Mars Science Laboratory

Mars Science Laboratory

Vue d'artiste du rover MSL.

Caractéristiques

Organisation	NASA
Domaine	Étude in situ de Mars.
Masse	900 kg (rover)
Lancement	25 novembre 2011
Lanceur	Atlas V 541
Début de mission	Août 2012
Durée de vie	2 ans
Autres noms	Curiosity

Informations générales

Site	NASA Site JPL

Principaux instruments

MastCam	Caméras spectromètres
MAHLI	Caméra microscope
APXS	Spectromètre à rayons X et particules alpha
ChemCam	Ensemble comprenant un spectromètre laser (LIBS)
CheMin	Diffractomètre et spectromètre fluorescence X
SAM	Laboratoire analyse chimique
RAD	Détecteur de radiations
DAN	Détecteur de neutrons
REMS	Station météorologique
MARDI	Caméra de descente

Une maquette du rover MSL placée à côté du rover Spirit qui donne l'échelle.

Comparaison des roues d'Opportunity, de Sojourner et du rover MSL.

Mars Science Laboratory (MSL) est une mission d'exploration de la planète Mars à l'aide d'une astromobile (rover) développée par le centre JPL de l'agence spatiale américaine de la NASA. La sonde spatiale doit être lancée en 25 novembre 2011 par une fusée Atlas V. Le site d'atterrissage, que la sonde doit atteindre en août 2012, se situe dans le cratère Gale dont le sol reflète les principales périodes géologiques de la planète et pourrait avoir préservé les traces d'anciens organismes vivants si ceux-ci ont réussi à faire leur apparition. Au cours de sa mission le rover, baptisé Curiosity, va rechercher des traces de vie, analyser la composition minéralogique, étudier la géologie de la zone explorée et collecter des données sur la météorologie et les radiations qui atteignent le sol de la planète. La durée de la mission est fixée initialement à deux années terrestres et le rover est conçu pour parcourir 20 km.

Curiosity est cinq fois plus lourd que ses prédécesseurs, les rovers MER, ce qui lui permet d'emporter 85 kg de matériel scientifique dont deux mini laboratoires permettant d'analyser les composants organiques et minéraux ainsi qu'un système d'identification à distance de la composition des roches reposant sur l'action d'un laser. Les laboratoires embarqués sont alimentés par un système sophistiqué de prélèvement et de conditionnement d'échantillon comprenant une foreuse. Pour répondre aux besoins accrus d'énergie et s'affranchir des contraintes de l'hiver martien et des périodes nocturnes, le rover utilise un générateur thermoélectrique à radioisotope qui remplace les panneaux solaires utilisés dans les précédentes missions de ce type. Enfin il bénéficie de logiciels évolués pour naviguer sur le sol martien et exécuter les taches complexes qui l'attendent.

La sonde spatiale au départ de la Terre a une masse de 3,4 tonnes et comprend un étage de croisière chargé d'amener la sonde jusqu'à proximité de la planète Mars, un véhicule de rentrée qui assure la traversée de l'atmosphère martienne à grande vitesse, un étage de descente chargé de la dernière phase aboutissant à l'atterrissage. Pour parvenir à poser le rover de 900 kg sur le sol martien avec la précision demandée par les objectifs scientifiques, la technique d'atterrissage utilisée par ses prédécesseurs a été profondément modifiée : la phase de rentrée atmosphérique est en partie pilotée et le rover est déposé en douceur sur le sol par un étage de descente fonctionnant à la manière d'un hélicoptère-grue.

MSL constitue la mission interplanétaire de la NASA la plus ambitieuse de la décennie. La complexité de la sonde et du rover ainsi que la nécessité de mettre au point de nouvelles technologies spatiales ont entrainé des modifications importantes du concept de départ durant le développement : les dépassements de cout qui en ont résulté ont failli entrainer l'annulation de tout le projet. Le lancement prévu initialement en 2009 a dû être repoussé à la fenêtre de lancement suivante 26 mois plus tard en 2011. Le coût total du projet est évalué en 2011 à 2,5 milliards de dollars US.

Contexte

Depuis le début de l'exploration spatiale la planète Mars constitue l'objectif favori des missions interplanétaires lancées dans le système solaire. Contrairement aux autres planètes du système solaire, Mars a par le passé connu des conditions assez proches de celles régnant sur Terre qui ont pu, mais cela reste à confirmer, permettre l'apparition de la vie ; elle conserve une atmosphère et de l'eau à sa surface ; sa proximité permet d'y envoyer relativement facilement des sondes spatiales. Il existe également une motivation moins rationnelle aux missions martiennes : Mars constitue une destination incontournable si l'humanité doit se lancer dans un programme spatial habité ambitieux et dans cette perspective, il est nécessaire d'effectuer des missions de reconnaissance. Sur le plan scientifique l'exploration de Mars a aujourd'hui trois objectifs : comprendre la genèse de la planète et son évolution, reconstituer l'histoire de son climat et identifier si Mars peut abriter la vie ou si elle l'a abrité par le passé. Les réponses à ces trois questions sont susceptibles de nous aider à comprendre notre propre planète ^[1].

La NASA a envoyé au cours des dernières décennies vers Mars des missions robotiques de plus en plus complexes qui souvent été couronnées de succès sans pour autant apporter des réponses définitives aux principales interrogations scientifiques. Les engins spatiaux qui ont permis de collecter l'essentiel de ces données sont des orbiteurs capables, grâce à des instruments d'une sophistication croissante, d'observer à la fois la surface de l'ensemble de la planète, son atmosphère ainsi que dans une certaine mesure son sous-sol. Les atterrisseurs (fixes) et les rovers mobiles, capables de circuler sur le sol, jouent dans ces découvertes un rôle plus modeste : ils sont essentiellement chargés de valider sur le terrain les déductions tirées des observations des orbiteurs. MSL est le dernier représentant de la série d'engins de la NASA qui sont parvenus à se poser sur le sol martien : il prend la suite des deux atterrisseurs Viking statiques qui ont tenté d'identifier des traces du vivant (1975), de l'atterrisseur Pathfinder (1996) qui pour la première fois a mis en œuvre un rover de taille modeste (10,6 kg), des rovers MER (2003) de 174 kg qui sont les premiers à avoir effectué un véritable travail de géologue sur le terrain avec toutefois une palette d'instruments limitée par les contraintes de poids et enfin de l'atterrisseur statique Phoenix (2008) charger d'étudier la région du pôle Nord martien.

Poser un engin sur le sol martien est un exercice difficile comme l'ont démontré les échecs de trois engins soviétiques et plus récemment de Mars Polar Lander (1998) et Beagle 2 (2003). Mars a en effet une gravité forte si on la compare à la Lune ; par ailleurs les sondes spatiales pour parvenir jusqu'à la planète doivent arriver à grande vitesse (environ 5 à 6 km/s). Réduire la vitesse d'arrivée tout en annulant l'action de la gravité est un exercice difficile car l'atmosphère martienne mise à contribution est ténue et de faible épaisseur. Un recours important au freinage à l'aide de moteurs-fusées comme cela s'est pratiqué sur la Lune est exclus car la masse à lancer serait hors de portée des fusées existantes et le coût serait prohibitif. Avec les lanceurs actuels en s'appuyant sur la technique du freinage atmosphérique et avec les techniques maîtrisées au moment de la conception du rover, il n'est pratiquement pas possible d'acheminer plus d'une tonne sur le sol martien c'est-à-dire le poids du rover de Mars Science Laboratory^[2].

A la demande de la NASA, un groupe de travail représentant la communauté scientifique internationale, le Mars Science Program Synthesis Group, produit en 2003 un livre blanc définissant les orientations à donner à l'exploration martienne pour la décennie 2010-2020. Le retour d'un échantillon du sol martien sur Terre constitue un objectif prioritaire mais, pour des raisons de faisabilité technique et financière, aucune mission de ce type n'est programmé immédiatement. Le rover Mars Science Laboratory, dont le lancement à l'époque est déjà prévu par la NASA, joue un rôle central dans ces plans à long terme : MSL doit étudier la chimie du carbone sur la planète, fournir des données dépourvues d’ambiguïté sur la géologie martienne et étudier les dépôts hydrothermaux. Les résultats obtenus conditionnent le contenu des missions suivantes^[3].

Les objectifs de la mission MSL

La mission Mars Science Laboratory poursuit quatre objectifs principaux^[4] :

• déterminer si la vie a pu exister sur Mars ;
• caractériser le climat de Mars ;
• préciser la géologie de Mars ;
• préparer l'exploration humaine de la planète rouge.

Dans cette optique, et particulièrement du point de vue de l'habitabilité de la planète, Mars Science Laboratory devra travailler selon huit axes principaux^[5],[6] :

1. Recenser les composés organiques présents à la surface de Mars et établir leur distribution ainsi que leur concentration
2. Quantifier les éléments chimiques fondamentaux de la biochimie : carbone, oxygène, hydrogène, azote, phosphore et soufre
3. Identifier d'éventuelles traces de processus biologiques
4. Caractériser la composition de la surface martienne et des couches superficielles du sol d'un point de vue minéralogique, isotopique et chimique
5. Comprendre les processus de formation et d'altération des sol et des roches sur Mars
6. Déterminer le schéma d'évolution de l'atmosphère de Mars sur les quatre derniers milliards d'années
7. Établir le cycle de l'eau et le cycle du dioxyde de carbone sur Mars ainsi que la distribution actuelle de ces deux molécules sur la planète
8. Mesurer le spectre large des radiations à la surface de Mars issues des rayons cosmiques, des bouffées de protons énergétiques émis par les éruptions solaires ou par les ondes de choc d'éjections de masse coronale, voire des neutrons secondaires issus de réactions de fission nucléaire dans l'atmosphère sous l'effet des rayonnements incidents.

La sélection du site d'atterrissage

Emplacement des quatre sites d'atterrissage finalistes

Le choix du site d'atterrissage de Mars Science Laboratory est crucial pour le succès de la mission. Le site doit présenter un environnement géologique ou un ensemble d'environnement propice à la vie. Il doit permettre de réaliser la plus grande variété d'expériences afin de maximiser le nombre d'axes de recherche pouvant être explorés. Dans l'idéal la région accessible depuis le site d'atterrissage doit présenter des spectres indiquant la présence simultanée de plusieurs minéraux hydratés, par exemple des argiles avec des sulfates hydratés. L'hématite, d'autres oxydes de fer, les sulfates, les silicates, ainsi peut-être que certains chlorures, pourraient avoir permis la fossilisation d'éventuelles formes de vie martiennes^[7].

Les sites susceptibles d'avoir préservé d'éventuelles traces de vie passée, présentent une topographie marquée, offrant ainsi une grande variété d'affleurements et de roches. Les concepteurs de la mission Mars Science Laboratory ont donc dû élaborer un véhicule capable d'atteindre et d'explorer de tels sites en toute sécurité^[8].

