Mars Express

Mars Express

Vue d'artiste de la sonde Mars Express

Caractéristiques

Organisation	ESA
Domaine	Observation de Mars
Masse	1 042 kg
Lancement	2 juin 2003 à 17h45 UTC
Lanceur	Soyouz
Fin de mission	En opération

Orbite

Orbite	Orbite centrée sur Mars depuis le 25 décembre 2003
Périapside	298 km
Apoapside	10 107 km
Période	6,7 h
Inclinaison	86,3°

Informations générales

Index NSSDC	2003-022A
Site	[1]

Principaux instruments

HRSC	Caméra stéréoscopique haute résolution
OMEGA	Spectromètre opérant dans le visible et le proche infrarouge
MARSIS	Radar
SPICAM	Spectromètre opérant dans l'ultraviolet et l'infrarouge
ASPERA	Capteur de particules
PFS	Spectromètre infrarouge
MaRS	Expérience de radioscience

Mars Express est une sonde spatiale de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) lancée le 2 juin 2003 pour étudier la planète Mars. Il s'agit de la première mission d'exploration d'une autre planète du système solaire lancée par l'Agence européenne. Sa mission est de recueillir des données sur la surface, l'atmosphère, l'ionosphère et le sous-sol de la planète. La sonde comprend un orbiteur et un petit atterrisseur, Beagle 2, chargé de se poser sur la surface et de déceler d'éventuelles traces de vie.

Mars Express est développée dans un laps de temps relativement court en reprenant en partie l'architecture de la sonde sonde Rosetta tandis que cinq des sept instruments ont été développés pour la sonde soviétique Mars 96. Elle est lancée le 2 juin 2003 par une fusée Soyouz et se place en orbite autour de Mars le 25 décembre de la même année. Toute trace de Beagle 2 est perdue peu après sa séparation avec la sonde principale.

Mars Express a obtenu de nombreux résultats scientifiques : confirmation de présence d'eau liquide à la surface de Mars par le passé, détermination de la nature des calottes polaires et estimation du volume d'eau stockée, composition de l'atmosphère martienne et interactions de celle-ci avec le vent solaire, observation du cycle saisonnier de l'eau, cartographie tridimensionnelle des reliefs, détection de roches démontrant l'existence passée de phénomènes d'érosion. La mission d'une durée initiale de 23 mois a été prolongée à plusieurs reprises et doit désormais s'achever fin 2014.

Contexte

La mission Mars Express

Objectifs scientifiques

Les objectifs de la mission sont^[1]. :

• Dresser une carte en couleur et en relief de la surface de la planète avec une résolution de 10 mètres par pixel et pour des zones choisies de 2 mètres par pixel
• Réaliser une carte fournissant la composition minéralogique de la surface avec une résolution de 100 mètres par pixel
• Localiser à l'aide d'un radar la présence d'éventuelles poches d'eau ou de glace dans le sous-sol de Mars
• Déterminer la composition de l'atmosphère et les processus en jeu : échanges avec la surface, le vent solaire et le milieu interplanétaire
• Déterminer le champ de gravité de la planète et les propriétés diélectriques de la surface de la planète
• Identifier des traces de vie passées ou présentes (atterrisseur Beagle 2)

Profil de la mission

La sonde a été lancée en 2003 pour profiter d'une configuration particulièrement propice qui ne se reproduit que tous les 15 à 17 ans et qui permet à la sonde de rejoindre Mars en 7 mois au lieu des 9 à 12 mois habituels. Cinq jours avant de manœuvrer pour s'insérer en orbite autour Mars, l'atterrisseur Beagle 2 est largué sur une trajectoire qui doit lui permettre d'effectuer une rentrée atmosphérique dans la planète. La sonde utilise peu après son moteur principal pour s'insérer après plusieurs manœuvres sur une orbite polaire elliptique (250 x 10142 km) d'inclinaison 86°35' qu'elle parcourt en 6,75 heures^[2]. Il aurait été préférable que l'orbite soit circulaire pour établir des cartes. Pour cela il aurait fallu soit embarquer beaucoup plus de carburant avec une augmentation sensible du coût de la mission ou avoir recours à l'aérofreinage mais seule la NASA maitrise cette technique très délicate mise en œuvre par Mars Global Surveyor et Mars Odyssey^[3].

