- ExoMars Trace Gas Orbiter
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ExoMars Trace Gas Orbiter
Vue d'artiste de Mars Trace Gas Mission
Caractéristiques Organisation ESA/NASA Domaine Observation de Mars Type de mission Orbiteur Masse 3 800 kg (sans EDM) Lancement 2016 Lanceur Atlas V 421 Orbite circulaire Périapside 400 km Apoapside 400km Inclinaison 74 ou 106° Informations générales ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) (autrefois désigné sous l'appellation 2016 Mars Science Orbiter (MSO))[1],[2] est une sonde interplanétaire développé par l'Agence spatiale européenne avec une participation importante de la NASA qui doit se placer en orbite autour de la planète Mars pour étudier l'origine du méthane et d'autres gaz présents dans l'atmosphère martienne. La sonde doit être lancée en 2016 dans le cadre du programme ExoMars par un lanceur américain Atlas V 421. La sonde doit transporter l'atterrisseur européen ExoMars EDM qui doit permettre aux équipes européennes de roder les techniques d'atterrissage sur Mars[3],[4]
Sommaire
Contexte
Au début des années 2000 un projet de rover martien européen ExoMars, est mis à l'étude. Ce projet ambitieux est repoussé à plusieurs reprises car il nécessite à la fois des moyens financiers importants et la maitrise des techniques d'atterrissage sur Mars. Il est inscrit en 2005 comme mission majeure (Flagship mission) du programme Aurora. En octobre 2009 la NASA et l'Agence spatiale européenne associent leurs projets d'exploration de la planète Mars dans le cadre de l'Initiative conjointe d'exploration de Mars. La première matérialisation de cet accord est le programme ExoMars qui regroupe désormais quatre engins spatiaux :
- ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) est un orbiteur sous la responsabilité de l'ESA qui a pour mission primaire d'identifier l'origine du méthane et d'autres gaz rares présents dans l'atmosphère martienne
- ExoMars EDM est un atterrisseur de l'ESA qui doit permettre à celle-ci de valider les techniques de rentrée atmosphérique et d'atterrissage sur Mars en vue de l'envoi d'un rover.
- ExoMars Rover est un rover européen qui doit rechercher la présence de vie sur Mars et étudier la surface la planète pour y détecter des indices de présence d'eau
- MAX-C est un rover développé par la NASA qui doit pouvoir rechercher des indices de la vie, prélever des carottes dans le sous-sol martien et les stocker pour une future mission de retour d'échantillon sur Terre qui reste à définir.
Les engins ExoMars TGO et ExoEDM doivent être lancés ensemble début 2016 et constituer la première partie du programme ExoMars placée sous la responsabilité de l'Agence spatiale européenne. La seconde partie du programme, lancée en 2018 par une unique fusée et baptisée ExoMars 2018, comprend le lancement des deux rovers qui doivent effectuer l'atterrissage en partageant le même module de descente. Exomars 2018 est placée sous la responsabilité de la NASA.
Le constructeur franco-italien Thales Alenia Space a été retenu pour la construction de ExoMars TGO et ExoMars EDM[5].
Objectifs
ExoMars TGM a une mission principale scientifique et une mission secondaire qui est de jouer le rôle de relais de télécommunications avec les autres orbiteurs en activité autour de Mars pour les rovers présents sur le sol martien.
Des observations récentes réalisées par des orbiteurs martiens ainsi que depuis des observatoires terrestres ont indiqué la présence de méthane dans l'atmosphère martienne avec des variations dans le temps de la concentration de ce gaz. Les modèles actuels ne permettent pas d'expliquer la présence de méthane et les rapides changements de sa concentration sur le plan spatial et temporel. L'apparition du méthane comme sa disparition ne sont pas expliquées. Ces observations soulèvent les questions suivantes :
- S'agit il d'une manifestation d'une activité souterraine :
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- Y a-t-il des réservoirs de glace en surface ou proches de la surface (en particulier dans la glace) ? Où sont ces réservoirs
- Quelle est l'origine de ce gaz : géochimique ou biochimique ?
