En 2022, le satellite Juice sera lancé à destination de Jupiter et de ses mondes. Cette mission, inédite pour l'Europe, sera confrontée aux pires conditions environnementales du Système solaire. Températures, radiations, champs magnétiques. Découvrez comment Airbus a conçu ce satellite et quelles innovations sont à bord pour résister à cet environnement sans détériorer le bon fonctionnement ni les performances des instruments. Les explications de Cyril Cavel, responsable du programme Juice chez Airbus.

La sonde JuiceJuice (JUpiter ICy moons Explorer mission), construite par Airbus et développée pour l'Agence spatiale européenne (ESAESA), est arrivée cet été à Toulouse. Elle y restera pour son assemblage final et pour sa campagne de tests au centre d'intégration des satellites d'Airbus avant d'être ensuite expédiée à Kourou en Guyane française d'où elle sera lancée sur Ariane 5. Première mission de catégorie L du programme « Cosmic Vision 2015-2025 » de l'ESA, Juice sera lancée le 25 août 2022 et atteindra JupiterJupiter en 2031.

La mission sera principalement consacrée à l'étude du système de Jupiter en tant qu'archétypearchétype des géantes gazeusesgéantes gazeuses. Elle examinera le système jovienjovien dans son ensemble en se concentrant particulièrement sur trois des quatre luneslunes galiléennes qui abritent des océans (Europe, GanymèdeGanymède et CallistoCallisto) sous leur surface glacée. La sonde embarquera un panel de dix instruments fournis par des équipes scientifiques de quinze pays européens, du Japon et des États-Unis (en raison de la participation de la NasaNasa au projet). Parmi les instruments présents : des caméras, des spectromètresspectromètres, des analyseurs de particules, un système de radio-science, un altimètre laserlaser, des magnétomètresmagnétomètres et un radar capable de sonder la surface des lunes jusqu'à une profondeur de plusieurs kilomètres, ce qui fournira un éclairage nouveau sur les structures géologiques de ces mondes à la tectonique complexe.

La sonde Juice lors d'essais à l'Estec, le Centre technique de l'Agence spatiale européenne aux Pays-Bas. Le satellite est ici vu à l'intérieur de la chambre à vide thermique du <em>Large Space Simulator</em> afin de vérifier son bon fonctionnement dans le vide spatial et aux conditions environnementales de l'espace. © ESA
La sonde Juice lors d'essais à l'Estec, le Centre technique de l'Agence spatiale européenne aux Pays-Bas. Le satellite est ici vu à l'intérieur de la chambre à vide thermique du Large Space Simulator afin de vérifier son bon fonctionnement dans le vide spatial et aux conditions environnementales de l'espace. © ESA

Le saviez-vous ?

Juice emportera dix instruments scientifiques pour explorer Jupiter et ses lunes glacées (Europe, Ganymède et Callisto). Les objectifs scientifiques de la mission sont, entre autres, de mieux comprendre la formation des planètes géantes gazeuses, de caractériser les interactions gravitationnelles et magnétiques entre Jupiter et ses lunes, et de rechercher et caractériser de potentiels océans d'eau liquide sous la surface gelée de Europe, Ganymède et Callisto. Ces océans sont notamment susceptibles d'héberger la vie sous des formes moléculaires.

Airbus a remporté le contrat de maîtrise d'œuvre industrielle de la sonde en 2015. Comme nous l'explique Cyril Cavel, le responsable du programme chez Airbus, « Juice fait travailler plus de 1.000 personnes réparties essentiellement en Europe, mais aussi partout dans le monde ». L'entreprise emploie près de 150 ingénieurs spatiaux pour la mission et « coordonne un consortium de plus de 80 entreprises ». Les principaux sites d'Airbus qui participent au programme sont Toulouse, « en charge de la conduite du projet, l'ingénierie et les opérations dites AIT, c'est-à-dire assemblage, intégration et test du satellite », Friedrichshafen, en Allemagne, « qui réalise l'ingénierie électrique et contribue à l'AIT du satellite » ainsi que Madrid en Espagne et Varsovie en Pologne « respectivement en charge de la structure et du câblage du satellite ». Au total, le coût du programme est d'environ 1,5 milliard d'euros, incluant le développement de la sonde, le lancement, le coût du segment sol et des opérations, et celui des instruments scientifiques financés par les agences nationales.