La durée nominale de la mission de l'orbiteur était d'une année martienne, soit 687 jours terrestres, et elle devrait ainsi prendre fin le 30 novembre 2005. Le prolongement de la mission d'une année martienne jusqu'au 31 octobre 2007 est prévu dès le départ car un surplus de carburant a été emporté^[4].

L'atterrisseur Beagle 2 doit se poser sur Isidis Planitia, un bassin sédimentaire qui pourrait avoir préservé les traces d'une éventuelle vie. Le lieu d'atterrissage (11,6°N, 90,75°E) a été également choisi car il est situé à une altitude suffisamment basse pour permettre de limiter l'épaisseur de l'isolation thermique nécessaire, donc sa masse, et assez dans une atmosphère assez dense pour que les parachutes le freine efficacement. Le site n'est pas trop rocheux et comporte peu de dénivelés importants ce qui limite le nombre de rebonds qu'aura a subir Beagle 2 sur ses coussins gonflables (« airbags »). Le tout réduit les risques à l'atterrissage^[4].

Caractéristiques techniques de la sonde

La structure centrale de la sonde a la forme d'un parallélépipède de 1,5 m × 1,8 m × 1,4 sur laquelle se greffent les différents équipements externes. Sur une de ses faces est placée une antenne grand gain et sur deux autres, les deux panneaux solaires. La structure est réalisée en nid d'abeille d'aluminium. Sa masse au décollage était de 1 052 kg dont 427 kg de carburant et 60 kg pour l'atterrisseur Beagle 2. Le contractant principal de Mars Express est la société EADS Astrium, à Toulouse. Le lancement a été effectué par la société russo-européenne Starsem chargée de la commercialisation des lanceurs Soyouz.

Énergie électrique

L'énergie électrique est fournie par deux panneaux solaires qui se déploient peu après que la coiffe du lanceur Soyouz a été éjectée. Ils ont une surface totale de 11,42 m² et fournissent 650 Watts lorsque Mars se trouve à son point le plus éloigné du Soleil. Cette capacité est suffisante pour la consommation de l'instrumentation scientifique et des équipements chargés de maintenir la sonde en état de marche qui culmine à 500 Watts durant les échanges de données avec la Terre. Les panneaux solaires sont orientables pour permettre de maintenir leur surface perpendiculaire aux rayons du Soleil. En parcourant son orbite la sonde subit périodiquement des éclipses de Soleil d'une durée de 90 minutes durant lesquelles trois batteries lithium-ion d'une capacité totale de 67,5 Ah prennent le relais^[6].

Propulsion

Le moteur-fusée principal de la Mars Express est utilisé pour placer la sonde sur son orbite martienne. Il consomme des ergols liquides contenus dans deux réservoirs de 267 litres. Le mélange est mis sous pression grâce à un réservoir d'hélium pressurisé de 35 litres et fournit une poussée de 400 newtons. Pour les corrections de trajectoire la sonde dispose de 8 petits moteurs-fusées pouvant délivrer une poussée de 10 newtons qui sont fixés aux quatre coins de la plateforme de la sonde et utilisent les mêmes carburants que le moteur principal. En cas de défaillance du propulseur principal, les fusées pouvaient également être utilisées pour satelliser Mars Express, sans lui permettre d'atteindre son orbite de travail. Le développement des moteurs d'appoint a été réalisé dans le cadre de la mission Cluster^[6].

Contrôle d'attitude

Mars Express est stabilisé 3 axes. Pour ses communications avec les stations sur Terre, la précision du pointage doit être de 0,15°. Celle-ci est obtenue à l'aide de plusieurs équipements :

• Deux senseurs stellaires, dont les capteurs sont analogues à de petits télescopes, permettent de déterminer l'orientation de la sonde en identifiant automatiquement les configurations d'étoiles visibles,
• Trois gyromètres à fibre optique (un pour chaque axe de la sonde) développés pour la sonde Rosetta déterminent les vitesses de rotation radiales de la sonde,
• Deux senseurs solaires également développés pour Rosetta sont utilisés par la sonde pour s'orienter par rapport au Soleil juste après le lancement et si la sonde subit une désorientation importante.

