juin, nous sommes en période de conjonction. Vue depuis la Terre, la planète Mars est maintenant cachée derrière le Soleil. L'activité électromagnétique de notre étoile perturbe fortement le signal radio de Mars Global Surveyor et les communications radios avec l'orbiteur sont donc très difficiles, voire impossibles. La sonde a été placée en repos. Certains instruments, comme la caméra, ont été désactivés tandis que d'autres resteront allumés (histoire qu'ils puissent maintenir leur température). La conjonction solaire prendra fin le 12 juillet 2000, date qui marquera la reprise des opérations. Mars Global Surveyor avait déjà connu une conjonction il y a deux ans, en 1998.

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