Les contraintes techniques de la mission (masse de la sonde, scénario d'atterrissage) imposent de choisir un site d'atterrissage situé à moins de 45° de l'équateur de Mars et à moins de 1 000 mètres d'altitude au-dessus du niveau de référence martien^[9]. Sur le plan scientifique, l'appel à idées international a recueilli plus de 90 propositions, regroupées en 33 sites généraux, qui sont discutés et classés une première fois durant le 1^er congrès dédié à la sélection du site d'atterrissage de MSL, en juin 2006^[10]. Ce congrès et les suivants sont ouverts à l'ensemble de la communauté scientifique. Quelques autres sites sont rajoutés à la première liste et examinés au cours du deuxième congrès qui se tient l'année suivante en octobre 2007^[11] et qui se conclue, après un classement puis un vote, par la sélection de dix sites^[12]. Le 3^e congrès, qui a lieu en septembre 2008^{[13],[14],[15]}, remanie et réduit encore la sélection à sept sites : le cratère Eberswalde, le cratère Holden, le cratère Gale,Mawrth Vallis, Nili Fossae, le cratère Miyamoto et le sud de Meridiani Planum.

Quatre sites sont finalement retenus en novembre 2008^[16]:

Nili Fossae, qui présente également des caractéristiques intéressantes (notamment de l'hydrothermalisme libérant du méthane), est devancé de très peu par Mawrth Vallis lors du vote de 2008, en raison des risques accrus à l'atterrissage par rapport à ce dernier. Le 20 août 2009, la NASA demande à recevoir d'autres propositions de sites d'atterrissage, qui seront examinés lors du 4^e congrès de sélection, fin septembre 2010^[19]. Cette réunion de travail est suivie d'une dernière, la 2^e semaine de mars 2011, avant le lancement de la mission qui devrait avoir lieu en novembre 2011^[20]. En juin le nombre de sites d'atterrissage potentiel est réduit à deux : Gale et Eberswalde. Le 22 juillet 2011 le site du cratère Gale est sélectionné^[21],[22]

• 

  La zone d'atterrissage dans le cratère de Gale est une ellipse (20x25 km) située au pied du pic central qui culmine à 5 km au-dessus du plancher du cratère.

• 

  Vue détaillée avec éléments géologiques identifiés et en pointillé orange une trajectoire possible pour le rover.

L'équipement scientifique

Le rover embarque 10 instruments scientifiques qui doivent lui permettre de détecter d'éventuelles traces d'eau, analyser précisément les roches, d'étudier les minéraux présents à la surface de Mars, mesurer la chiralité des molécules détectées, et effectuer des photographies à haute résolution. Certains de ces instruments sont développés avec la participation des laboratoires étrangers. Ces équipements se rangent dans quatre catégories^[23] :

• deux instruments permettant de faire des analyses à distance et situés dans le mat du rover : la caméra MASTCAM et CHEMCAM qui détermine la composition des roches à l'aide d'un laser, fournissent une première analyse chimique et géologique de l'environnement,
• deux instruments fonctionnant au contact de l'objet à analyser dont les senseurs sont situés au bout du bras du robot : le spectromètre à rayons X APXS et la caméra microscope MAHLI fournissent la composition chimique et des images détaillées facilitant la sélection des échantillons à analyser,
• deux laboratoires d'analyse logés dans le corps du rover et alimentés en échantillon de sol ou de roche martienne par la foreuse et la mini pelleteuse situés au bout du bras du rover : CheMin qui effectue l'analyse minéralogique et SAM qui effectue l'analyse des éléments organiques et volatiles,
• quatre instruments caractérisant l'environnement martien : la station météorologique REMS, le détecteur de particules énergétiques RAD qui mesure les radiations qui parviennent jusqu'au sol, le détecteur de neutrons DAN chargé d'identifier la présence d'eau dans le proche sous-sol et la caméra de l'étage de descente MARDI qui réalise avant l'atterrissage des photos de la zone environnante.

MAHLI

Caméra microscope MAHLI.

MAHLI (Mars Hand Lens Imager) est une caméra microscope montée sur le porte-outils situé au bout du bras du rover. Elle doit permettre de caractériser la composition et la microstructure des roches, du sol, du givre et de la glace identifiables à une échelle comprise entre le micron et le centimètre. Elle fournit des images en couleurs en lumière visible. La tête de la caméra est équipée de 4 LEDs en lumière blanche pour éclairer la cible lorsque celle-ci est plongée dans l'ombre ou de nuit et 2 LED en ultraviolet pour produire de la fluorescence et détecter ainsi les minéraux carbonatés et les évaporites. La caméra peut faire une mise au point de 20,5 mm à l'infini le champ optique étant compris entre 34 et 39,4°. Au plus près de l'objet photographié le champ couvert est de 18x24 mm et la résolution maximale de 15 microns par pixel grâce à un capteur CCD de 1600x1200 pixels. Deux capteurs permettent au système d'éviter un contact direct de l'optique avec l'objet photographié. Mahli dispose d'un autofocus mais l'équipe au sol peut lui demander d'acquérir une séquence de 8 images du même objet avec des mises au point différentes pour obtenir une image tridimensionnelle car la profondeur de champ au plus près est de 1,6 mm. MAHLI peut être également utilisée pour inspecter le rover ou la configuration du terrain : sa position en bout de bras lui permet d'être placée dans une position plus haute que les caméras MASTCAM. Le spectre lumineux couvert va de 380 à 680 nm. La caméra a une capacité vidéo de 7 images par seconde au format 720p (1280x720 pixels)^[24],[25].

MASTCAM

Les caméras MASTCAM.

MASTCAM (Mast Camera) est un ensemble de deux caméras montés en haut du mat du rover MSL à une hauteur d'environ 1,97 mètres au-dessus du sol qui fournit des images en couleurs, en lumière visible et en proche infrarouge. Elles sont utilisées pour identifier les caractéristiques géologiques des terrains environnants et reconstituer la topographie du site. Elles sont également utilisées pour enregistrer des phénomènes météorologiques (nuages, givre, poussières soulevées par le vent) et apporter leur contribution dans les taches de navigation. Elles peuvent observer des détails d'une taille allant jusqu'à 0,15 mm. Selon les plans initiaux, les deux caméras devaient être identiques et munies d'un zoom avec une focale allant de 6,5 à 100 mm (rapport de 15). A la suite d'arbitrages budgétaires et après plusieurs rebondissements, deux caméras à focale fixes sont finalement retenues : une caméra "grand angle" de focale de 34 mm ouvrant à f/8 couvrant un champ de 15°x15° et une caméra dotée d'un téléobjectif de 100 mm ouvrant à f/10 et couvrant un champ de 5,1°x5,1°.

Huit filtres avec une bande passante s'étageant entre 440 nm et 1035 nm peuvent être placés devant l'objectif. Seuls trois de ces filtres sont communs aux deux caméras. L'image est enregistrée par un capteur de 1200x1600 pixels au format compressé JPEG ou au format RAW. Les images prises sont stockées dans une mémoire flash de 8 gigaoctets qui peut conserver 5500 photos. Cette capacité de stockage est toutefois juste suffisante pour enregistrer un panorama complet en utilisant l'ensemble des filtres disponibles. La mise au point se fait de 2,1 m à l'infini : celle-ci peut être fixée par l'équipe sur Terre ou être déterminée par un autofocus. Le temps d'exposition peut être également calculé automatiquement ou imposé par les contrôleurs au sol. Les caméras peuvent enregistrer des vidéos au format 720p (1280x720 pixels) à la cadence de 10 images par seconde et de 5 images par seconde en utilisant toute la surface du capteur^[26],[27].

MARDI

Caméra MARDI.

MARDI (MArs Decent Imager) est une caméra en couleur montée sous le châssis du rover et chargée de cartographier le site d'atterrissage durant la descente vers le sol martien. Elle couvre un champ de 70°x55° La caméra doit prendre environ 500 photos (5 photos par seconde) à partir d'une altitude de 3,7 km (zone photographiée de 3x4 km) jusqu'à l'atterrissage (zone photographiée de 1 x 0,75 mètres) avec une résolution croissante de 2,5 mètres par pixel à 1,5 mm par pixel soit sur une période de 2 minutes. La caméra comporte une mémoire de 8 gigabits qui permet théoriquement de stocker 4000 photos en mode RAW. Les photos doivent être enregistrées dans ce mode et compressées avant leur transmission à Terre bien que la caméra puisse réaliser cette compression en temps réel. Ces photos seront utilisées par l'équipe au sol pour situer le site d'atterrissage et identifier les sites intéressants sur le plan géologique se trouvant à proximité du lieu d'atterrissage. Il est prévu que les mouvements de giration à grande vitesse angulaire qui animeront la sonde durant la descente sous parachute et les vibrations générées par les moteurs-fusées de l'étage de descente rendent un grand nombre de photos floues malgré un temps d'exposition de 1,3 millisecondes. La caméra a une résolution utile de 1600x1200 pixels. MARDI avait été éliminée de la charge utile de MSL lors des premiers arbitrages financiers en 2007 avant d'être réintégrée par la suite^[28],[29].

CHEMCAM

CHEMCAM

CHEMCAM (« CHEMistry CAMera ») est un instrument qui permet d'analyser à distance la nature, la composition et l’état d'altération des roches. Il utilise pour la première fois sur un engin spatial la technique d'analyse spectroscopique induite par ablation laser : un laser pulsé tire sur la roche à analyser provoquant la fusion de sa couche superficielle et générant un plasma. La lumière de désexcitation émise dans le visible et l'ultraviolet est collectée par un télescope et envoyée à des spectromètres qui établissent la composition chimique élémentaire de la roche. Avec une portée de 7 mètres, cet instrument permet d'analyser rapidement plusieurs échantillons de sol ou de roche et de déterminer s'il y a lieu de poursuivre l'analyse avec d'autres instruments. De plus son utilisation consomme relativement peu d'énergie. CHEMCAM est composé d'une partie optique montée au sommet du mat du rover et de trois spectromètres abrités dans le corps du rover avec la majorité de l'électronique. La partie optique comprend le laser (Laser-Induced Breakdown Spectrometer ou LIBS) qui envoie des impulsions venant frapper la cible sur un diamètre de 0,3 à 0,6 mm durant 55 nanosecondes. De 50 à 70 impulsions successives sont nécessaires pour obtenir une analyse spectrale correcte de la roche. L'optique de 110 mm utilisée pour viser la cible avec le laser permet de recueillir l'image renvoyée et de la transmettre par fibre optique aux spectromètres. Les spectromètres analysent la lumière sur une bande allant de 240 à 850 nm avec une résolution de 0,09 à 0,3 nm. La partie optique comprend également une caméra (Remote Micro-Imager ou RMI) fournissant une image du contexte de l'échantillon analysé. La partie optique de instrument est développé par l'IRAP à Toulouse tandis que les spectromètres et l'intégration de l'instrument sont placés sous la responsabilité du Laboratoire national de Los Alamos^[30].