Les petites corrections d'orientation sont effectuées à l'aide de roues de réaction : ces équipements sont utilisés pour contrôler l'orientation lorsque la sonde fait fonctionner ses moteurs ou pour maintenir l'antenne ou les instruments scientifiques pointés vers leur cible tout au long de l'orbite^[7].

Télécommunications

Lorsque Mars Express entame son transit vers Mars, elle utilise une antenne faible gain de 40 cm placée sur l'une des faces de la plateforme. Pour ses échanges de données avec la Terre, la sonde dispose d'une antenne parabolique grand gain de 1,6 mètre de diamètre. Au cours de sa révolution autour de Mars qui dure 7,5 heures, la sonde pointe son antenne durant 6 heures vers la Terre ce qui lui permet d'envoyer et de recevoir des données. Durant l'heure et demi restante, la sonde pointe son antenne vers la surface de Mars ce qui permet aux instruments scientifiques de collecter leurs données. Durant cette phase elle peut relayer vers la Terre des données venues du sol martien qu'elle recueille grâce à deux antennes UHF. Ce dispositif prévu pour récupérer les données scientifiques de Beagle 2 a été utilisé pour communiquer avec les rovers MER de la NASA. Le système de télécommunication utilise la bande X (7.1 GHZ) pour envoyer des données vers la Terre avec une débit qui peut atteindre 230 kbits/s et la bande S pour recevoir des instructions. Lorsque les données ne peuvent pas être envoyées immédiatement aux stations terrestres, elles sont stockées provisoirement dans une mémoire d'une capacité de 12 Gigabits^[7].

Contrôle thermique

La majeure partie des composants internes de la sonde doivent être maintenus dans une température comprise entre 10 et 20 °C ce qui est obtenu en entourant le corps de la sonde par des couches de matériau isolant réalisé en alliage d'aluminium recouvert d'une mince couche d'or. Certains équipements tels que les panneaux solaires et l'antenne grand gain ne peuvent pas être protégés et sont portés à des températures de 150 °C lorsqu'ils sont exposés au Soleil et à -100 °C lorsqu'ils se trouvent à l'ombre. Dans ces conditions il est important qu'ils ne se déforment pas lorsque la température varie : à cet effet ils sont réalisés en composite carbone. Les instruments PFS et OMEGA doivent être maintenus à une température de -180 °C et les capteurs des caméras doivent également restés à une température extrêmement basse. Ces équipements sont isolés du reste de la sonde et sont reliés à des radiateurs situés sur une face qui n'est pas exposée au Soleil ce qui permet d'évacuer la chaleur dans l'espace dont la température est de -270 °C^[8].

Instruments scientifiques

La charge utile de l'orbiteur est constituée de 7 instruments d'une masse totale de 116 kg :

1. ASPERA (Analyser of Space Plasmas & EneRgetic Atoms) est un instrument qui permet d'analyser les particules chargées et neutres autour de la planète Mars. L'objectif est de comprendre comment les particules du vent solaire interagissent avec l’atmosphère martienne et par quel mécanisme le vent solaire éjecte les particules de l'atmosphère dans le milieu interstellaire. Il est développé par l'Institut suédois de physique spatiale de Kiruna^[9] avec une participation française;
2. HRSC (High Resolution Stereo Camera) est une caméra produisant des images en 3D en couleur en haute résolution (de 10 mètres par pixel pouvant aller jusqu'à 2 mètres par pixel). Elle est fabriquée par l'Université libre de Berlin et la DLR. HRSC cartographie la surface de Mars. Par stéréographie, la caméra est également capable de fournir des données topographiques et ainsi permettre la réalisation de Modèles Numériques de Terrain (MNT) avec une précision supérieure à celle de Mola, le laser altimètre américain embarqué sur MGS^[10] ;
3. OMEGA (Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité) est un spectromètre opérant dans le proche infrarouge et les micro-ondes (gamme de longueurs d'onde de 350 µm à 5,2 mm). Il étudie la composition minéralogique de surface et la distribution de certains composés de l'atmosphère et a été conçu par l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay^[11] ;
4. PFS (Planetary Fourier Spectrometer) est un spectromètre infrarouge développé par l'Institut de physique de l'espace interplanétaire de Rome (Italie) optimisé pour l'étude des différents composants de l'atmosphère martienne que sont le dioxyde de carbone (95%), l'eau, le monoxyde de carbone, le méthane et le formaldéhyde^[12] ;
5. MaRS (Mars Radio Science) est un instrument de l'université de Cologne de radioscience, utilisant le système radio de l'orbiteur pour étudier l'ionosphère, l'atmosphère, la surface et le sous-sol de Mars^[13] ;
6. MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) est un radar destiné à la détection de présence d'eau sous forme liquide ou solide sous la surface martienne jusqu'à une profondeur de 3 à 4 km. Il est réalisé par l'université de Rome « La Sapienza »^[14] ;
7. SPICAM (SPectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars) est un spectromètre opérant dans l'ultraviolet et l'infrarouge, mesurant le taux d'ozone et de vapeur d'eau de l'atmosphère. Il est conçu par le service d'aéronomie du CNRS de Verrières-le-Buisson en France^[15].