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- Existe-t-il d'autres traces de gaz ? Quels sont les ratios des isotopes ?
- Quels sont les processus qui contrôlent le cycle de vie de ces gaz ?
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- Échelle de temps des emplacements, des activations et des modifications : phénomènes saisonniers, annuels, épisodiques, long terme
- rôle de la géochimie hétérogène
- Interaction entre la surface et l'atmosphère
Ces questions débouchent sur les objectifs assignés à la mission ExoMars TGM[6] :
- Identifier les gaz et isotopes présents sous forme de trace dans l'atmosphère martienne
- Définir les variations spatiales et temporelles de la distribution du méthane et si possible des gaz les plus importants ainsi que des molécules à l'origine de ces gaz (H²O,...)
- Localiser les sources du méthane et des principaux gaz et leurs interactions dont celles avec les aérosols et de quelle manière ces processus sont modifiés par l'état de l'atmosphère (température, distribution des principales sources de gaz comme l'eau)
- Prendre des photos des formations de surface qui peuvent être liées aux sources de gaz.
Caractéristiques techniques
La plateforme d'ExoMars TGM est le bus Spacebus développé par Thalès Alenia pour ses satellites de télécommunications géostationnaires. La structure centrale est un cylindre d'un diamètre de 1,20 mètre. La propulsion principale est assurée par un moteur-fusée biergol Leros1b de 645 Newtons de poussée qui consomme un mélange hypergolique d'hydrazine et de peroxyde d'azote. Six propulseurs monergol de 22 N de poussée sont chargés d'effectuer des corrections de trajectoire demandant un delta-v modéré et de contrôler l'orientation du satellite durant les moments critiques en particulier durant les phases d'aérofreinage et juste avant la libération de l'atterrisseur. L'énergie électrique est fournie par des panneaux solaires d'une superficie de 20 m² et . Les panneaux sont orientables avec 1 degré de liberté. L'énergie est stockée dans deux batteries Lithium-Ion d'une capacité de 180 A-h permettant d'alimenter le satellite durant les phases d'éclipse. Lorsque les instruments scientifiques fonctionnent, le contrôle d'attitude|contrôle de l'orientation est prises en charge par les seules roues de réaction ayant un couple de 20 Nms.
Les télécommunications sont prises en charge par deux transpondeurs d'une puissance de 65 Watts en bande X et bande Ka (secours) utilisant une antenne à grand gain de 2,2 mètres de diamètre. TGO possède par ailleurs trois antennes faible gain et deux transpondeurs pour les liaisons de proximité en bande UHF avec les rovers se trouvant à la surface de Mars. L'orbiteur a une masse à vide de 1,365 tonnes dont 125 kg de charge utile. ExoMars TGO transporte l'atterrisseur ExoMars EDM qui représente une masse d'environ 600 kg. Le carburant nécessaire aux différentes manœuvres représente une masse de 2190 kg. Compte tenu de la capacité du lanceur Atlas V qui peut placer sur une trajectoire de transit vers Mars 4,4 tonnes l'orbiteur peut stocker dans ses réservoirs jusqu'à 2,44 tonnes de carburant[5].
Instruments scientifiques
ExoMars TGM embarque cinq instruments scientifiques développés par des équipes internationales. Quatre de ces instruments sont développés sous la responsabilité américaine et un instrument sous la responsabilité de la Belgique[6] :
- Le spectromètre infrarouge MATMOS effectue des mesures dans la bande des 2,3-11,8 microns. Il doit détecter les traces de gaz présents dans l'atmosphère et de leurs isotopes.
- Le spectromètre ultraviolet NOMAD fonctionne dans les bandes 0,2-0,65 et 2,2-4,3 microns. Il doit détecter les gaz et les isotopes présents dans l'atmosphère. L'instrument est très proche de celui embarqué sur la sonde Venus Express.