Une autonomie inédite pour un satellite scientifique

Toulouse réalise également le « logiciel de vol (le cerveaucerveau du satellite en quelque sorte), notamment les algorithmes de navigation, de contrôle d'attitude et d'orbiteorbite ». Du fait des distances qui nous séparent de Jupiter, « certaines phases critiques de la mission ne pourront pas être contrôlées en temps réel, notamment les deux plus importantes manœuvres d'insertion orbitaleorbitale ». La première aura lieu à la sortie de la phase de croisière, pour l'arrivée dans le système jovien, afin de rentrer dans le champ gravitationnel de la planète géanteplanète géante. « D'une duréedurée d'environ trois heures, cette manœuvre va consommer énormément d'ergols ». Quant à la seconde manœuvre d'insertion, elle sera réalisée après 2,5 années de survolsurvol des différentes lunes pour la mise en orbite de la sonde autour de Ganymède, à 500 kilomètres d'altitude. Juice sera donc dotée d'une autonomieautonomie de navigation inédite pour un satellite scientifique, ce qui lui permettra de « prendre des décisions seul et de détecter des pannes, de les analyser et de se reconfigurer si nécessaire ».

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Juice évoluera dans la région du système solairesystème solaire où sévissent certaines des pires conditions environnementales. Celles-ci se caractérisent par des températures très basses, en raison de l'éloignement de la planète au SoleilSoleil, par un niveau de radiations très élevé ainsi qu'un puissant champ magnétique émis par Jupiter. Airbus a donc conçu un « satellite spécifique à la mission qui résistera à ces contraintes avec un niveau de propreté électromagnétique sans précédent ». La plateforme de Juice s'apparente à celle d'un satellite de télécommunication car elle doit embarquer une grande quantité d'ergolsergols. Le satellite est donc construit « autour d'un cylindre central avec deux réservoirs d'ergols ». D'une massemasse au lancement d'environ 6 tonnes, il se présente sous la forme d'un parallélépipède de 4 m x 3 m x 3 m et, une fois déplié, son envergure est proche de 30 mètres.

Gros plan sur l'antenne grand gain de la sonde Juice. Cette antenne sera utilisée pour communiquer avec la Terre mais aussi comme bouclier lors du survol de Vénus, pour éviter que la sonde soit exposée aux fortes températures. © ESA
Gros plan sur l'antenne grand gain de la sonde Juice. Cette antenne sera utilisée pour communiquer avec la Terre mais aussi comme bouclier lors du survol de Vénus, pour éviter que la sonde soit exposée aux fortes températures. © ESA

Empêcher le satellite d’émettre ses propres champs électromagnétiques

Le satellite embarque donc de nombreuses innovations complexes à concevoir et à tester ! « La propreté électromagnétique est un challenge de chaque instant. » Il faut savoir que les instruments concernés sont conçus pour « réaliser des mesures de seulement quelques pico teslatesla de sorte qu'il est impératif que le satellite ne perturbe pas les mesures ». Or, de nombreux systèmes et équipements sont susceptibles d'émettre des champs électriqueschamps électriques et magnétiques. Il a donc été « nécessaire d'adapter la conception de ces équipements et du satellite, et parfois de mettre en œuvre certaines techniques de blindage pour que les niveaux reçus soient les plus faibles possibles ». Enfin, certains instruments ont été installés à l'extrémité d'un bras déployable de 12 mètres pour justement éviter tout risque d'interférenceinterférence.