APXS

Composants du spectromètre APXS.

APXS (Alpha-Particle-X-ray-Spectrometer) est un spectromètre à rayons X qui doit mesurer l’abondance des éléments chimiques lourds dans les roches et le sol. Il combine les techniques de la spectrométrie de fluorescence X et de la sonde nucléaire PIXE. L'instrument utilise du curium 244 comme source de rayons X. Il peut déterminer l'abondance relative des éléments allant du sodium au brome. Le capteur est monté sur le porte-outils situé au bout du bras du rover tandis que l'électronique se trouve dans le corps central du rover. La tête de l'instrument, dont la partie active a un diamètre de 1,7 cm, est placée à moins de 2 cm de l'échantillon à analyser durant une période allant de 15 minutes à 3 heures et restitue dans ce dernier cas jusqu'à 13 spectres électromagnétiques. Il s'agit d'une version améliorée d'un instrument qui a équipé les rovers Mars Pathfinder et MER. Il est de 3 à 6 fois plus sensible que l'instrument équipant les rovers MER et le spectre analysé va jusqu'à 25 keV au lieu de 15 keV. Une analyse de trois heures permet de détecter une quantité de nickel de 100 parties par million et de 20 ppm de brome. La détection de certains éléments comme le sodium, le magnésium, l'aluminium, le silicium, le calcium, le fer et le soufre peut être obtenue au bout de 10 minutes si leur abondance est supérieure à 0,5 %. Un échantillon de roche basaltique monté sur le bras est utilisé pour calibrer périodiquement l'instrument. APXS est fourni par l'université de Guelph au Canada^[31].

CheMin

CheMin (Chemistry & Mineralogy) est un instrument qui effectue l'analyse minéralogique d'échantillons de roches par diffraction X et par fluorescence des rayons X. La première technique permet d'identifier la structure cristalline des composants de l'échantillon tandis que la deuxième méthode fournit la composition en éléments et la concentration massique des différents éléments. Durant la phase de développement la capacité de l'instrument dans le domaine de la fluorescence des rayons X qui devait être fournie par une diode PIN a été en partie abandonnée avec l'abandon de ce composant. L'objectif est de détecter la présence de minéraux formés en présence d’eau. CheMin est logé comme SAM dans la partie avant du corps du rover avec des ouvertures débouchant sur le pont supérieur permettant au bras d'introduire l' échantillon à analyser qui a été préparé auparavant. L'échantillon est introduit dans une capsule d'analyse situé sur un carrousel comprenant 26 autres capsules utilisables. Une analyse complète dure généralement 10 heures et est effectuée de nuit pour permettre le refroidissement du capteur CCD à -60 °C^[32].

SAM

Mini laboratoire SAM chargé d'analyser les échantillons recueillis par MSL.

SAM (« Sample Analysis at Mars ») doit contribuer à déterminer l'habitabilité présente et passée de la planète. SAM est composé de trois instruments qui sont destinés à fournir la composition chimique (moléculaire, élémentaire et isotopique) de l'atmosphère et de la surface de Mars. Cette suite d'instruments est essentiellement dédiée à la recherche d'indices possibles de vie passée sur Mars, ou d'une activité prébiotique, principalement par la recherche et la caractérisation des molécules organiques qui peuvent se trouver dans le sol martien. SAM comprend^[33] :

• un chromatographe en phase gazeuse (GC Gas Chromatograph). Celui-ci sépare les composants organiques des échantillons martiens sous forme gazeuse en molécules à destination des deux autres instruments scientifiques QMS et TLS. Les molécules sont dirigées vers 6 colonnes chacune contenant des molécules bien précises. Le composant peut être un échantillon de gaz atmosphérique ou un fragment de sol ou de roche à l'état de poussière extrait et transporté jusqu'à l'instrument par les outils du bras du rover.
• un spectromètre de masse à quadrupôle (QMS (Quadrupole Mass Spectrometer)) utilisé pour analyser les gaz de l'atmosphère ou les produits obtenus par échauffement d'un échantillon du sol martien. (développé par les centre de la NASA/GSFC)
• un spectromètre laser réglable (TLS Tunable Laser Spectrometer) qui permet d'obtenir des ratios précis des isotopes de carbone et d'oxygène dans le dioxyde de carbone et mesurer les traces de méthane et ses isotopes du carbone.(développé par le centre de la NASA Jet Propulsion Laboratory)
• un système de préparation d'échantillons réalisant pyrolyse, dérivatisation, combustion et enrichissement (CSPL)
• un système de manipulation d'échantillons (SMS)
• un ensemble de pompes et un système de purge (WRP)

SAM est situé comme CheMin dans la partie avant du corps du rover avec des ouvertures débouchant sur le pont supérieur pour introduire les échantillons solides et des ouvertures sur l'avant du rover pour les échantillons gazeux. Le CNRS et le Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphériques (LISA) participent au développement de cet instrument ^{[34] [35]}.

RAD

Détecteur de radiations RAD

RAD (Radiation Assessment Detector) caractérise l'ensemble des particules élémentaires chargées (protons, électrons, noyaux d’hélium…) ou non (neutrons) qui atteignent le sol martien : ces particules sont émises par le Soleil ou sont d'origine plus lointaine (rayon cosmique). L'instrument doit identifier la nature des particules ainsi que mesurer leur fréquence et leur énergie. Les données recueillies doivent permettre de :

• Déterminer le niveau de protection nécessaire pour une éventuelle exploration humaine de Mars
• Déterminer l'impact passé et présent sur la chimie martienne
• Mesurer les effets isotopiques
• Évaluer les conditions permettant à d'éventuels organismes vivants puissent survivre dans le sol martien (à quelle profondeur dans le sol). Les données collectées par l'instrument sur le rayonnement ultraviolet seront également utilisées dans cet objectif.
• Contribuer à enrichir les modèles relatifs au transport de ces particules par l'atmosphère martienne.

Les particules étudiées par RAD sont les ions d'une masse atomique allant jusqu'à 26, les neutrons énergétiques et les rayons gamma ayant une énergie comprise entre 10 et 100 MeV par noyau. L'instrument comprend un télescope à particules chargées comportant trois détecteurs plans utilisant des diodes PIN sur support silicium, un calorimètre à base de iodure de césium et un scintillateur plastique sensible aux neutrons. Un système anti-coïncidence fournit un blindage au calorimètre et au scintillateur^[36],[37].

DAN

DAN (Dynamic of Albedo Neutrons) est un détecteur actif et passif de neutrons qui doit mesurer l’hydrogène présent dans la couche superficielle du sol martien (moins de 1 mètre de profondeur) le long de la trajectoire suivi par le rover. Ces données doivent permettre de déduire l'abondance de l'eau sous forme libre ou dans des minéraux hydratés. Cet instrument est développé par l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie^[38].

REMS

Les capteurs de la station météorologique REMS sont montés sur le mat du rover.

REMS (Rover Environmental Monitoring Station) est une station météorologique qui mesure la pression atmosphérique, l’humidité, les radiations ultraviolettes, la vitesse du vent, la température du sol et de l’air. Les capteurs sont répartis sur plusieurs emplacements : deux grappes d'instruments sont attachés au mat de la caméra (Remote Sensing Mast RSM), à 1,5 mètres au-dessus du sol, et pointent dans deux directions écartés de 120° pour obtenir une bonne mesure de la direction et de la force des vents locaux ; six photodiodes sont situées sur le pont supérieur du rover et mesurent le rayonnement ultraviolet dans différentes longues d'ondes. Enfin l'électronique de l'instrument situé au sein du corps du rover est relié à l'extérieur par un canal afin de mesurer la pression ambiante. L'instrument REMS est fourni par le Centro de Astrobiologia (CAB) espagnol^[39]

MEDLI

Le véhicule de rentrée comprend un ensemble, baptisé MEDLI (MSL EDL Instrument) qui permet aux équipes au sol un suivi des paramètres atmosphériques et du comportement de la sonde MSL durant la rentrée atmosphérique. Les informations recueillies doivent permettre d'améliorer la conception des futurs sondes spatiales martiennes. MEDLI comprend^[40] :

• 7 sondes de type MISP (MEDLI Integrated Sensor Plugs) mesurent à des points stratégiques du bouclier thermique la température à différentes profondeurs du matériau ablatif.
• 7 sondes MEADS mesurent la pression en 7 points du bouclier thermique grâce à des capteurs placés à l'extrémité de trous de faible diamètre forés dans celui-ci (Mars Entry Atmospheric Data System).

Le recueil des données démarre 10 minutes avant la rentrée atmosphérique avec une fréquence d'échantillonnage de 8 Hertz et s'achève après le déploiement du parachute soit 4 minutes après la rentrée atmosphérique. Pour des raisons de volumes seule une faible partie des données recueillies est transmise en temps réel, le reste étant envoyé au cours du premier mois de la mission au sol.

Caractéristiques techniques de la sonde spatiale MSL

Schéma 1 : Vue éclatée de la sonde spatiale 1 - Étage de croisière 2 - Bouclier arrière 3 - Étage de descente 4 - Rover 5 - Bouclier thermique avant 6 - Logement du parachute

La sonde spatiale est constituée de quatre éléments principaux :

• L'étage de croisière qui assure le transit entre la Terre et Mars,
• Le véhicule de rentrée qui protège la sonde durant la rentrée atmosphérique et assure une première phase de freinage
• L'étage de descente qui accomplit la dernière phase de descente puis dépose en douceur le rover sur le sol martien,
• Le rover proprement dit chargé de mener à bien la mission sur le sol martien.

L'étage de croisière

L'étage de croisière est une structure cylindrique en aluminium de 4 mètres de diamètre et de faible hauteur d'une masse de 400 kg avec le carburant qui coiffe le reste de la sonde et supporte sur la partie opposée à celle-ci l'adaptateur permettant de solidariser MSL et son lanceur. Son rôle est de prendre en charge le transit de la sonde MSL entre l'orbite terrestre et la banlieue de Mars. A l'approche de Mars, l'étage de croisière, qui a achevé sa mission et constitue désormais une masse pénalisante, est largué avant que le véhicule de rentrée n'entame la rentrée atmosphérique. La conception de l'étage de croisière est identique à celle utilisée par les sondes Mars Pathfinder et MER. Il effectue à l'aide de ses moteurs-fusées les 5 à 6 corrections de trajectoire nécessaires pour que la sonde se présente à proximité de la sonde avec la vitesse et la position lui permettant d'effectuer un atterrissage de précision de la sonde ; durant le transit de 8-9 mois entre la Terre et Mars il assure la surveillance et la maintenance des équipements de l'ensemble de la sonde^[42].

