New Horizons : 11 kg de plutonium pour comprendre Pluton - 16/01/2006

La sonde New Horizons présente une forme triangulaire dont les côtés mesurent 2,1 et 2,7 mètres, pour une épaisseur de 0,7 mètre. Elle est surmontée d'une antenne parabolique à haut gain de 2,1 mètres de diamètre, et l'ensemble pèse 478 kg au départ de la Terre, incluant 77 kg de propergols et 30 kg d'instruments scientifiques.

Vue d'ensemble de New Horizons.© Crédit Nasa.

La puissance est fournie par un générateur radio-isotopique thermoélectrique assurant une alimentation continue de 240 watts au départ, qui sera encore supérieure à 200 watts au voisinage de Pluton. A cette distance du Soleil, des panneaux solaires auraient été inenvisageables. Les corrections de trajectoire ainsi que le contrôle d'attitude de la sonde seront assurés par un ensemble de 16 moteurs fonctionnant à l'hydrazine.

L'instrumentation scientifique de New Horizons a constitué un défi unique dan l'histoire de l'exploration du Système solaire. En effet, le peu de connaissances de la physique de la planète le plus lointaine et la moins connue incitait les scientifiques à varier les expériences à embarquer, tandis que les contraintes d'un vol de très longue durée et à grande distance, notamment les limitations de masse, imposaient un compromis que seule une miniaturisation extrême des composants et une complémentarité maximale des expériences à réaliser pouvait permettre d'obtenir.

- 1°) Principaux objectifs visés :

• Déterminer la composition de Pluton et Charon, ainsi que la distribution des divers matériaux en surface. Eventuellement, tenter la même approche des deux satellites S/2005-P1 et S/2005-P2 récemment découverts.
• Observer la morphologie de Pluton et Charon, et en déterminer la géologie.
• Décrire l'atmosphère de Pluton, et rechercher une éventuelle atmosphère autour de Charon.
• Etablir une carte des températures de surface sur Pluton et Charon.
• Recherche d'anneaux et de satellites supplémentaires autour de Pluton.
• Investiguer auprès d'un ou plusieurs objets de la ceinture de Kuiper.

- 2°) La structure

Description d'ensemble détaillée de New Horizons. © Crédit Nasa.

Structurellement, New Horizons ne ressemble à aucune sonde construite à ce jour, et plusieurs solutions novatrices ont été adoptées. La construction repose sur un cylindre central en aluminium, aux sommets duquel sont fixés deux panneaux parallèles en nid d'abeille. Très résistants bien que développés en tôle d'aluminium dont l'épaisseur équivaut à deux fois celle d'une feuille de papier ordinaire, ceux-ci supportent toute la masse de la sonde au lancement, ainsi que les interfaces électriques avec le lanceur et le centre de contrôle, et les réservoirs de propergols.

Description d'ensemble détaillée de New Horizons. © Crédit Nasa

Etant stabilisée par spin (5 tours par minute) autour de son axe central, qui est aussi celui de son antenne parabolique à haut gain, New Horizons exige un équilibrage parfait afin d'éviter des contraintes structurelles intempestives et un désalignement du faisceau de communications. Pour ce faire, la sonde a été testée juste avant l'intégration au lanceur sur un banc d'essai rotatif et de petits contrepoids ont été ajoutés sur sa périphérie afin d'obtenir un équilibrage rigoureux.

- 3°) L'informatique embarquée

L'informatique de bord est pilotée par un microprocesseur 32 bits Mongoose V à 25 Mhz, ralenti à 12,5 Mhz afin d'amoindrir la consommation électrique, et durci contre les radiations. Celui-ci forme, avec le logiciel embarqué dans sa mémoire - mais qui peut être modifié depuis la Terre - l'intelligence de New Horizons.

Celui-ci contrôle et temporise le fonctionnement de chaque système et sous-système du vaisseau spatial, rassemble et traite les données de chaque instrument scientifique et organise leur transmission vers la Terre. Il exécute aussi les algorithmes de contrôle de l'ensemble chargés de vérifier le statut de chaque système et, si nécessaire, corrige les problèmes ou en réfère aux techniciens sur Terre. Les données sont stockées dans deux mémoires redondantes de 8 gigaoctets (64 gigabits) chacune. Ces mémoires sont régulièrement formatées et les données compressées afin d'économiser de la place, mais surtout de l'énergie électrique.