Le contrôle au sol

La salle de contrôle à l'ESOC.

Le contrôle de la mission est assuré par le Centre européen d'opérations spatiales (ESOC). La salle de contrôle, nommée « salle de contrôle des missions planétaires » (en anglais Planetary missions control room), est partagée avec les missions Rosetta et Vénus Express. L'équipe de contrôle est constituée d'un manager des opérations (Spacecraft Operations Manager), de 8 ingénieurs d'opérations (Spacecraft Operations Engineers), de 3 planificateurs (Mission Planners), d'un analyste (Spacecraft Analyst) et de 5 contrôleurs (Spacecraft Controllers) ; formée 4 ans avant le lancement, elle utilise le logiciel SCOS-2000. Celle-ci est secondée par plusieurs autres équipes chargées par exemple du support informatique ou du calcul de la trajectoire.

L'atterrisseur est contrôlé par l'agence spatiale Britannique au LOCC (Lander Operations Control Centre) depuis Leicester.

La sonde passe une partie de chaque orbite tournée vers Mars et une partie tournée vers la Terre pour transmettre à 230 kb/s les informations collectées (entre 0,5 et 5 Go par jour), comme Venus Express^[16]. Après 6 mois environ, les données scientifiques sont transmises au Centre européen d'astronomie (ESAC) et stockées dans le Mars Express science data archive. Les antennes utilisées pour communiquer avec la sonde sont celles de New Norcia, en Australie, et de Cebreros en Espagne^[17] ; toutes deux mesurant trente-cinq mètres de haut et étant conçues pour pouvoir communiquer avec les sondes les plus éloignées.

L'atterrisseur Beagle 2

Réplique de Beagle 2

Beagle 2 est un atterrisseur de très petite taille (68,8 kg) pour pouvoir être lancé par le lanceur Soyouz avec la sonde Mars Express. Il a la forme d'une soucoupe de 92,4 cm de diamètre et de 52,4 cm de haut^[18]. Il comporte^[19] :

• un bouclier avant et arrière chargé de le protéger durant la rentrée atmosphérique à grande vitesse,
• un parachute et des coussins gonflables (« airbags ») qui doivent lui permettre de se poser intact sur le sol martien
• la capsule destinée à arriver sur le sol qui renferme les instruments scientifiques et l'équipement qui doit permettre de survivre et de transmettre les données recueillies.

Cette dernière a un diamètre de 64 cm pour une hauteur de 23 cm et pèse 33,2 kg^[18]. Elle renferme une bras mobile sur lequel sont fixés les instruments : une meuleuse, une foreuse qui permet de prélever un échantillon de sol jusqu'à 3 mètres de l'atterrisseur, une paire de caméras, un microscope, un spectromètre Mössbauer et un spectromètre à rayons X. Un spectromètre de masse installé au sein de la capsule est chargé de mesurer les proportions des différents isotopes de carbone dans l'échantillon de sol ramené par le bras : ces analyses doivent permettre de déterminer si l'échantillon contenait les restes d'organismes vivants. Enfin plusieurs capteurs doivent permettre de mesurer les caractéristiques de l'environnement : température, pression, vent, poussière, flux ultraviolet. La charge utile est extrêmement miniaturisée puisque sa masse totale est de 11,4 kg^[20].