L'étage de croisière sert d'interface durant le lancement entre le la fusée et la sonde spatiale. A l'approche de Mars, peu avant la séparation avec l'étage de rentrée qui prend la conduite de la phase suivante, il fournit à celui-ci les dernières instructions de l'équipe au sol collectées envoyées par les équipes du JPL et recueillies par ses deux antennes fonctionnant en bande X. Durant le transit entre la Terre et Mars il transmet à la Terre les informations sur l'état de la sonde collectées par l'ordinateur de bord du rover. A l'aide d'un senseur stellaire l'étage de croisière détermine en permanence sa position et son orientation en utilisant comme repère des étoiles de la Voie Lactée et effectue si nécessaire des corrections à l'aide de son système de propulsion constitué de 8 petits moteurs-fusées consommant de l'hydrazine hypergolique stockés dans deux réservoirs en titane. L'étage de croisière doit maintenir la température de la sonde dans des limites acceptables. Pour évacuer la chaleur produite par les moteurs-fusées, les panneaux solaires et l'électronique du bord il dispose d'un système de pompes permettant de faire circuler un fluide caloporteur jusqu'à des radiateurs situés sur sa tranche. Il peut également grâce à des thermostats et des résistances réchauffer des équipements sensibles exposés au froid. L'étage de croisière dispose de son propre système de production d'énergie constitués de panneaux solaires alimentant des batteries. Pour stabiliser l'orientation de la sonde durant le trajet Terre-Mars, il maintient celle-ci en rotation autour de son axe avec une vitesse radiale de 2 tours par minute^[42]

Le véhicule de rentrée

Schéma 2 : véhicule de rentrée de MSL 1 - Bouclier thermique avant 2 - Bouclier arrière 3 - Lests largué avant l'entrée atmosphérique 4 - Moteurs contrôle orientation (x4) 5 - Panneau d'accès (x2) 6 - Évent 7 - Système séparation du bouclier thermique (x9) 8 - Logement du parachute 9 - Joint entre les 2 boucliers 10 - Lests largués avant ouverture du parachute (x6) 11 - Radomes des 2 antennes à faible gain

La traversée de l'atmosphère martienne à 5,5 km par seconde provoque un échauffement important des parties externes de la sonde qui atteignent une température de 1 500 °C. Pour protéger le rover durant cette phase, il est encapsulé dans un véhicule de rentrée. Celui-ci est composé d'un bouclier thermique avant conçu pour résister à la forte chaleur que subit cette partie de la sonde et d'un bouclier arrière qui notamment contient le parachute et les moteurs-fusées chargés de contrôler l'orientation de la sonde jusqu'au déploiement du parachute. Le bouclier encapsule l'étage de descente et le rover et est solidaire de l'étage de croisière durant le transit Terre-Mars.

Le bouclier thermique avant

Le bouclier thermique avant est une structure de 4,5 mètres de diamètre^{[N 1]} en forme de cône aplati recouverte d'un assemblage de tuiles faites d'un matériau ablatif, le PICA, qui évacue la chaleur en s'évaporant progressivement.

Le bouclier arrière

Le bouclier arrière doit faire face à des températures moins extrêmes. Sa structure, réalisée en nid d'abeilles d'aluminium entre deux bouclier arrière de MSL subit des contraintes thermiques fortes du fait du rôle très actif joué par les moteurs-fusées durant la rentrée atmosphérique et il a fallu utiliser le matériau ablatif mis en oeuvre sur le bouclier thermique avant par ses prédécesseurs. Il est percé de quatre ouvertures par lesquelles débouchent les tuyères des 8 moteurs-fusées d'une poussée de 308 Newtons^[43] utilisés pour contrôler l'angle d'attaque et plus généralement l'orientation de l'engin : le ratio portance/trainée (la finesse est ainsi adapté en permanence durant la rentrée atmosphérique ce qui permet de corriger les erreurs de trajectoire. Des lests, représentant une masse totale de 300 kg, sont largués durant la rentrée atmosphérique pour modifier le barycentre de la sonde. Le bouclier arrière comporte deux panneaux d'accès qui permettent d'intervenir jusqu'au dernier moment avant le lancement. Le bouclier est coiffé par le compartiment du parachute qui est déployé lorsque la vitesse de la sonde tombe en dessous de Mach 2. A la base de ce compartiment se trouvent les radômes des deux antennes à faible gain (l'une d'elles est inclinée) : celles-ci sont utilisées pour transmettre à la Terre des informations sur le déroulement de la rentrée atmosphérique.

L'étage de descente

Schéma 3. Étage de descente : 1 - Radar Doppler, 2 Moteurs principaux (x8) , 3 - Moteurs de contrôle d'orientation (x8) , 4 - Antenne UHF, 5 - Rover

Le parachute de MSL testé en soufflerie.

L'étage de descente prend en charge la dernière phase de la descente et dépose en douceur le rover sur le sol martien. Il met en œuvre une architecture complètement différente de celle retenue pour les atterrisseurs martiens qui l'ont précédé^[44] :

• Les rovers MER et Mars Pathfinder ont utilisé des airbags pour la phase finale de l'atterrissage. Dans un tel système les vitesses horizontale et verticale résiduelles au moment du contact avec le sol sont importantes (plus de 10 m/s) tandis qu'un système complexe, donc lourd, est mis en œuvre pour que le rover puisse se dégager de l'étage de descente après l'atterrissage.
• les sondes Viking et Phoenix se sont posées grâce à des moteurs-fusées. Pour ne pas creuser la zone d'atterrissage et asperger de poussière la sonde, les moteurs sont coupés avant le contact avec le sol et la vitesse résiduelle à l'atterrissage (verticale 2,5 m/s et horizontale 1,5 m/s) doit être annulée grâce à des pieds dotés d'amortisseurs de choc.

La masse du rover MSL exclut le recours aux airbags. Les concepteurs de MSL n'ont pas voulu reprendre le concept développé pour Viking et Phoenix car il comporte des risques importants de perte du rover si l'atterrissage s'effectue dans une zone parsemée de rochers, en pente ou en présence de vents forts. Le rover MSL est descendu au bout de 3 câbles longs de 7,5 mètres par l'étage de descente, qui reste en position fixe au-dessus du sol à la manière d'un hélicoptère-grue grâce à ses moteurs fusées : le rover est ainsi posé à très faible vitesse (0,75 m/s) sur le sol martien. Cette technique permet tout à la fois de poser le rover sur un sol pentu ou comportant des rochers, d'éviter que le souffle des moteurs ne soulève la poussière du sol et supprime le recours à un système de débarquement depuis l'étage de descente. Il se traduit par contre par une grande complexité de la phase de développement en particulier du système de guidage, navigation et pilotage^[44].

Pour réaliser sa mission, l'étage de descente comprend^[44],[45] :

• Huit moteurs-fusées (MLE Mars Lander Engines) d'une poussée unitaire modulable entre 400 et 3060 Newtons (de 13 à 100%)^{[N 2]} chargés d'annuler la vitesse résiduelle de descente à partir de l'altitude de 1 km. Ils disposent à cet effet de 400 kg de carburant. Ces moteurs dérivent de ceux utilisés par l'étage de descente des sondes Viking^[43]
• Huit petits moteurs-fusées chargés du contrôle de l'orientation (attitude) de la sonde
• Un radar doppler en bande Ka (TDS Terminal Descent Sensor) comportant 6 antennes émettant autant de faisceaux sous différents angles développé par le JPL. Dès que le bouclier thermique est largué le radar est chargé de déterminer l'altitude de la sonde et sa vitesse par rapport au sol martien.
• Trois câbles reliés à un enrouleur (Bridle Umbilical Device BUD) et un cordon ombilical qui relient le rover et l'étage de descente lorsque celui-ci dépose le rover sur le sol martien.

Le rover

Curiosity utilise la suspension rocker bogie des rovers MER avec des roues d'un diamètre sensiblement accru

Curiosity est est un engin particulièrement imposant avec une masse de 900 kg à comparer aux 174 kg pour les rovers Spirit et Opportunity, et à peine 10,6 kg pour Sojourner. Sa taille lui permet d'embarquer 80 kg d'instruments contre 6,8 kg pour les rovers MER. Le rover est long de 2,7 m. La partie centrale du rover montée sur roues, la "boite électronique chaude" (warm electronics box ou WEB) renferme l'électronique et les deux des instruments scientifiques qui doivent analyser les échantillons de sol et de roche. Un mat, qui est implanté sur l'avant de ce boitier et qui culmine à 2,13 mètres, porte plusieurs caméras, des sondes atmosphériques, ainsi que le spectromètre laser. Le bras télécommandé est articulé à l'avant du rover et supporte à son extrémité les équipements de prélèvement d'échantillon ainsi que deux instruments scientifiques. L'arrière du boitier est occupé par le générateur thermoélectrique à radioisotope que surplombent les antennes de télécommunications.

La suspension et les roues

Le rover doit parcourir des terrains présentant des irrégularités (roches), des pentes fortes et un sol dont la consistance, parfois sableuse, peut conduire à l'enlisement du véhicule qui peut entrainer sa perte (Spirit). Curiosity est conçu pour des pentes de 45° sans se retourner. Il peut franchir des rochers ou des trous d'une hauteur supérieure au diamètre de ses roues (50 cm). Pour y parvenir il utilise une suspension, baptisée rocker-bogie, mise au point par la NASA pour les rovers MER : celle-ci limite l'inclinaison de la caisse du rover lorsque celui-ci franchit un obstacle qui ne soulève qu'un seul des deux côtés. Les 6 roues, qui comportent à leur surface des cannelures pour une meilleure prise dans un sol mou ou sur des rochers présentant une face abrupte, sont équipées chacune d’un moteur individuel. Chacune des 4 roues d'extrémité comporte un moteur agissant sur la direction ce qui permet au rover de pivoter sur place^[46].

La production d'énergie

Le rover est plus performant que les robots actuels, alimentés par des GPHS-RTG, grâce à un générateur thermoélectrique à radioisotope (GTR) de nouvelle génération, le MMRTG développé par le DOE et produit par Boeing, utilisant une charge de 4,8 kg de dioxyde de plutonium PuO₂ enrichi en plutonium 238 générant une puissance initiale d'environ 2 000 W thermiques convertis nominalement en 120 W électriques^[47] par des thermocouples à base de nouveaux matériaux thermoélectriques, à savoir PbTe/TAGS^[48] au lieu des anciens composants silicium-germanium : Mars Science Laboratory pourra ainsi disposer d'une énergie abondante de 2,5 kWh/j au lieu de 0,6 à 0,9 kWh/j sur Opportunity, dont la puissance résiduelle, le 12 mai 2009 (après 1884 sols) n'était plus que de 460 Wh/j. De surcroît, cette puissance sera indépendante de l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'imposera donc pas d'arrêter la mission pendant l'hiver martien, contrairement au cas de Spirit et d'Opportunity. MSL dispose d'une autonomie nominale d'une année martienne, soit près de deux années terrestres, mais sa source d'énergie devrait encore fournir 100 W électriques après 14 années terrestres de fonctionnement.

