Le programme New Millennium

La mission Deep Space2, connue aussi sous le nom de Mars Microprobe, constitue la seconde mission du programme New Millennium de la NASA, un programme focalis� sur la validation de nouvelles technologies spatiales plus que sur la collecte et la d�couverte de nouvelles donn�es scientifiques. Deep Space 2 est une mission ambitieuse puisqu'elle ne comprend pas moins que la validation d'une dizaine de nouvelles technologies, qui auront leur place dans les missions plan�taires du si�cle prochain. Le co�t total de la mission est d'environ 30 millions de dollars.

Les r�sultats obtenus seront d'une grande importance, en particulier pour la mise en place d'un r�seau d'observation plan�taire. La mise en place d'un tel r�seau consiste � lancer une multitude de sondes (�ventuellement � partir d'un seul vaisseau m�re, plac� en orbite) vers des r�gions diff�rentes de la surface de Mars. Apr�s l'atterrissage, chaque sonde envoie des donn�es en m�me temps que toutes les autres. L'installation d'un tel r�seau constitue le seul moyen d'�tudier s�rieusement des ph�nom�nes complexes et dynamiques comme le climat ou l'activit� sismique. Pour �tudier l'activit� climatique, il est important d'obtenir des donn�es m�t�orologiques � diff�rents endroits de la plan�te et cela de mani�re simultan�e. C'est la m�me chose pour l'�tude de l'activit� sismique. Un r�seau de stations sismiques permet non seulement de localiser un tremblement de terre (ou un tremblement de Mars, dans notre cas !), mais aussi d'augmenter la probabilit� de la d�tection d'un tel ph�nom�ne. Deep Space 2 est en quelque sorte un pr�curseur de ce genre de mission. Il faudra cependant attendre le projet NetLander et ses quatre petites stations pour avoir un v�ritable r�seau d'observation plan�taire � la surface de Mars.

Remarque : Deep Space 2 est en relation avec la mission Deep Space 1, dont l'objectif est �galement de valider une douzaine de nouvelles technologies (comme la propulsion ionique) par l'interm�diaire d'une sonde qui a d�coll� le 25 octobre 1998. D�tail amusant, Deep Space 1 devait survoler la plan�te Mars en avril 2000, mais cette �tape a �t� annul�e. Elle passera � proximit� d'un ast�ro�de (Braille en juillet 1999) qui n'est plus celui initialement pr�vu (McAuliffe) puis de deux com�tes (Wilson-Harrington en janvier 2001 et Borrely en septembre 2001).

La mission

Les petites sondes sont parties vers Mars en m�me temps que la sonde Mars Polar Lander le 3 janvier 1999, gr�ce �  une fus�e Delta II 7425. Pendant le voyage qui va durer 11 mois, les deux p�n�trateurs sont attach�s sur l'�tage de croisi�re de Mars Polar Lander. Il n'y a pas d'interface �lectrique entre les deux sondes et Mars Polar Lander, de mani�re � simplifier les op�rations en vol. De la m�me mani�re, les sondes seront inactives pendant le voyage et il n'y aura pas de communication avec celles-ci depuis la Terre, du lancement � l'impact final. Pour les prot�ger du froid de l'espace pendant le long voyage vers Mars, chaque p�n�trateur est emmitoufl� dans une sorte de bonnet d'isolation thermique. Le poids de l'interface avec la sonde Mars Polar Lander est de 3,7 kg.

L'atterrissage (mais on pr�f�rera peut �tre le terme de crash !) de Scott et d'Amundsen est pr�vu pour le 3 d�cembre 1999. Il aura lieu dans une r�gion situ�e � proximit� de la calotte polaire sud, � la fronti�re nord des d�p�ts stratifi�s. Les deux p�n�trateurs frapperont la surface � une distance de 50 � 100 km du site d'atterrissage de Mars Polar Lander. Les d�p�ts stratifi�s int�ressent beaucoup les scientifiques. Form�s de l'accumulation de couches de glace et de poussi�re, ils contiennent peut �tre un enregistrement de l'histoire climatique martienne et constituent sans doute un vaste r�servoir de glace d'eau sur Mars.

Juste avant l'entr�e dans l'atmosph�re de Mars, Mars Polar Lander va se s�parer de son �tage de croisi�re. Cette s�paration va activer un m�canisme pyrotechnique qui permettra � son tour la lib�ration des p�n�trateurs, 18 secondes apr�s celle de l'atterrisseur. 4 minutes apr�s, les sondes rentrent dans l'atmosph�re martienne. A ce moment, le bonnet de protection thermique va br�ler et mettre � nu le bouclier thermique. Apr�s une chute courte mais vertigineuse, c'est l'instant crucial, c'est � dire l'impact avec la surface martienne. Sous le choc, chaque sonde va alors se s�parer en deux �l�ments connect�s entre eux par un c�ble flexible.

