Éclaté de la sonde Rosetta. Les senseurs stellaires sont les deux cônes qui pointent vers les étoiles, tout en haut de l’éclaté. La centrale inertielle et les roues de réaction n'apparaissent pas à l'image. © Esa

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Rosetta : le système de navigation, la clé du succès de la mission

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Juste après le superbe atterrissage de Philae sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, intéressons-nous au système de navigation de Rosetta. Si Philae embarque une seule roue à inertie, la sonde, construite par Airbus Defence and Space, dispose de nombreux senseurs et actionneurs pour naviguer autour et à proximité de la comète.

La navigation de Rosetta est une des particularités de la mission. Son voyage de dix ans et les six milliards de kilomètres parcourus ont été ponctués de nombreuses corrections de trajectoire et l'on ne compte plus les courbes, triangles et autres formes géométriques sans nom qu'elle décrit depuis son rendez-vous avec la comète.

Il était impossible d'envisager une mise en orbite immédiate, d'autant qu'on ignorait à quelle altitude celle-ci pouvait s'établir. La sonde a donc été contrainte de suivre la comète en adoptant des trajectoires complexes et en effectuant des ajustements fréquents. Depuis la Terre, la masse de la comète et l'intensité de son champ gravitationnel ne peuvent être mesurés. Pour l'approche, les responsables du vol ont donc élaboré une trajectoire très particulière, une sorte de spirale triangulaire. Aujourd'hui, l'orbite stable et circulaire se situe à environ trente kilomètres d'altitude.

Rosetta a été conçue et réalisée pour l'Agence spatiale européenne autour d'une plateforme spécifique par Airbus Defence and Space (anciennement Astrium), qui a également fourni le système de navigation. Pour nous en parler, Vincent Guillaud, directeur de l'ingénierie des satellites d'observation et scientifiques du site toulousain d'Airbus, avec qui nous nous étions entretenus au début de l'année lors du réveil de la sonde.

Une navigation au cordeau

Le système de navigation de la sonde se compose « de senseurs, d'actionneurs et de petits moteurs de propulsion ». Dans les senseurs, on trouve une centrale à inertie (gyroscopes et accéléromètres) et deux senseurs d'étoiles utilisés pour que la sonde se repère par rapport à celles-ci. Par hybridation, ces deux types de senseurs permettent à chaque instant de connaître l'attitude de la sonde et donc de « pointer correctement les panneaux solaires vers le Soleil, l'antenne de communication vers la Terre et les instruments de Rosetta vers la comète ». Notez qu'avec les articulations dont dispose Rosetta, il est possible de pointer concomitamment tous ces équipements.

S'il réussit, l'atterrissage de Philae devra beaucoup au système de navigation de Rosetta qui aura placé les pattes du robot en parallèle à la surface de la comète, à l'endroit ciblé. © Esa

Quant aux actionneurs, la sonde embarque quatre roues de réaction: « elle a besoin de seulement trois, une quatrième est en redondance ». Ces roues sont utilisées, par échange de moments cinétiques, pour contrôler l'attitude. L'autre élément est le système de propulsion bi-liquide avec 24 tuyères d'une dizaine de newton qui « permet de réaliser les manœuvres delta V de changement d'orbite », par exemple pour le rendez-vous entre le mois de mai et le mois d'août. « Manœuvres pendant lesquelles il a été nécessaire de freiner d'environ 750 mètres par seconde ». À ces grandes manœuvres s'ajoutent d'autres délicates faites à proximité de la comète, dont celle réalisée aujourd'hui pour « placer Rosetta sur la trajectoire d'éjection de Philae qui fera un demi-mètre par seconde ».

Le système de navigation embarque également un logiciel, seulement utilisé pour « contrôler l'attitude de la sonde et pas pour la navigation ». Rosetta ne fait pas elle-même son calcul de trajectoire; le pointage est autonome mais « l'estimation de la position par rapport a la comète et le calcul de l'orbite sur laquelle Rosetta est effectivement placée se fait depuis le sol », au centre des opérations de l'Agence spatiale européenne à Darmstadt en Allemagne (ESOC) « à partir des informations que la sonde donne ».

Se repérer aux étoiles au milieu des poussières

Au lancement, la sonde embarquait 1.600 kilogrammes d'ergols, alors que son poids total en charge faisait trois tonnes : « plus de la moitié de la masse était constituée de carburant »! Aujourd'hui, les réservoirs sont pratiquement vides: il doit rester moins de 100 kg d'ergols ». C'est toutefois suffisant pour remplir la mission pendant l'année qui vient autour de la comète. Aujourd'hui, chaque manœuvre autour de la comète ne consomme guère plus que quelques dizaines de grammes. »

La mise au point de ce système de navigation n'a pas été simple. « Il a été nécessaire d'adapter les logiciels à l'environnement poussiéreux autour de la comète et de la sonde. » Le danger étant que des grains soient susceptibles de réfléchir la lumière solaire avec comme risque « qu'ils constituent de fausses étoiles pour les senseurs d'étoiles ». Les logiciels ont été adaptés à cette contrainte pour que les senseurs ne captent que la lumière des vraies constellations.

Autre difficulté, la « multitude des modes d'attitude qu'il a fallu définir et concevoir spécifiquement pour cette mission » : tout au long de ces dix années de voyage à destination de sa cible, le pilotage de Rosetta a consisté en « des modes de changement d'attitude rapides » lors du survol des astéroïdes Steins (septembre 2008) et Luttetia (juillet 2010) et des quatre manœuvres d’assistance gravitationnelle pendant lesquels la sonde « devait rester pointée vers l'objet visé pendant le survol et cela avec des vitesses de près de 58.000 kilomètres par heure et des vitesses de rotation non constantes et rapides ». À cela s'ajoutent « des modes d'attitudes autonomes et inertiels spécifiques à la phase d'hibernation ».

Deux échelles de vitesse

Il faut savoir que les manœuvres que réalise la sonde « se font à des vitesses relatives très faibles », de l'ordre du mètre par seconde, alors que Rosetta et la comète voyagent à près de 60.000 kilomètres par heure autour du Soleil ! Ainsi, quand la sonde est en orbite à seulement dix kilomètres de la surface de Churyumov-Gerasimenko, la période de révolution est de trois jours alors que la comète mesure seulement 4 km !

Cette avionique de Rosetta a par la suite été dans son principe réutilisée pour les sondes Mars Express et Venus Express, deux autres missions de l'Esa toujours en activité. Elle le sera de nouveau sur la future mission BepiColombo à destination de Mercure.

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