Un système de radiateurs comprenant près de cinquante mètres de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur permet de rejeter la chaleur excédentaire.

Schéma 4 : : principaux équipement et instruments du rover

Informatique embarquée

Le rover dispose de deux ordinateurs identiques « radiodurcis » pour résister aux rayons cosmiques, construits chacun autour d'un cœur RAD750 fournissant une puissance de 400 MIPS à 200 MHz^[49], successeur du RAD6000 utilisé par les Mars Exploration Rovers. Chaque ordinateur comporte 256 Ko d’EEPROM, 256 Mo de mémoire DRAM et 2 Go de mémoire flash.

Le bras porte-outils

Schéma 5. Le porte outils : 1 - Brosse DRT 2 - Foreuse PADS 3 - Système de préparation des échantillons CHIMRA 4 - Spectromètre à rayons X APXS 5 - Caméra microscope MAHLI

Comme les rovers MER, le rover MSL dispose d'un bras (Robot Arm RA) portant à son extrémité un ensemble d'outils utilisés pour analyser in situ des échantillons de sol et de roche mais qui permet également de recueillir des échantillons qui sont ensuite délivrés aux instruments SAM et CHEMIN. Le bras est accroché à la face avant du rover et lorsqu'il est étendu au maximum permet de positionner le porte-outils à 1,9 mètres de celle-ci . Les outils peuvent être positionnés face à la zone à analyser, sans que le rover lui-même se déplace, grâce à plusieurs articulations motorisées qui fournissent 5 degrés de liberté. Le volume d'espace accessible est un cylindre vertical de 80 cm de diamètre, 100 cm de haut positionné à 1,05 mètres de la face avant du rover et dont la base peut se situer, sur un terrain plat, à 20 cm au-dessous du niveau du sol^[50].

Le porte-outils dont le diamètre extérieur est de 60 cm comprend 5 outils^[50] :

• Deux instruments scientifiques
  • Le spectromètre à rayons X APXS
  • La caméra microscope MAHLI
• Trois instruments qui permettent de prélever et de conditionner des échantillons du sol et des roches martiennes pour analyse par l'équipement scientifique :
  • La foreuse PADS (Powder Acquisition Drill System) permet de forer un trou de 5 cm de profondeur et d'un diamètre d'1,6 cm. Le matériau broyé est recueilli à partir d'une profondeur de 2 cm et transféré au système de préparation des échantillons CHIMRA. Une force de 240 à 300 Newtons peut être exercée par le foret qui peut tourner à une vitesse comprise entre 0 et 150 tours par minute ou fonctionner en percussion à raison de 1800 coups par minute avec une énergie de 0,4 à 0,8 joules. Au cas où le foret reste coincé dans la roche, la foreuse dispose de 2 forets de rechange stockés sur la face avant du rover.
  • La brosse DRT (Dust Removal Tool) d'un diamètre efficace de 4,5 cm permet d'enlever la couche superficielle de poussière qui recouvre la zone à examiner.
  • Le système de préparation des échantillons CHIMRA (Collection and Handling for Interior Martian Rock Analysis) comprend une mini pelleteuse et un système de préparation des échantillons. La mini pelleteuse permet de recueillir des échantillons du sol jusqu'à une profondeur de 3,5 cm et peut être abaisser dans une tranchée jusqu'à 20 cm au-dessous du niveau du sol.

La manipulation des échantillons du sol martien

Les échantillons du sol martien peuvent être recueillis à l'aide de la foreuse qui comporte un système de collecte de la roche broyée ; celui-ci est relié par une canalisation au système de préparation d'échantillons CHIMRA. L'échantillon peut être également recueilli par la pelleteuse incluse dans ce dernier équipement. En utilisant des mouvements de vibration imprimés à CHIMRA ,en faisant marcher le système de percussion de la foreuse et à l'aide de mouvements de rotation du porte-outils exploitant la gravité martienne, l'échantillon est transféré au sein de CHIMRA dans des chambres de stockage puis, en passant par des tamis aux mailles plus ou moins fines, dirigé vers l'un des deux compartiments dont le contenu sera analysé : l'un d'une capacité de 45 à 65 mm³ ne peut accueillir que des composants solides d'un diamètre inférieur à 150 microns à destination de CHEMIN, l'autre, d'une capacité de 45 à 130 mm³, peut recevoir des composants solides d'un diamètre allant jusqu'à 1 mm. Le bras de MSL positionne alors l'ouverture du compartiment choisi au-dessus de l'ouverture d'un des deux instruments scientifiques (CHEMIN ou SAM) située sur le pont supérieur du rover : le contenu du compartiment à échantillon est alors déversé dans l'instrument scientifique après ouverture de portes en imprimant des vibrations à CHIMRA. L'échantillon peut être également déversé sur un petit plateau d'observation situé à l'avant du rover et étudié à l'aide de la caméra microscope et du APXS situés à l'extrémité du bras. Pour nettoyer le contenu de CHIMRA entre deux prélèvements d'échantillon, les différentes chambres de cet équipement sont ouvertes, mises en vibration pour évacuer complètement leur contenu et peuvent être examinées à l'aide des caméras du rover^[51].

Pour s'assurer que les échantillons de sol martien analysés par SAM ou CHEMIN ne sont pas contaminés par des composants venus de la Terre qui auraient résisté aux procédures de stérilisation effectuées avant le départ, des vérifications peuvent être effectuées à cinq reprises au cours du séjour sur Mars : à cette effet cinq échantillons de référence dits Organic Check Material (OCM) ont été fixés sur le devant du rover dans des boitiers scellés. Ces OCM contiennent du dixoxyde de silicium amorphe dopés avec de petites quantités de produits organiques qui n'existent ni sur Terre ni a priori sur Mars. La foreuse est utilisée pour prélever un échantillon qui est ensuite analysé par SAM pour s'assurer qu'il ne détecte pas d'autres composants d'origine terrestre^[52].

Télécommunications

Les caméras de navigation sont installées en tête de mat de part et d'autre des caméras MASTCAM

Pour transmettre les données scientifiques recueillies, les données de navigation et les données télémétriques sur son fonctionnement ainsi que pour recevoir les instructions mises au point par l'équipe à Terre, le rover dispose de plusieurs antennes. Une antenne hélice quadrifilaire fonctionnant en bande UHF est utilisée pour les communications à courte portée avec les sondes en orbite autour de Mars. Le débit maximum est de 1,35 mégabits par seconde dans le sens rover-satellite et 256 kilobits dans le sens inverse^[53]. C'est ce mode de communication qui est privilégié car les satellites sont fréquemment à portée d'antenne du rover : Odyssey et MRO stockent les données et les transmettent vers la Terre lorsque les stations terrestres sont en vue. Les deux antennes en bande X sont utilisées pour les communications à longue distance directement avec la Terre. L'antenne à faible gain omnidirectionnelle n'a pas besoin d'être orientée mais son débit est limité. L'antenne à grand gain en forme d'hexagone plat permet des débits importants mais doit être orientée avec précision vers la Terre. Elle a été développée par l'Espagne (EADS CASA ESPACIO) et dispose de deux degrés de liberté ce qui permet de la tourner vers sa cible sans déplace le rover. Ces antennes sont fixées sur l'arrière du pont supérieur du rover^[54].

La NASA a estimé le volume moyen de données scientifiques qui doit être transféré vers la Terre chaque jour à 250 mégabits tandis que les données utilisées pour établir le plan de travail représentent 100 mégabits par jour. L'essentiel de ce transfert devrait être assuré par MRO^{[N 3]} qui collectera les données en UHF durant son survol quotidien du site d'atterrissage de MSL aux alentours 3 heures du matin. En moyenne MRO peut collecter chaque jour 687 mégabits de données avec un plus bas de 125 mégabits. La réception par le rover des instructions de la Terre se fera au début de la journée de travail en bande X à l'aide de l'antenne grand gain tandis que le compte rendu de la journée adressé par le rover passera par la bande UHF^[55].

La navigation sur le sol martien

Pour que le rover puisse se déplacer, il est nécessaire d'étudier au préalable le terrain sur lequel il doit doit avancer. Curiosity dispose de plusieurs caméras dédiées au repérage de son environnement. Quatre d'entre elles, dites Hazcam (Hazard Avoidance Cameras), sont montées deux par deux à l'avant et à l'arrière du corps du rover et sont utilisées pour détecter les obstacles qui se présentent sur la trajectoire du rover. Ces appareils fournissent des images en noir et blanc permettant de reconstituer une image tridimensionnelle de ce qui se situe devant et derrière le rover jusqu'à 3 mètres de distance et sur une largeur de 4 mètres. Deux autres paires de caméras (Navigation Cameras) montées au sommet du mat du rover de part et d'autre des caméras à usage scientifique MASTCAM, permettent d'obtenir des panoramiques en relief sur un champ de 45°. Elles sont utilisées avec les caméras Hazcam pour déterminer la configuration du terrain et planifier les déplacements du rover^[56]. Une centrale à inertie à trois axes doit faciliter la navigation sur le terrain. Il peut se déplacer théoriquement à une vitesse de 90 m/h en navigation automatique, mais ne devrait pas pouvoir effectuer plus de 30 m/h en moyenne compte tenu des irrégularités du terrain ou des problèmes de visibilité. Une distance totale parcourue à la surface de Mars d'au moins une vingtaine de kilomètres est prévue au cours des deux années terrestres que doit durer la mission au minimum.

Déroulement de la mission

Le lancement

Un lanceur Atlas V 551 aux caractéristiques très proches de la fusée utilisée pour MSL

Le lanceur Delta II utilisé habituellement par la NASA pour le lancement de ses sondes interplanétaires n'a pu être retenu pour MSL compte tenu de sa masse et de son diamètre. La sonde doit être lancée par une fusée Atlas V 541, de la classe de puissance du lanceur Ariane V, dont la coiffe a un diamètre de 5 mètres et qui peut placer une sonde de 4 tonnes sur une trajectoire interplanétaire^[57].