La propreté électromagnétique est un challenge de chaque instant

Autre point fort du satellite, les panneaux solaires. Bien qu'éloignée du Soleil, Juice n'utilisera pas de générateurgénérateur thermoélectrique à radio-isotope (RTG), comme les sondes américaines Cassini et New Horizons ou le roverrover Perseverance. Bien que maîtrisée, cette technologie n'a pas été développée en Europe pour des applicationsapplications spatiales. Résultat : deux « énormes panneaux solaires en forme de croix hérité d'Alphabus ». D'une superficie de 85 m², ces panneaux solaires ont été adaptés aux contraintes de la mission et « renforcés d'un point de vue mécanique pour résister aux accélérations très fortes subies lors de la mise en orbite autour de Jupiter ».

Pour cette mission, la performance du lanceurlanceur contraint le satellite à réaliser « plusieurs assistances gravitationnellesassistances gravitationnelles pour rejoindre le système jovien ». Un voyage de 9 ans attend la sonde pour accélérer sa vitessevitesse, en passant autour des planètes intérieures du Système solaire (Mars, Terre et VénusVénus) parce que « malgré la puissance d'Ariane 5Ariane 5, le lanceur européen n'a pas la puissance nécessaire pour mettre la sonde sur une trajectoire directe vers Jupiter ».  Si le satellite passera l'essentiel de son temps au froid, « à plus ou moins -200° dans l'environnement de Jupiter », lors de son passage à proximité de Vénus, Juice sera « exposée à des températures allant jusqu'à 230° ». Pour optimiser la conception de la sonde, « la trajectoire de vol a été calculée pour qu'une seule face soit exposée à ces fortes températures que nous protégerons avec l'antenne grand gain qui fera office de bouclier » ! Cette « antenne ombrelle » a été conçue en tenant compte de cette contrainte. Elle est capable « d'absorber et d'évacuer la chaleurchaleur sans que cela ne dégrade ses performances ».

D'ici à son transfert en Guyane, il reste encore du travail. Le satellite est aujourd'hui ouvert afin « d'installer les derniers équipements de vol et ceux qui nécessitent d'être modifiés ». Suivront les essais environnementaux (EMC, mécanique, vide thermique) pour s'assurer que le satellite est « apte au vol et fournit les performances attendues autour de Jupiter ». Le système propulsif sera également « testé dans les conditions opérationnelles de pression ». Enfin, les essais fonctionnels finaux, s'assureront que Juice « fonctionne toujours nominalement après avoir subi l'ensemble des essais environnementaux, et qu'elle sera capable de dialoguer avec le segment sol tout au long de sa mission ».


La sonde Juice visitera Jupiter et ses lunes à la recherche de la vie

Article de Rémy DecourtRémy Decourt publié le 04/01/2016

Plus de dix ans après la fin de la mission GalileoGalileo (en novembre 2003), l'exploration robotiquerobotique de Jupiter et ses mondes est relancée. Une meilleure connaissance du système jovien et la certitude que certaines de ses lunes les plus grandes abritent de grands réservoirs d'eau liquideliquide ont convaincu les agences spatiales d'y envoyer des sondes. Après JunoJuno, lancée en 2011 par la Nasa, les années 2020 verront le lancement de trois autres sondes dont l'européenne Juice, qui sera construite par Airbus Defence and Space.

L'Agence spatiale européenne (Esa) et Airbus Defence and Space ont signé un contrat de 350 millions d'euros portant sur le développement et la constructionconstruction du satellite Juice (JUpiter ICy moons Explorer). Cette première grande mission du programme « Vision Cosmique » de l'Esa « sera lancée en 2022 par un lanceur Ariane 5 et atteindra Jupiter en 2030 », nous explique Vincent Poinsignon, directeur du programme Juice chez Airbus Defence and Space.