- Le radiomètre infrarouge EMCS utilise 9 canaux entre 12 et 45 microns pour mesurer la température, la pression, la concentration de poussière, la vapeur d'eau, la glace dans l'atmosphère avec une résolution verticale de 5 km sur une épaisseur de 90 km. L'instrument est pratiquement une copie de l'instrument Mars Climate Sounder de la sonde martienne Mars Reconnaissance Orbiter.
- L'imageur MAGIE fournit des images en lumière visible et dans l'ultraviolet destinées à fournir le contexte météorologique. Il doit délivrer 50 cartes par jour de l'atmosphère avec une définition de 4 à 6,4 km par pixel pour les cartes d'ensemble et de 400 mètres par pixel pour des cartes de détail.
- L'imageur HiSCI doit fournir des images en couleur. La caméra a une focale de 6,4 mètres.
Déroulement de la mission
ExoMars TGO doit être lancé début janvier 2016 par une fusée Atlas V 421 et atteindre Mars environ 9 mois plus tard vers octobre 2016. Trois à cinq jours avant les manœuvres d'insertion en orbite autour de Mars, la sonde doit libérer l'atterrisseur qui effectue une rentrée directe dans l'atmosphère martienne dans le prolongement de la trajectoire hyperbolique de la sonde. Les manœuvres d'insertion en orbite qui suivent sont dans la mesure du possible conçues pour permettre de maintenir la liaison UHF avec l'atterrisseur. La sonde doit s'insérer sur une orbite elliptique autour de Mars d'une période de 4 sols et s'y maintenir durant 8 sols après l'atterrissage pour que l'orbiteur puisse effectuer un passage supplémentaire au-dessus du lieu d'atterrissage. Par la suite ExoMars TGO entame une série de manœuvres à l'aide de sa propulsion pour réduire son apogée et faire passer son inclinaison à 74° et sa période à 1 sol. Les réductions consécutives de son apogée sont effectuées en utilisation la technique de l'aérofreinage c'est-à-dire en manœuvrant de manière à faire passer l'orbiteur dans les couches denses de l'atmosphère martienne et ainsi ralentir la sonde et réduire son orbite. Cette deuxième phase doit durer de 6 à 9 mois et doit amener la sonde sur une orbite circulaire comprise entre 350 et 420 km optimale pour le recueil des données scientifiques [7].
Le recueil des données scientifiques devrait débuter vers mai 2017 mais cette date dépend de l'efficacité de l'aérofreinage. La durée nominale de la mission scientifique est de une année martienne. A l'issue de cette phase les deux rovers de la mission ExoMars 2018 devraient arriver (début janvier 2019) : la mission prioritaire de l'orbiteur sera, à compter de cette date, de jouer le rôle de relais de télécommunications entre les rovers et la Terre[7].
Références
- Mars Trace Gas Mission - Science Rationale & Concept (10 September 2009)
- Report to MEPAG on the ESA-NASA Joint Instrument Definition Team (JIDT) for the Proposed 2016 Orbiter-Carrier (29 July 2009)
- « »
- MEPAG Report to the Planetary Science Subcommittee Author: Jack Mustard, MEPAG Chair. July 9, 2009 (pp. 3)
- (en)Pasquale Santoro, « The ExoMars mission », 23 septembre 2010[PDF]
- (en)P Crane JL Vago, « ExoMars 2016 Payload selection », 30 septembre 2010
- (en)ESA, « ExoMars 2016 Payload selection », janvier 2010, p. 14-16[PDF]
Voir aussi
Liens internes
- ExoMars Programme englobant quatre missions martiennes dont ExoMars TGM
Liens externes
- (en) Page dédiée à la mission sur le site de l'ESA
- (en) Cahier des charges des expériences scientifiques embarquées (janvier 2010 ESA)
- (en) Sélection de la charge utile (sept 2010)
- (en) Présentation des missions du programme ExoMars par le constructeur Thales Alenia (septembre 2010)
- (en) Article sur le site de NASA JPL
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