La distance entre la Terre et Mars évolue constamment et cette dernière ne devient accessible que durant une période de quelques mois tous les 2 ans. Par ailleurs, le lancement doit permettre à la sonde spatiale d'arriver à proximité de Mars dans des conditions très précises : le Soleil doit être levé sur le site d'atterrissage, les sondes Odyssey et MRO, en orbite autour de Mars, doivent pouvoir relayer les liaisons radio durant l'ensemble de la descente vers le sol martien, la zone de l'atterrissage doit être si possible couverte par les antennes de réception terrestre sous un angle pas trop défavorable enfin la vitesse d'arrivée dans l'atmosphère martienne doit être inférieure ou égale à 5,9 km/s. Toutes ces conditions ainsi que les capacités du lanceur retenu^{[N 4]} ont abouti à la sélection de deux fenêtres de lancement de 24 jours ; la première se situe entre le 25 novembre et le décembre 2011. La seconde située entre le 22 octobre et le 14 novembre est plus favorable, car elle permet une rentrée à une vitesse inférieure à 5,6 km/s mais est toutefois conditionnée par le respect du planning de lancement de la sonde jovienne Juno planifié en aout 2011 et qui utilise les mêmes installations de lancement de la base de Cape Canaveral en Floride^{[N 5]} En fonction du jour de lancement, le lanceur doit imprimer une vitesse de libération comprise entre 11,2 km/s et 19,9 km/s. Pour répondre à la réglementation imposée pour les lancements emportant du matériel radioactif, le lancement doit avoir lieu de jour. La fenêtre de lancement résultante est d'environ 2 heures par jour^[58].

Le lancement se déroule en deux phases. Le deuxième étage Centaur du lanceur place la sonde MSL sur une orbite basse terrestre de 165 km x 271 km avec une inclinaison de 29°. Puis, après après avoir accompli un nombre variable d'orbites autour de la Terre, lorsque la position de l'ensemble permet d'obtenir des conditions optimales d'arrivée sur Mars le deuxième étage Centaur est remis à feu et celui-ci injecte MSL sur un trajectoire interplanétaire vers Mars qui doit lui permettre d'atteindre Mars sur son inertie en décrivant une orbite de Hohmann. Après l'extinction de l'étage Centaur, celui-ci met en rotation lente (2 tours par minute) la sonde pour stabiliser sa trajectoire puis la séparation de la sonde et du lanceur est déclenchée^[59].

Schéma 6 : transit Terre-Mars pour un lancement le 25 novembre 2011

Le transit entre la Terre et Mars

Schéma 7 : la sonde dans sa configuration de transit vers Mars

Après séparation avec son lanceur la sonde spatiale entame la phase de croisière, d'une durée d'environ 7 mois, durant laquelle elle se rapproche de Mars uniquement grâce à sa vitesse acquise. L'étage de croisière est aux commandes de la sonde durant cette phase^[60] :

• La sonde durant ce transit est stabilisée par mise en rotation autour de son axe à la vitesse de 2 tours par minute.
• L'étage de croisière maintient l'orientation de la sonde pour que ses panneaux solaires et son antenne de télécommunications soient pointés respectivement vers le Soleil et la Terre.
• L'étage de croisière effectue si nécessaire des petites corrections d'attitude en utilisant son senseur stellaire pour détecter les écarts. Sept corrections de trajectoire (Trajectory correction manoeuver TCM) sont programmées durant le transit Terre-Mars dont deux facultatives. Les deux premières 15 jours et 120 jours après la date de lancement permettent de corriger les erreurs d'injection sur la trajectoire interplanétaire et de supprimer le biais introduit volontairement pour éviter une retombée de l'étage Centaur sur Mars qui pourrait contaminer la planète. La troisième correction TCM-3 doit permettre à la sonde de se présenter exactement au point voulu pour entamer une descente optimale sur le sol martien. Enfin 4 manœuvres de correction sont prévues dans les 8 jours qui précèdent l'arrivée à j-8, J-2, J-1 et J-9 heures. Toutes ces corrections sont effectuées soit en alignant l'orientation de manière à optimiser la consommation de carburant soit en maintenant l'orientation^[61].
• L'étage de croisière contrôle les paramètres de la sonde et les transmet aux équipes sur Terre

La date d'arrivée sur le sol martien, qui dépend de la date de lancement, doit avoir lieu entre le 6 et le 20 août 2012. La sonde entame les préparatifs pour l'atterrissage, qui est la partie la plus délicate de la mission, 45 jours avant celui-ci. D'ultimes corrections de trajectoire sont effectuées après des mesures très précises depuis la Terre de la position et du déplacement de MSL. Les dernières instructions pour la phase de rentrée et la séquence des opérations au sol pour les premiers jours sont actualisées^[62].

La descente vers le sol martien et l'atterrissage

Schéma 8 : positions respectives de la Terre et des satellites artificiels martiens dans l'hypothèse d'un atterrissage sur le site de Mawrth et tir du lanceur au début de la première fenêtre de lancement

L'atterrissage sur Mars se décompose en cinq phases :

• La phase d'approche
• La rentrée atmosphérique pilotée qui fait tomber la vitesse à Mach 2 tout en corrigeant de manière active les écarts par rapport à la trajectoire idéale
• La descente sous parachute lorsque la vitesse a chuté sous Mach 2
• La descente propulsée à partir de 1500 mètres d'altitude grâce à des moteurs chargés d'annuler la vitesse résiduelle
• La dépose par l'étage de descente fonctionnant à la manière d'un hélicoptère grue du rover sur le sol martien.

Une nouvelle technique d'atterrissage

Schéma 9 : la trajectoire d'entrée sur Mars de MSL (simulation) est beaucoup plus abrupte que celle des sondes qui l'ont précédé.

Le rover inaugure une nouvelle technique d'atterrissage final sur Mars car le système des coussins gonflables utilisés pour Spirit n'était pas adapté à son poids et, dans l'atmosphère très peu dense de Mars, un parachute n'est pas suffisant pour effectuer un atterrissage en douceur. Un deuxième changement dans la technique mise en œuvre durant la première phase de descente doit permettre de réduire à 10 km la distance entre le point d'atterrissage et le lieu visé (au lieu de 150 km pour Spirit). La descente vers Mars qui dure environ 6 minutes comporte 4 étapes^[63],[64] :

La phase d'approche

L'objectif principal de la phase d'approche est que la sonde spatiale arrive au point d'entrée dans l'atmosphère martienne et à l'heure planifiés. A cet effet une dernière correction de trajectoire (TSCM-6) est effectuée, si nécessaire, 9 heures avant la rentrée atmosphérique^[66] après analyse de la position et du vecteur vitesse de la sonde. L'équipe du JPL estime que l'erreur de positionnement à l'entrée dans l'atmosphère devrait être au plus de 2 km et l'écart de la vitesse réelle par rapport à celle prévue de 1,5 m/s. Plusieurs manœuvres sont alors effectuées^[67] :

• Les moteurs de contrôle d'orientation du véhicule de rentrée sont préchauffés et le circuit de régulation thermique est purgé tandis que la sonde recale son orientation en utilisant son senseur stellaire.
• Le véhicule de rentrée qui encapsule le reste de la sonde largue l'étage de croisière 10 minutes avant le début de la rentrée atmosphérique.
• La vitesse de rotation de la sonde sur son axe est annulée : désormais la sonde est stabilisée 3 axes.
• Puis la sonde modifie son orientation qui privilégiait les télécommunications avec la Terre et l'éclairage des panneaux solaires pour adopter la position qu'elle maintiendra durant la rentrée atmosphérique avec son bouclier thermique tourné vers l'avant.
• Cinq minutes avant la rentrée atmosphérique deux lests de 75 kg sont éjectés pour déplacer le barycentre jusque là situé dans l'axe de la sonde : le déséquilibre généré permet par la suite de maintenir un angle d'attaque non nul générant une portance qui prolonge la descente ^{[N 6]} et donne le temps à la sonde de réduire suffisamment sa vitesse avant d'atteindre le sol.

Schéma 10 : phase initiale de la descente de MSL vers le sol martien.

La rentrée atmosphérique pilotée

Les propulseurs maintiennent un angle d'attaque optimisé pour suivre la trajectoire planifiée.

La sonde entame la rentrée atmosphérique lorsqu'elle se trouve à environ 226 km d'altitude. La vitesse de la sonde est alors de Mach 24. Le véhicule de rentrée constitué de deux boucliers jointifs joue deux rôles : alors que le freinage atmosphérique porte la température du bouclier avant à une température atteignant en pic 1 450 °C, il maintient une température normale dans le corps de la sonde ; il ajuste de manière continue, à l'aide de 4 petits moteurs fusées émettant des jets de gaz, l'angle d'attaque de la sonde ; celui-ci, maintenu normalement à 18°, est ajusté pour compenser les écarts par rapport à la trajectoire cible engendrés par les perturbations atmosphériques et le comportement aérodynamique du véhicule de rentrée. Lorsque la vitesse de l'engin est tombée en-dessous de 900 mètres par seconde, l'angle d'attaque est réduit à 0 par éjection de 6 lests de 25 kg qui replace le barycentre dans l'axe de la sonde. Il s'agit de limiter les oscillations créées par le déploiement du parachute. La sortie de celui-ci est déclenchée lorsque la vitesse est tombée en-dessous de 450 mètres par seconde (presque Mach 2)^[68].

La descente sous parachute

La descente sous parachute.

Le parachute d'un diamètre de 21,5 mètres est, à un facteur d'échelle près, un héritage du parachute développé pour le programme Viking. Durant sa descente sous parachute qui dure entre 50 et 90 secondes, la vitesse de MSL est ramenée à 100 m/s (360 km/h) et environ 95% de l'énergie cinétique qui subsistait avant son ouverture est éliminée. Le bouclier thermique est éjecté dès que la vitesse tombe en-dessous de Mach 0,8^{[N 7]} ce qui dégage l'antenne du radar Doppler de l'étage de descente qui peut fournir une première estimation de l'altitude et de la vitesse en utilisant les réflexions de ses émissions sur le sol martien. Durant cette phase la sonde doit limiter la rotation de la capsule sous le parachute, un phénomène difficile à modéliser et dangereux qui découle des oscillations à vitesse supersonique ; les moteurs de contrôle d'orientation du bouclier arrière sont utilisés durant cette phase de la descente pour contrecarrer ces mouvements. La caméra MARDI commence à prendre des photos au rythme de 5 images par seconde du sol martien sous le rover à partir du moment où le bouclier thermique avant n'obstrue plus le champ de son optique jusqu'à son atterrissage environ 2 minutes plus tard : les images seront exploitées par les scientifiques pour situer la future zone d'atterrissage et identifier les formations géologiques intéressantes à explorer situées à moins de 2 km de celui-ci ; elles permettent également de vérifier les performances de la centrale à inertie du rover. A une altitude comprise entre 1 500 et 2 000 mètres le bouclier arrière et le parachute sont largués afin d'entamer la descente propulsée. Juste avant ce larguage les 8 moteurs de l'étage de descente sont mis en marche à 1% de leur poussée nominale^[69].

Schéma 11 : La descente sous parachute.

La descente propulsée

La descente propulsée.