Première mission de l'Esa à destination de Jupiter, Juice sera également la mission interplanétaire de l'Agence qui ira le plus loin dans le Système solaire. Elle repose sur le thème central de l'émergenceémergence de mondes habitables autour des géantes gazeuses. La mission sera principalement consacrée à l'étude du système de Jupiter en tant qu'archétype des géantes gazeuses. Elle examinera le système jovien dans son ensemble en se concentrant particulièrement sur trois des quatre lunes glacées galiléennes qui abritent, potentiellement, des océans (Europe, Ganymède et Callisto).

Vue d'artiste de la sonde Juice de l'ESA qui sera lancée en 2022 à destination du système Jovian. © ESA, Nasa, DLR, JPL, University of Arizona, University of Leicester
Vue d'artiste de la sonde Juice de l'ESA qui sera lancée en 2022 à destination du système Jovian. © ESA, Nasa, DLR, JPL, University of Arizona, University of Leicester

Pour cela, elle embarquera un panel de dix instruments fournis par des équipes scientifiques de 15 pays européens, du Japon et des États-Unis (en raison de la participation de la Nasa au projet). Parmi les instruments prévus sur la sonde : des caméras, des spectromètres, un altimètre laser, un magnétomètre et un radar capable de sonder la surface des lunes jusqu'à une profondeur de plusieurs kilomètres, ce qui fournira un éclairage nouveau sur les structures géologiques de ces mondes à la tectonique complexe.

Pour amener autour de Jupiter tous ces instruments, « on a besoin d'un satellite qui soit capable d'évoluer dans un environnement très sévère, beaucoup plus contraignant qu'autour de Vénus, de Mars et de la Terre par exemple », détaille Vincent Poinsignon. Cet environnement se caractérise par des températures très basses, en raison de l'éloignement de la planète au Soleil et par un niveau de radiations très élevé. Dans cet environnement difficile, le satellite requiert de plus de très bonnes performances « notamment en matière de stabilité, de propreté magnétique ou de production d'énergieénergie ».

Un satellite spécifiquement conçu pour la mission

C'est pourquoi Airbus Defence and Space va devoir concevoir une « plateforme spécifique à cette mission et non pas réutiliser ou adapter une plateforme existante » qui, de façon à éviter toute perturbation des instruments scientifiques, « présentera un niveau de propreté magnétique sans précédent ». À cette nouvelle plateforme s'ajoutera de nouvelles technologies comme, par exemple, les cellules photovoltaïquescellules photovoltaïques. Elles font l'objet d'une caractérisation très poussée pour tenir compte de l'environnement de Jupiter, où la « puissance solaire est de l'ordre de 50 wattswatts par m2 contre 1.400 autour de la Terre ». Si, à l'époque de RosettaRosetta, l'industrie utilisait des cellules au siliciumsilicium, aujourd'hui « on utilise des cellules à l'arséniure de galium (AsGa) beaucoup plus efficaces avec un rendement de 30 % ».

Juice, en effet, bien qu'éloignée du Soleil, n'utilisera pas de générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG), comme les sondes américaines Cassini et New Horizons ou le rover Curiosity. « Bien que maîtrisée, cette technologie n'a pas été développée en Europe pour des applications spatiales », rappelle Vincent Poinsignon. Par ailleurs, Juice étant un programme européen financé par les États membres de l'Esa, qui a pour principe de développer l'industrie spatiale européenne, il aurait été malvenu pour l'agence de financer des équipements non européens. La mission peut être réalisée avec un générateur solaire, à condition qu'il soit grand, très grand, même. « Mais Rosetta a montré que cela était possible et absolument pas handicapant pour la mission. » En mars 2004, date du lancement de Rosetta, son générateur était l'un des plus grands jamais construits (67 m2), celui de Juice, avec ses 97 m2, sera « le plus grand jamais réalisé pour une mission interplanétaire européenne ».

