L'antenne de 35 mètres de diamètre de la station sol de Malargüe en Argentine. Avec celles de Cebreros en Espagne et celle de New Norcia en Australie, elle forme le réseau d'antennes pour l’espace lointain (DSA) de l'Agence spatiale européenne. © Esa, D. Pazos

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ExoMars 2016 corrige sa trajectoire et vise enfin Mars

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En route pour la Planète rouge, la sonde ExoMars 2016 s'apprête à modifier sa trajectoire pour viser sa cible, ce qu'elle ne faisait pas jusqu'ici. Michel Denis, le directeur des opérations en vol de la mission à l'Esa, nous explique la raison de cette manœuvre et comment la sonde est surveillée depuis la Terre.

Lancée le 14 mars 2016 avec des objectifs ambitieux, à la fois sur le plan scientifique (étude des champs électriques, inventaire complet des espèces chimiques de l'atmosphère martienne, etc.) et technologique (atterrissage contrôlé, aérofreinage, etc.), la sonde ExoMars 2016 de l'Agence spatiale européenne doit « réaliser ce 28 juillet une importante correction de trajectoire », nous explique Michel Denis, le directeur des opérations en vol de la mission.

Cette manœuvre mettra la sonde, qui comprend l'orbiteur TGO (Trace Gas Orbiter) et la capsule Schiaparelli, sur une trajectoire de collision avec Mars, « ce que l'on ne fait pas dès le lancement pour des raisons de protection planétaire ». Une recommandation du Cospar (Committee on Space Research) stipule en effet de ne pas lancer directement une sonde vers d'autres planètes ou lunes soupçonnées d'abriter une forme de vie ou présentant des conditions d’habitabilité. Si le lancement échoue ou si les opérateurs au sol perdent le contrôle de la sonde, il y a un risque qu'elle s'écrase sur sa cible et contamine la zone du crash.

La trajectoire de la sonde ExoMars 2016, en rouge, entre celle de la Terre (en bleu) et celle de Mars (en orange), avec les positions de ces deux planètes au moment du départ (Earth@launch et Mars@launch) et de l'arrivée (arrival). La manœuvre du 8 juillet se situe au niveau du point rouge noté Mid Course Manoeuvre). La trajectoire est celle, classique, d'une orbite dite de transfert, durant laquelle l'engin spatial tourne autour du Soleil. © Esa

Comment préparer l'arrivée sur Mars

Lors de cette manœuvre, le moteur principal de l'orbiteur TGO sera utilisé durant cinquante minutes. Il a été testé avec succès le 21 juillet « pour s'assurer de son bon fonctionnement et, du même coup, a changé la vitesse d'ExoMars 2016 d'un mètre pas seconde ». Quant à la manœuvre du 28 juillet, elle « permettra d'augmenter de 330 mètres par seconde la vitesse de la sonde, qui se déplace par rapport au Soleil à environ 27 kilomètres par seconde ».

Ce gain de vitesse sur la trajectoire de transfert permettra de réduire l'accélération à effectuer au moment de l'arrivée près de Mars, le 19 octobre prochain, et, partant, facilitera la manœuvre de freinage finale. La manœuvre du 19 octobre est en effet une capture de la sonde par Mars : « on accélère ExoMars par rapport au Soleil mais on la ralentit par rapport à Mars ».

Avec ses 4,3 tonnes, ExoMars 2016 est l'engin le plus lourd jamais lancé à destination de Mars, dépassant Curiosity (3,9 tonnes) et les sondes Viking (3,5 tonnes). Il comprend l'orbiteur TGO (Trace Gas Orbiter) et le démonstrateur de rentrée atmosphérique (capsule Schiaparelli), que l'on voit au-dessus du TGO sur la photo de gauche. L'autre grande structure circulaire, visible à droite, au premier plan, est l'antenne parabolique. © Rémy Decourt

Mieux que la navigation aux étoiles : la navigation au quasar

D'ici à son arrivée autour de Mars, prévue le 19 octobre, ExoMars 2016 est surveillée en permanence depuis la Terre au « rythme de trois contacts hebdomadaires depuis son lancement et, désormais, en phase de manœuvres et d'approche, d'un contact quotidien ». Pour cela, l'Esa utilise les trois antennes de son réseau pour l'espace lointain situées à Malargüe en Argentine, Cebreros en Espagne et New Norcia en Australie.