La descente propulsée a deux objectifs : amener la sonde jusqu'à l'altitude de 18,6 m avec une vitesse verticale résiduelle de 0,75 m/s et une vitesse horizontale nulle et modifier la trajectoire de la sonde de manière à ce que le rover n'atterrisse pas au même endroit que le bouclier arrière ou le parachute. Au début de cette phase le bouclier arrière et le parachute qui lui est attaché sont largués par déclenchement de charges pyrotechniques. L'étage de descente tombe durant une seconde en chute libre pour s'éloigner suffisamment puis les 8 moteurs montent en poussée pour parvenir, à une altitude de 100 mètres, à réduire la vitesse verticale à 20 m/s et à annuler la vitesse horizontale. Parallèlement la sonde est écartée de 300 mètres de la trajectoire suivie par le bouclier et le parachute. La descente se poursuit à la verticale pour disposer d'une mesure de l'altitude précise et corriger une estimation antérieure qui peut être erronée de 50 mètres du fait du relief et du déplacement en partie horizontal de la sonde. À partir de 50 mètres d'altitude, la vitesse verticale est ramenée à 0,75 m/s lorsque l'altitude de 21 mètres est atteinte. La sonde fait alors quasiment du surplace^[70].

Schéma 12 : Phase finale de la descente et atterrissage.

La dépose sur le sol

L'étage de descente, en vol statique, grute le rover jusqu'au sol.

Le rover touche le sol, les cables vont être cisaillés et l'étage de descente reprendre la hauteur pour aller s'écraser plus loin.

La dernière phase de la descente met en œuvre une technique complètement nouvelle. Alors que la sonde se trouve à 21 mètres au-dessus du sol avec une vitesse horizontale nulle et une vitesse verticale descendante constante limitée à 0,75 m/s, le rover est descendu au bout de trois câbles longs de 7,50 mètres tout en déployant ses roues puis est libéré dès que le système qui pilote la descente détecte que les forces de traction exercées sur les câbles se sont affaiblies conséquence de la dépose effective du rover. Ceci permet une prise de contact à faible vitesse du rover qui est placé au sol sur ses roues en configuration opérationnelle. Les amortisseurs du véhicule sont utilisés pour amortir le contact. La séquence détaillée est la suivante. Un système pyrotechnique désolidarise le rover de l'étage de descente alors que l'altitude est de 17,6 mètres. Le rover descend suspendu au bout des 3 câbles qui exercent leur traction près du barycentre de l'étage de descente pour éviter de perturber l'équilibre de celui-ci. En parallèle les roues du rover sont déployées. Un cordon ombilical relie par ailleurs le rover dont l'ordinateur contrôle le déroulement de l'opération et l'étage de descente. Sept secondes après le début de cette séquence les câbles sont complètement déroulés. Durant les 2 secondes qui suivent le système a pour objectif d'amortir les mouvements provoqués par l'interruption du déroulement des câbles. Le système est alors prêt pour la prise du contact avec le sol. Celle-ci est détectée lorsque la traction sur les câbles diminue imposant une réduction importante de la poussée exercée par les moteurs pour maintenir une vitesse de descente constante. L'ordinateur de bord étudie sur une période d'une seconde l'évolution du comportement de l'étage de descente (valeur de la poussée des moteurs et variation de celle-ci) avant de décider que le rover est correctement posé sur le sol. Lorsque le contact avec le sol est confirmé, l'ordre de couper les suspentes au niveau du rover est donné. Puis l'étage de descente qui est désormais piloté par son propre processeur, après avoir coupé le cordon ombilical, entame une manœuvre qui doit l'écarter de la zone d'atterrissage : la poussée des moteurs est augmentée durant un certain laps de temps pour que l'étage de descente reprenne de l'altitude puis celui-ci modifie son orientation de 45° et ensuite augmente la poussée de ses moteurs jusqu'à 100% et maintient ce mode de fonctionnement jusqu'à épuisement du carburant. Il est prévu que dans tous les cas de figure l'étage de descente s'écrasera à au moins 150 mètres du lieu d'atterrissage du rover^[71].

Les opérations au sol

Mise en condition opérationnelle du rover

Du fait de son système de dépose au sol, MSL est pratiquement opérationnel dès son arrivée sur le sol martien : ses roues sont déployées et il n'a pas à débarquer d'une plateforme comme les rovers MER qui l'ont précédé. Toutefois immédiatement après son arrivée au sol, les ingénieurs au sol doivent s'assurer grâce aux capteurs embarqués sur le rover que celui-ci n'est pas dans une position périlleuse avant tout mouvement. Bien que sa garde au sol soit de 60 cm et qu'il puisse monter des pentes de 50°, les premières manœuvres peuvent être délicates si la zone d'atterrissage s'avère peu propice. Le rover entame une séquence de taches automatiques : le mat ainsi que l'antenne grand gain sont mis en position verticale, les télécommunications avec la Terre sont testées, des images sont envoyées pour permettre aux contrôleurs au sol d'identifier précisément le site d'atterrissage et la position du rover. Le premier déplacement du rover n'intervient que le cinquième jour^[72].

Planning des opérations au sol

Le cinquième jour, MSL entame sa mission opérationnelle. La durée initiale de celle-ci est d'une année martienne soit 687 jours terrestres ou 689 jours martiens (sols). Durant cette période, le rover aura une activité réduite une vingtaine de jours durant la conjonction solaire du 18 avril 2013 (télécommunications interrompues car le Soleil s'interpose entre Mars et la Terre) et environ 10 jours pour permettre des mises à jour des logiciels. Le rover devrait parcourir durant ces deux années terrestres de 5 à 20 km. Au cours de ses déplacements il est prévu qu'il collecte et analyse environ 70 échantillons de roche et de sol martien^[73],[74].

Organisation des équipes sur Terre

L'organisation des équipes sur Terre évolue au fur et à mesure de l'avancement de la mission. Elle reproduit ce qui avait été mis en place pour les rovers MER. Durant les 90 premiers jours les équipes travaillent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à l'heure martienne c'est-à-dire en avançant l'heure de 40 minutes par jour. La préparation et le suivi des opérations du jour sont effectués en 16 heures c'est-à-dire par deux équipes se relayant. Durant cette période la majorité des techniciens et des scientifiques concernés sont rassemblés sur un seul site géographique. Les équipes ont pour objectif de roder l'organisation, maitriser l'utilisation du rover afin de réduire progressivement la durée des taches de préparation des opérations du jour et de suivi à 8 heures ainsi que de mettre en place un système de fonctionnement décentralisé dans laquelle scientifiques et techniciens peuvent travailler depuis les locaux de l'institution (laboratoire de recherche, université, entreprise, centre de la NASA) à laquelle ils appartiennent. Durant la période de 90 jours suivante les équipes travaillent 7 jours sur 7, 16 heures par jour de 6 heure à 20 heure (heure du Pacifique), donc ne sont plus calés sur l'heure martienne. Durant le reste de la mission, les horaires de travail de l'équipe de suivi sont normalisés : 5 jours par semaine et 8 heures par jour^[75].

Pour accomplir l'ensemble des taches de préparation, de gestion et d'exploitation associées à la missions, plusieurs équipes sont formées : Conduite de mission, Planification, Conception et navigation, Opérations en temps réel, Opérations ingénierie (c'est-à-dire portant sur le fonctionnement du rover), Opérations scientifiques. Les opérations scientifiques et ingénierie ont deux composantes : court terme c'est-à-dire concernant le jour suivant ou quelques jours au plus) et stratégique (long terme)^[75].

Les activités du rover sur le sol martien

Les contraintes

Les opérations scientifiques sont limitées par plusieurs contraintes. Le rover ne peut consacrer que 250 Watts d'énergie par sol aux équipements scientifiques. Durant l'hiver martien, lorsque la température chute, cette puissance est réduite car il faut consacrer plus d'énergie pour maintenir à une température suffisante les équipements du bord. Toutefois la réduction d'énergie disponible dépend de la latitude du site retenu (elle est très faible pour le site du cratère Gale sélectionné qui est proche de l'équateur). Durant une journée martienne, le temps d'activité du rover est limité à 6 heures. La quantité de données scientifiques qui peut être transmise a été limité en moyenne à 250 mégaoctets par jour pour tenir compte de la disponibilité des satellites chargés des liaisons avec la Terre^[74].

L'autonomie du rover par rapport aux opérateurs sur Terre est limitée :

• Les activités scientifiques à mener sont conditionnées par plusieurs observations préalables effectuées à l'aide de différents instruments (par exemple caméra de navigation puis caméra scientifique puis ChemCam) entre lesquelles s'intercalent une analyse par les scientifiques sur Terre pour identifier les cibles intéressantes et définir en conséquence l'étape suivante.
• Lorsque le rover est en route pour un autre site il dispose de logiciels lui permettant de progresser de manière autonome en interprétant les images fournies par ses caméras de navigation. Mais sa progression doit être très prudente, car la capacité d'identifier les obstacles est limitée et en cas d'enlisement, retournement ou choc endommageant un des mécanismes ou instruments aucune réparation n'est possible. Or le terrain martien est irrégulier et les zones géologiques intéressantes sont souvent situées dans des lieux escarpés^[76].

Le rover dépend donc fortement des échanges avec les équipes au sol pour mener ses activités. Or plusieurs facteurs limitent ces échanges :

• Les échanges radio entre la Terre et Mars nécessitent de 8 à 42 minutes en fonction de la position respective des deux planètes^[76].
• Il n'est prévu que deux vacations radio par jour martien entre le rover et les contrôleurs à Terre pour plusieurs raisons : le rover dispose d'une quantité d'énergie limitée à consacrer aux télécommunications, ces échanges utilisent comme relais un des orbiteurs martiens qui doit survoler le site du rover et le réseau d'antennes de réception sur Terre a une disponibilité limitée.
• Les positions respectives de la Terre, de Mars et du Soleil ne sont pas toujours favorables à ces échanges.
• Au delà des 180 premiers jours de la mission la réactivité des opérateurs et des scientifiques sur Terre est limitée car les équipes ne sont plus disponibles 24h sur 24 et 7 jours sur 7 mais reviennent à des horaires normaux.

Les types d'activité

Les contraintes énumérées ci-dessus imposent un déroulement plutôt lent des activités. Les taches à enchainer au cours d'une journée martienne sont définies sur la base des éléments transmis par le rover la veille, ce qui aboutit à la définition de journée type dédiée à un objectif principal : transit entre deux sites, reconnaissance, approche d'une cible, étude in situ, analyse d'un échantillon dans le mini laboratoire.

Déplacement entre deux sites à étudier

Le rover consacre un nombre de jours importants à se déplacer pour aller d'un site sélectionné par l'équipe scientifique au site suivant. Selon le scénario élaboré par l'équipe projet, la distance moyenne entre deux sites étudiés en profondeur par le rover est de 1,5 km. Pour se rendre sur un site, le rover se déplace à une vitesse moyenne estimée à 50 mètres par sol (jour martien). Cette distance dépend de la nature des terrains rencontrés. Durant les journées consacrées au déplacement, le rover commence par examiner les roches avoisinantes avec l'instrument CHEMCAM puis prend des images en relief de certains échantillons avec la caméra microscope MAHLI ce qui nécessite de déployer le bras du rover et donc d'avoir pris des images la veille avec les caméras de navigation pour s'assurer qu'il n'y a aucun obstacle sur la trajectoire du bras. Puis des panoramas sont réalisés avec les caméras de navigation et les caméras MASTCAM. Le reste de la période d'activité est consacrée au déplacement^[74].