L'étude du système jovien pourrait apporter une meilleure connaissance de cette partie du Système solaire. Europa Clipper, Juno et Juice sont autant de sondes qui pourraient démontrer que, quelque part autour de Jupiter, dans une de ses lunes, la vie est possible. © Esa, AOES
L'étude du système jovien pourrait apporter une meilleure connaissance de cette partie du Système solaire. Europa Clipper, Juno et Juice sont autant de sondes qui pourraient démontrer que, quelque part autour de Jupiter, dans une de ses lunes, la vie est possible. © Esa, AOES

Une fois dans le système jovien, la sonde va réaliser plus « d'une trentaine de survols de ces trois lunes [Europe, Ganymède et Callisto, NDLRNDLR], ce qui implique un système de navigation autonome à bord du satellite pour assurer une bonne trajectoire lors de ces survols ». Comme sur Rosetta, ce sera également une des clés du succès de la mission.« L'intérêt de cette mission, c'est sa complexité qui nous amène aux limites de ce qui est faisable.La particularité principale de Juice est sa propreté électromagnétique indispensable pour réaliser les mesures ultraprécises dans l'environnent de la magnétosphèremagnétosphère de Jupiter avec, à la clé, la détection d'océans liquides sous la surface des trois lunes. »Cela justifie des exigences pointues et sévères, au-delà de ce qui est mesurable sur Terre. « On atteint une telle limite que l'on ne sait plus mesurer au sol les performances du satellite, de sorte qu'on les mesure et on les calibre en orbite, en dehors de toutes perturbations générées par l'environnement terrestre. »

Autre particularité de la mission, les 5,5 tonnes de la masse du satellite au lancement, contre une masse sèche de seulement 2 tonnes. « La différence s'explique par la grande quantité d'ergols embarqués à bord du satellite. » Une quantité importante justifiée par le profil de la mission qui prévoit « deux importantes manœuvres d'insertions orbitales » :

  • La première aura lieu à la sortie de la phase de croisière (7,5 ans), pour l'arrivée dans le système jovien, afin de rentrer dans le champ gravitationnel de la planète géante. D'une durée d'environ trois heures, cette manœuvre va « consommer énormément d'ergols ».
  • Quant à la deuxième manœuvre d'insertion, elle sera réalisée après 2,5 années de survol des différentes lunes pour la « mise en orbite de la sonde autour de Ganymède, à 500 kilomètres d'altitude ».

Juice, une mission européenne

Juice est une mission aux objectifs ambitieux et enthousiasmants. C'est la première fois qu'un satellite sera mis en orbite autour d'une lune autre que celle de la Terre. Un voyage entre les deux planètes de 7,5 années, au cours duquel le satellite va bénéficier d'assistances gravitationnelles, pour accélérer sa vitesse, en passant autour des planètes intérieures du Système solaire (Mars, Terre et Venus) parce que « malgré la puissance d’Ariane 5, le lanceur européen n'a pas la puissance nécessaire pour mettre la sonde sur une trajectoire directe vers Jupiter ».

Le satellite Juice sera conçu sous la responsabilité du site de Toulouse d'Airbus Defence and Space qui réalisera également le logiciellogiciel de vol (le cerveau du satellite en quelque sorte), notamment les algorithmes de navigation, de contrôle d'altitude et d'orbite. En raison de la dimension européenne du programme et du retour géographique imposé sur tous les programmes scientifiques de l'Esa, les équipements seront développés et fabriqués un peu partout en Europe dans les usines d'Airbus Defence and Space et dans les quelque 60 sociétés du consortium industriel. Le satellite sera assemblé sur le site allemand d'Airbus Defence and Space puis testé dans les différents centres d'essais européens - dont l'Estec (le centre technique de l'Esa), celui de IABG, en Allemagne, pour les essais magnétiques, et enfin Instepace, en France, pour les essais du système de propulsion. Le satellite sera finalement de retour sur le site de Toulouse pour les essais fonctionnels finaux avant départ pour la campagne de lancement à Kourou, en Guyane.