Lors de ces contacts, des mesures de l'effet Doppler de la fréquence de la sonde sont réalisées, ce qui « permet de mesurer sa position et sa vitesse, et d'ajuster les prédictions de trajectoire vers Mars ». À partir d'aujourd'hui, et pour améliorer la connaissance de la position de la sonde à quelques dizaines de mètres de près, « nous utilisons le "delta DOR" [Differential one way range, NDLR] qui consiste à mesurer le délai d'un signal radio envoyé par la sonde par deux stations terrestres, en référence à une source radio de position connue (en l'occurrence le quasar P1514-24) ». Cette méthode de mesure, introduite par la Nasa dans les années 1980, permet de « préciser la position et la vitesse d'un sonde au moins dix fois mieux que les méthodes classiques ». Elle exploite les mesures de deux antennes le plus éloignées possible l'une de l'autre : Cebreros-New Norcia et Cebreros-Malargüe.

Après la manœuvre du 28 juillet, une « petite correction de trajectoire est prévue le 11 août, suivie d'une autre le 19 septembre ». Un pointage fin vers Mars et une dernière correction de trajectoire seront réalisés le 14 octobre de façon à « optimiser la manœuvre de séparation entre le TGO et la capsule Schiaparelli et délivrer Schiaparelli au point prévu avec le bon angle d'entrée dans l'atmosphère ». Ce sera la première fois que l'Europe se pose sur Mars. Avec Schiaparelli, qui est avant tout un démonstrateur de technologies, l'Esa s'essaiera donc à cette opération, avec une orientation et une vitesse d'atterrissage contrôlées. Les technologies utilisées, navigation et relais de données par exemple, seront nécessaires pour les futures missions d'exploration, comme celles qui ramèneront des échantillons martiens.

De l'entrée dans l'atmosphère à l'atterrissage, les différentes étapes de la trajectoire de la capsule Schiaparelli. Elle touchera l'atmosphère à 21.000 km/h, puis, protégée par son bouclier thermique, elle ralentira jusqu'à 1.700 km/h. Un parachute de 12 m de diamètre se déploiera alors, à vitesse supersonique. Moins d'une minute plus tard, 4 minutes après la pénétration dans l'atmosphère, à 11 km d'altitude, le bouclier sera largué. À 1.200 m, l'atterrisseur lui-même se détachera et allumera ses neuf rétrofusées (mal représentées sur ce schéma). Le système radar surveillera la hauteur et, à 2 m du sol, les moteurs seront coupés. La vitesse sera de 4 km/h et la chute libre produira un atterrissage assez rude, à 10 km/h. © Esa, ATG medialab

L'Europe sur Mars pour la première fois

Cet angle d'entrée est « important et une extrême précision est de mise ». Trop proche de la verticale, « il rendrait le freinage impossible et la capsule risquerait de brûler ». S'il n'est pas assez incliné, alors « l'ellipse d'atterrissage serait trop grande, ce qui augmenterait le risque d'un posé dans une zone non désirée, voire dangereuse de par son relief ». La valeur de cet angle sera ajustée « lors de la dernière correction de trajectoire ». Concrètement, la capsule Schiaparelli va entrer dans l'atmosphère avec un « angle de seulement 12,4° par rapport à l'horizontale », ce qui maximisera la durée passée dans l'atmosphère pour donner suffisamment de temps au bouclier avant puis aux parachutes pour la freiner. Sa trajectoire se « verticalisera progressivement au fur et à mesure de son freinage pour l'amener à la verticale du sol lors de la dernière minute de sa descente ». Débutera alors une mission scientifique de seulement quelques jours.

Durant cette phase d'atterrissage prévue le 19 octobre vers 17 h (heure de France métropolitaine), le TGO s'insérera en orbite autour de la planète « grâce à une manœuvre critique de freinage qui, en deux heures, réduira sa vitesse de 1,5 kilomètre par seconde, ce qui permettra sa capture par la gravité de Mars ». Cette mise en orbite sera exécutée sur une trajectoire de survol préparée lors de la manœuvre de réorientation — et d'évitement de Mars — qui sera réalisée dès le 17 octobre, 12 heures après la séparation de la capsule afin de « positionner le TGO dans le bon couloir pour son insertion en orbite, d'abord elliptique ».

Pour circulariser l'orbite, l'Agence spatiale européenne utilisera, pour la première fois, la technique de l'aérofreinage, expérimentée avec Venus Express en juin 2014. Elle consiste à utiliser l'atmosphère d'une planète pour modifier l'orbite d'un engin spatial. Dans le cas du TGO, le but de cette manœuvre est d'amener le satellite sur une orbite circulaire à 400 kilomètres d'altitude inclinée à 74° avec une période de révolution de deux heures. Le TGO de l'Esa rejoindra alors MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), de la Nasa, qui évolue également à cette altitude.

Où atterrira le rover de la mission ExoMars en 2018 ?  ExoMars 2018 est la seconde partie du programme de l’Agence spatiale européenne (Esa) voué à la recherche de vie sur Mars. Elle emportera vers la Planète rouge un rover qu’il faudra poser à sa surface. Mais comment déterminer l’endroit le plus opportun ? Le Cnes nous en dit plus au cours de cette vidéo.