Une fois la capsule parvenue sur le sol martien, la capsule s'ouvre comme une huitre et déploie quatre panneaux solaires à l'arséniure de gallium qui fournissent 87 Watts lorsque le Soleil est au plus haut. L'énergie électrique est stockée dans une batterie lithium-ion^[21]. Une antenne installée dans le couvercle de la capsule permet de communiquer avec un débit de 2 à 128 Kbits par seconde avec la Terre par l'intermédiaire de l'orbiteur^[22].

Chronologie

Lancement et transit vers Mars (juin à décembre 2003)

Mars Express est lancée le 2 juin 2003 à 17 h 45 UTC, par un lanceur Soyouz doté d'un 4^e étage supérieur Fregat, depuis le Cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan. La sonde et l'étage supérieur sont placés d'abord sur une orbite d'attente de 200 km puis 1 heure 20 plus tard l'étage Fregat est rallumé et injecte la sonde sur une orbite de transfert vers Mars. Mars Express entame un périple de 400 millions de km en s'éloignant de la Terre à 3 km/s mais avec une vitesse de 32,4 km/s dans le référentiel héliocentrique. La trajectoire de la sonde et sa vitesse sont alors établies avec précision en mesurant le temps mis par des signaux émis par plusieurs stations au sol pour être renvoyés. Deux jours après le lancement, le 4 juin, les petits moteur-fusées de Mars Express sont utilisés pendant quelques minutes pour affiner la trajectoire. Au cours du premier mois du transit vers Mars le fonctionnement des instruments scientifiques est vérifié puis ceux-ci sont éteints. Durant le reste du transit vers Mars la sonde poursuit sa route en envoyant régulièrement des données permettant au contrôle au sol de vérifier son fonctionnement. A deux reprises la caméra HSRC est activée pour prendre en photo la Terre et la Lune puis de Mars à chaque fois à une distance de 5,5 millions de km. Une deuxième manœuvre de correction a lieu en septembre. En novembre, un mois avant le rendez-vous avec Mars, la sonde utilise ses petits moteurs-fusées pour modifier sa trajectoire de manière à ce que l'atterrisseur Beagle qui est dépourvu de propulsion puisse atteindre Mars et se poser sur le site visé. Le 19 décembre 2003, cinq jours avant le rendez-vous avec Mars, le module Beagle 2 est désolidarisé de la sonde par un dispositif pyrotechnique et s'éloigne repoussé par un mécanisme qui comprend un ressort et qui met l'atterrisseur en rotation pour stabiliser sa trajectoire^[5],[23].

Insertion en orbite martienne

Le 20 décembre la sonde effectue une petite correction de trajectoire. Le 25 décembre la propulsion principale est utilisée durant 37 minutes et freine la sonde de 1,3 km/s pour l'insérer sur une orbite elliptique de 250 x 150 000 km avec une inclinaison de 25°. Les jours suivants de petites corrections sont apportées à cette orbite puis le 30 décembre une correction plus importante place la sonde sur son orbite de travail : c'est une orbite polaire avec une inclinaison de 86° un périgée de 298 km et un apogée 10 107 km. Sur l'orbite choisie la sonde effectue un passage proche de Mars en longeant la surface d'un pôle à l'autre durant lequel elle fait fonctionner ses instruments scientifiques puis elle s'éloigne de Mars et après avoir tourné son antenne vers la Terre envoie les données recueillies. La première phase dure de 0,5 à 1 heure tandis que la période de communications avec la Terre s'étale sur 6,5 à 7 heures. A chaque nouvelle passe la sonde longe une latitude légère différente : la distance entre les traces au sol de deux passages est légèrement inférieure à la largeur du balayage de la caméra haute définition^[5],[24].