Reconnaissance d'un site

L'activité de reconnaissance d'un site sélectionné est une journée consacrée à des de préparation. L'objectif est d'obtenir des informations qui permettent à l'équipe scientifique de planifier les prochaines étapes. Le rover examine avec CHEMCAM des cibles désignées puis après déploiement du rover prend des images en relief avec la caméra microscope MAHLI ce qui nécessite de déployer le bras du rover et donc d'avoir pris des images la veille avec les caméras de navigation pour s'assurer qu'il n'y a aucun obstacle sur la trajectoire du bras. Puis des panoramas sont réalisés avec les caméras de navigation et les caméras MASTACM. L'instrument APXS est déployé et analyse durant toute la nuit un échantillon^[74].

Positionnement près d'un échantillon de sol

Durant une journée consacrée au positionnement près d'un échantillon du sol ou d'une roche, le rover se déplace de manière à ce que son bras soit, à l'issue de la journée, en position d'appliquer un outil ou instrument scientifique sur cette cible. Celle-ci doit avoir été identifiée la veille et être à moins de 10 mètres du rover. Celui-ci démarre la journée en utilisant successivement ChemCam, APXS durant un laps de temps bref et MAHLI pour une image tridimensionnelle avant de se mettre en mouvement. A l'issue de son déplacement les caméras de navigation et MASTCAM prennent des images qui sont transmises à Terre. L'instrument DAN effectue des mesures actives durant le déplacement et sur la position finale^[74].

Étude d'un échantillon au contact

Le rover utilise les outils au bout de son bras pour étudier une roche (dessin d'artiste)

Une journée d'analyse d'une échantillon de sol ou de roche au contact consiste à effectuer des observations avec les instruments du bras sur la cible du rover (APSX et MAHLI) qui doit être à portée depuis la veille. La roche est ensuite brossée pour être débarrassée de la couche superficielle puis des mesures sont de nouveau effectués avec les instruments scientifiques du bras mais cette fois avec un temps de pose plus long d'APSX^[74]. Chemcam et Mastcam prennent des images du spectre électromagnétique pour préciser le contexte dans lequel se situe la cible tandis que les caméras de navigation documentent ces activités^[74].

Collecte et analyse d'un échantillon du sol

Une journée consacrée à l'analyse d'un échantillon du sol regroupe l'ensemble des taches aboutissant à l'insertion de cet échantillon dans les mini laboratoires du rover CheMin et SAM. Pour éviter une contamination d'une analyse par l'analyse précédente, un premier échantillon est prélevé sur une roche proche de la cible par la foreuse et conditionné. L'échantillon qu'on souhaite effectivement analyser est ensuite à son tour prélevé, conditionné puis mis à disposition des instruments CheMin et SAM. La partie de l'échantillon qui n'est pas utilisée est déversé sur le plateau d'observation situé sur l'avant du rover et examiné par les instruments MAHLI and APXS. Cette activité se prolonge sur 3 à 5 jours compte tenu de la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner les équipements scientifiques, du volume de données scientifiques à transférer et du temps nécessaire aux analyses^[74]

Historique du projet

MSL du fait de sa complexité et son coût fait partie des missions phares (Flagship mission) de la NASA : c'est le plus ambitieux des projets robotiques de la NASA pour la décennie 2010 et il se compare à ce titre à la sonde Cassini. La phase de conception du projet est lancée en 2003 et s'achève en 2007.

Un développement difficile

Le rover en cours d'assemblage en juin 2010

Début juin 2007 la phase de conception (Critical Design Review CDR) s'achève et l'évaluation effectuée fait apparaitre déjà un dépassement de 75 M $ par rapport au budget total fixé à l'époque à 1,7 Mds $. La Direction des missions scientifiques de la NASA (Science Mission Directorate) décide de supprimer certaines caractéristiques ne jouant pas un rôle essentiel dans l'atteinte des objectifs : la caméra de l'étage de descente MARDI et la fonction zoom des caméras de mat sont abandonnées tandis que la meule située en bout de bras est remplacée par une brosse^[77]. La phase de développement qui suit est marquée par de nombreux problèmes qui entrainent parfois des changements importants dans la conception initiale de la sonde et du rover. L'équipe de développement renonce très tard en 2008, faute de résultats probants, au nouveau système de lubrification à sec^{[N 8]} des actuateurs et des moteurs électriques : ceux-ci, en supportant des températures plus froides, devaient permettre au rover d'explorer des zones plus septentrionales de Mars comme le demandaient les scientifiques. A la suite de cette modification tous ces composants (51 actuateurs et 54 moteurs électriques) sont fabriqués dans l'urgence selon les spécifications révisées par l'industriel qui ne parvient pas à tenir les délais : violant toutes ses procédures, le JPL doit assembler en parallèle le modèle d'ingénierie et le modèle de vol du rover^{[N 9]}. Le système de gestion de bord, contrairement à celui des rovers MER, est complètement redondant ce qui se traduit paru ne complexité encore accrue par la sophistication de l'engin. Comme, par ailleurs, le rover comprend un grand nombre de circuits logiques programmables et l'ordinateur du rover prend en charge les phases de transit Terre-Mars et la descente sur le sol martien, le développement et la qualification des logiciels embarqués est particulièrement complexe et les délais sont largement dépassés. Sur le véhicule de rentrée, les ingénieurs se rendent compte très tard que le matériau ablatif sélectionné pour le bouclier thermique, repris des rovers MER, n'aura pas une capacité d'évacuation de la chaleur suffisante et ils doivent sélectionner le PICA déjà utilisé à une moindre échelle pour la sonde Stardust mais plus difficile à mettre en œuvre^{[N 10]}. Enfin la conception du système de prélèvement et de conditionnement des échantillons du sol martien situé au bout du bras télécommandé du rover a été plusieurs fois modifiée depuis 2006 et revue une dernière fois à la suite des déboires rencontrés par un système similaire mis en œuvre par la sonde martienne Phoenix en 2008. La qualification du bras du rover, déjà handicapée par le problème des actuateurs, a été particulièrement tardive et se poursuit en 2011^[78].

Dépassements budgétaires et report du lancement de 2009

En 2008 le dépassement budgétaire résultant des difficultés rencontrées durant la phase de développement est officialisé : annoncé à 24% en avril 2008 il atteint 30% en octobre^[79]. Le 4 décembre 2008 la NASA décide officiellement de reporter le lancement prévu en 2009 à novembre 2011 qui est la prochaine fenêtre de lancement permettant l'envoi d'une sonde vers Mars. La raison invoquée est que les tests ne seront pas achevés à temps. Le budget supplémentaire rendu nécessaire à la fois par les dépassements et le rallongement de la période de développement est trouvé en repoussant d'autres projets de sondes interplanétaires en particulier de celles à destinations de Mars^[80],[78].

Un rover baptisé Curiosity

La NASA lance en 2009 un concours auprès du public pour baptiser le rover de la mission MSL. Après avoir sélectionné neuf finalistes (Journey, Wonder, Perception, Adventure, Sunrise, Curiosity, Amelia, Poursuit et Vision) sur plus de 9 000 propositions, le vote des internautes a finalement retenu le nom de Curiosity, le 27 mai 2009. Ce nom a été proposé par une jeune fille de 12 ans, Clara Ma^{[81],[82],[N 11]}

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  Les principaux composants de la sonde MSL assemblés pour des tests.

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  Le rover en fin d'assemblage (juin 2011).

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  Face avant du rover.

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  Pont supérieur du rover photographié par la caméra située dans le mat.

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  Étage de descente en cours d'assemblage.

Le lancement de 2011 menacé

En juin 2011 le coût total de la mission est estimé à 2,5 milliards de dollars US sous réserve que le lancement soit effectué en 2011. Le surcout atteint désormais 56% au niveau du projet global et 86% au niveau de la phase de développement. À cette date la recette de plusieurs composants importants n'est toujours pas achevée : sont concernés l'avionique, le fonctionnement en mode dégradé du rover et le système de collecte d'échantillons. Les performances du système de production d'énergie suscitent également des inquiétudes. Un report supplémentaire de 2 ans entrainerait un surcoût supplémentaire estimé à 570 M$^[83].

Notes et références

Notes

Références

Sources

NASA :

• (en) Adam D. Steltzner et all, Mars Science Laboratory Entry, Descent, and Landing System Overview, 14 mai 2010 [lire en ligne] 
  Description du scénario d'atterrissage sur Mars de MSL
• (en) Andre Makovsky,Peter Ilott,Jim Taylor (NASA/JPL), Mars Science Laboratory Telecommunications System Design, novembre 2009 [lire en ligne] 
  Description du système de télécommunications de MSL
• (en) NASA/JPL, MSL Landing Site Selection User’s Guide to Engineering Constraints, août 2007 [lire en ligne] 
  Contraintes techniques auxquelles doit répondre le site d'atterrissage de MSL
• (en) Louise Jandura (NASA/JPL), Mars Science Laboratory Sample Acquisition, Sample Processing and Handling:Subsystem Design and Test Challenges, 12 mai 2011 [lire en ligne] 
  Conception du système de prélèvement d'échantillon de MSL
• (en) R. Braun et R Manning, Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges, 2009 [lire en ligne] 
  Description technique du problème soulevé par l'atterrissage sur Mars (EDL) et des solutions enisageables
• (en) NASA Office of audit, NASA's Management of the Mars Science Laboratory Project (audit 1er trim 2011), 8 juin 2011 [lire en ligne] 
  Audit interne (NASA) de juin 2011 du projet MSL
• (en) F. Abilleira (NASA/JPL), 2011 Mars Science Laboratory Mission Design Overview, 9 septembre 2010 [lire en ligne] 
  Description des contraintes affectant le lancement et du scénario du vol Terre-Mars

Voir aussi

Bibliographie

• (en) Frédéric W. Taylor, The Scientific Exploration of Mars, Cambridge University Press, 2007 (ISBN 978-0-521-82956-4) .

Liens internes

• Géologie de Mars
• Mars
• Exploration de Mars
• Les rovers Spirit et Opportunity prédécesseurs de MSL

Liens externes

• Simulation vidéo couvrant l'ensemble de la mission (2011)
• (en) Site scientifique NASA dédié à MSL
• (en) Site grand public du JPL dédié à MSL
• (en) Site NASA dédié à la sélection du site d'atterrissage de MSL
• (en) Présentation synthétique de la mission de MSL (NASA)
• Page dédiée sur le site du CNES
• [2] et [3] Interview du responsable au CNES de la conception de l'outil CHEMCAM
• Podcast Ciel et Espace avec F Rocard du CNES

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