Le centre informatique, les enregistreurs, le convertisseur électrique, le système d'automatisation de guidage et contrôle d'attitude, l'électronique de poursuite et de traitement des signaux et les interfaces entre cette instrumentation et l'appareillage scientifiques sont logés dans le IEM (Integrated Electronics Module), un boîtier unique, véritable coeur de New Horizons. Toutefois, un second coeur redondant est installé dans l'axe du premier, et ne sera activé qu'en cas de défaillance.

- 4°) Le contrôle thermique

New Horizons est conçu pour retenir la chaleur comme une bouteille Thermos. Le vaisseau est recouvert d'un revêtement thermique multicouche formé de 18 feuilles de Dacron alternant avec des films minces en Kapton et en Mylar aluminisé, la dernière couche étant recouverte d'or.

Durant la totalité de la mission, la température interne de la sonde demeurera dans une fourchette de 10 à 30°C (50 à 85°F). Le fonctionnement des instruments de bord suffiront généralement à maintenir une température stable à bord, mais de petites résistances électriques disposées tout autour du compartiment principal pourront être activées par l'ordinateur de bord en cas de besoin. Lorsque New Horizons se trouvera à proximité de la Terre et avant de s'éloigner de la région baignée par le rayonnement solaire, des dispositifs à persiennes s'ouvriront afin d'évacuer l'excédent de chaleur.

- 5°) La propulsion

Le système de propulsion autonome après lancement de New Horizons sera utilisé aussi bien pour les corrections de trajectoire que pour les modifications d'attitude (pointage des instruments). La vitesse du vaisseau spatial étant définitivement acquise par la lancement, puis éventuellement par réaction de gravitation au voisinage de Jupiter, aucun étage propulseur supplémentaire n'a été prévu.

16 propulseurs à hydrazine sont répartis en 8 groupes tout autour de la sonde, associés à un réservoir de propergols et l'ensemble de canalisations nécessaires. 4 moteurs d'une poussée unitaire de 4,4 newtons (450 grammes) seront utilisés pour les modifications de trajectoire, tandis que 12 moteurs de 0,8 newtons (82 grammes) assureront le contrôle d'attitude. L'ensemble des 16 moteurs est partagé en deux groupes complètement séparés et constituent deux systèmes redondants. New Horizons embarque 77 kg d'hydrazine, confinée dans un réservoir en titane pressurisé à l'hélium.

- 6°) Guidage et contrôle d'attitude

New Horizons devra être réorientée à plusieurs reprises durant le trajet, et en mode repos, rester constamment pointée vers la Terre afin d'assurer les communications.

Deux caméras grand-angle orientées dans deux directions différentes prendront 10 images du ciel chaque seconde, qui seront comparées à une carte du ciel en mémoire comprenant environ 3000 étoiles brillantes afin de détecter immédiatement le moindre mouvement parasite de la sonde et d'apporter la correction nécessaire via les moteurs à hydrazine.

Un horizon artificiel basé sur l'analyse permanente de la position du Soleil via un capteur digital forme un système redondant, toutefois, New Horizons ne comporte pas de gyroscopes, grands consommateurs d'énergie.

- 7°) Communications

Les deux antennes superposées à haut gain et à faible gain de New Horizons. © Crédit Nasa.

New Horizons utilise la bande X pour les communications avec la Terre, la transmission des données, les commandes à distance et les rapports sur son propre statut. Les émissions seront échangées via le réseau Deep Space Work de la Nasa.

Pose de l'antenne principale © Crédit Nasa .

La sonde est équipée de deux antennes omnidirectionnelles à faible gain disposées de part et d'autre de sa structure, d'une antenne à moyen gain de 30 cm et d'une antenne à haut gain de 2,1 mètres. Ces deux dernières sont situées dans le même axe dans un but de redondance.