L'échec de Beagle 2

L'atterrisseur Beagle 2 ne dispose pas pour des raisons de poids d'équipements radio lui permettant d'envoyer des données sur sa situation après sa séparation avec l'orbiteur. La première émission radio doit être émise après son atterrissage sur le sol martien qui doit se produire le 25 décembre à 3h40. La sonde Mars Odyssey qui doit survoler le site vers 5h30 dispose d'un équipement de réception radio lui permettant de recevoir le signal de Beagle 2. Aucun signal ne sera capté par Mars Odyssey lors de son passage ni plus tard^[25],[26].

Premiers résultats

Le 23 janvier 2004, la sonde confirme l'existence d'eau sous forme de glace au pôle sud grâce aux instruments « Omega » et « Spicam ».

Déploiement de Marsis (2005)

Lors de la conception de SHARAD, une version améliorée du radar MARSIS qui sera embarqué à bord de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), des simulations informatiques ont mis en évidence que le déploiement de MARSIS pourrait endommager la sonde en se déployant trop rapidement. Il a donc été décidé en avril 2004 de reporter la mise en service de MARSIS. Après enquête, le déploiement des 3 antennes radar constituant MARSIS se fait avec plus d'un an de retard, le 17 juin 2005. Mais après l'échec de nombreuses missions martiennes (Mars 96, Mars Climate Orbiter, Mars Polar Lander et Nozomi), l'ESA ne voulait prendre aucun risque avec une mission qui avait fait jusque-là un quasi-sans faute. Le radar a été mis en fonction le 19 juin et, après une période de tests, il devrait commencer ses premières véritables observations scientifiques le 4 juillet.

Le 13 septembre 2005, une commission d'enquête est créée pour faire la lumière sur la cause du mauvais fonctionnement du spectromètre PFS depuis plusieurs mois. Des vibrations de la sonde dues à son activité ont été avancées pour expliquer la cause du mauvais fonctionnement, sans pouvoir en déterminer l'origine avec précision.

Prolongation de la mission

Le 28 septembre 2005, l'ESA annonce une première prolongation de la mission de 687 jours, ce qui correspond à une année martienne^[27]. Une deuxième prolongation est annoncée le 28 février 2007^[28], ce qui porte la fin de la mission à mai 2009. Une nouvelle prolongation est décidée en février 2009 pour repousser la fin de la mission à la fin de cette même année mais le 2 octobre 2009, le Comité de Programme Scientifique de l'ESA prolonge la mission MARS EXPRESS jusqu'au 31 décembre 2012.

Survol de Phobos (2009)

Le 3 mars 2010, la sonde européenne est passé à 67 km de Phobos. L’objectif de ce passage à basse altitude était la mesure précise du champ de gravité très faible de Phobos.

Résultats scientifiques

À la recherche de la présence passée d'eau liquide

Trouver d'éventuelles traces de vie

En mars 2004, le spectromètre FPS détecte la présence de petites quantités de méthane dans l'atmosphère. La présence de ce gaz, qui a une durée de vie sur Mars de 440 ans s'il n'est pas renouvelé, est intrigante à plus d'un titre. Car il ne peut avoir que deux origines, volcanique et bactériene.

Notes

Références

Annexes

Bibliographie

Articles connexes

• Exploration de la planète Mars
• Venus Express et Rosetta

Autres missions martiennes 

• Mariner 4 (NASA)
• Viking 1 et Viking 2 (NASA)
• Mars Pathfinder (NASA)
• Mission Mars Exploration Rover (NASA)
• Mission Mars Reconnaissance Orbiter (NASA), lancée le 12 août 2005

Liens externes

• (en) Site officiel de l'Agence Spatiale européenne
• (fr) Page dédiée sur le site de l'agence spatiale française CNES
• (fr) Dossier sur la mission sur le site nirgal.net de Philippe Labrot
• (en) Fiche dans le catalogue de la NASA

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Installations au sol	Base de lancement de Kourou • Centre européen d'opérations spatiales (ESOC) • Centre européen de technologie spatiale (ESTEC) • Institut européen de recherches spatiales (ESRIN) • Centre des astronautes européens (EAC) • Centre d'astronomie spatiale européen • Esrange (Suède) • Institut européen de Politique Spatiale (ESPI) • European Space Tracking (ESTRACK)
Programmes	Programme Aurora • Cosmic Vision • Programme Living Planet • GMES • Programme Orfeo • ARTES
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