Les donn�es collect�es pendant la mission seront stock�es temporairement dans les m�moires du micro-contr�leur de la sonde jusqu'� leur transmission sur Terre via la sonde Mars Global Surveyor (Mars Climate Orbiter aurait �galement pu jouer ce r�le) qui va alors fonctionner comme un relais de transmission. Mars Global Surveyor suivra une orbite presque polaire lorsque les deux p�n�trateurs arriveront sur Mars en d�cembre 1999. Pendant les deux premiers jours, les p�n�trateurs auront quatre occasions d'envoyer les donn�es � Global Surveyor (qui passera alors au-dessus du site d'atterrissage), � un d�bit d'environ 8 000 bps gr�ce � une antenne UHF fonctionnant en bande S. Mars Global Surveyor enverra alors les donn�es � la Terre (la r�ception s'effectuera gr�ce aux antennes du Deep Space Network de la NASA).

La mission primaire des deux p�n�trateurs se terminera normalement avec la transmission d'un premier ensemble de donn�es � la Terre via Mars Global Surveyor. Cet unique ensemble de donn�es contiendra assez d'information pour valider d'un point de vue technique les technologies mises en oeuvre. La premi�re session de communication devrait avoir lieu 2 heures apr�s l'impact. En attendant le contact, chaque p�n�trateur se placera dans un mode de faible consommation d'�nergie, pour �viter un �puisement inutile des batteries. D�s qu'il recevra un signal de Mars Global Surveyor, le p�n�trateur sortira de son sommeil et transmettra les donn�es, avant d'attaquer l'analyse du sol qui marquera le d�but de la phase �tendue de la mission. Les donn�es concernant la principale exp�rimentation scientifique (pr�l�vement et analyse d'un �chantillon du sous-sol en vue de la d�tection de glace) devraient alors �tre transmises 6 heures apr�s l'impact. La collecte des donn�es continuera jusqu'� que les batteries soient d�charg�es (entre 1 et 3 jours selon leur dur�e de vie).

Amundsen et Scott

A la fin du mois de novembre 1999, deux semaines avant l'arriv�e sur Mars, les deux petits p�n�trateurs de la mission Deep Space 2 ont �t� baptis�s Amundsen et Scott en l'honneur des premiers explorateurs � avoir atteint le p�le sud terrestre. Le norv�gien Roald Amundsen avait men� pour la premi�re fois une exp�dition vers le p�le sud, qu'il atteint le 14 d�cembre 1911. Lorsque le britannique Robert Scott arrive � son tour au p�le le 18 janvier 1912, c'est seulement pour trouver le drapeau qu'Amundsen avait plant� cinq semaines plus t�t ! La totalit� de l'exp�dition de Scott p�ri lors du voyage de retour, les derniers rescap�s n'�tant plus qu'� 18 km de leur campement. 

La NASA avait organis� un concours pour baptiser les deux petites sondes, qui a d'ailleurs �t� un beau succ�s puisque l'agence spatiale am�ricaine a re�u pas loin de 17 000 propositions ! Ayant trouv� deux noms plut�t sympas pour les petites sondes Deep Space 2, je n'avais pas pu m'emp�cher d'y participer. Ma proposition n'a peut �tre pas �t� retenue, mais je n'ai pas dit mon dernier mot et je les garde sous le coude pour une autre mission spatiale martienne !

Les p�n�trateurs

Chaque sonde kamikaze mesure seulement 18 cm de haut (la taille d'un ballon de basket), p�se 6,5 kg au total (soit 2,4 kg une fois � la surface de Mars), et se compose de trois parties. On trouve d'abord le bouclier thermique qui prot�ge l'engin lors de l'entr�e dans l'atmosph�re de Mars. Comme nous le verrons plus tard, il ne sera pas �ject� pendant la phase finale de la descente, mais sera d�truit lors de l'impact au sol.

La partie sup�rieure (d'un poids de 1,7 kg) est sens�e rester au-dessus de la surface de Mars. C'est elle qui transmettra les donn�es vers la Terre. Con�ue pour supporter une temp�rature de 0� � -80�C, elle comporte deux batteries, le syst�me de t�l�communication, un capteur m�t�orologique sensible � la pression, un acc�l�rom�tre pour la phase de descente et un capteur sensible au Soleil (qui permettra de savoir si la partie sup�rieure du p�n�trateur est vraiment rest�e en surface apr�s l'impact !).

Contrairement � la partie sup�rieure, la section inf�rieure du p�n�trateur doit s'enfoncer de 0,3 � 1 m�tres de profondeur dans le sous-sol martien, selon la nature terrain (sol gel� ou au contraire sol meuble � grains fins). Pr�vue pour fonctionner � une temp�rature de 0�C � -120�C, elle p�se 700 grammes et contient un micro-contr�leur, les composants du syst�me �lectrique, le syst�me de pr�l�vement et de d�tection d'eau, deux capteurs de temp�ratures et un acc�l�rom�tre d'impact � trois axes.

Pour s'enfoncer dans le sol, le p�n�trateur doit absolument arriver sous un angle correct. Les ing�nieurs se sont donc arrang�s pour que l'engin arrive avec la bonne orientation, une tache difficile car lors de la descente finale vers la surface, le p�n�trateur est en r�gime transsonique, un r�gime par d�finition instable, ce qui signifie que le p�n�trateur aura naturellement tendance � osciller.

Pour r�duire la masse et le volume de la sonde, et pour survivre � l'impact extr�mement violent avec la surface de Mars, le p�n�trateur ne contient qu'un tr�s petit nombre de fils �lectriques, histoire d'�viter les courts-circuits ou les ruptures. Le c�blage du syst�me �lectrique est impl�ment� sous la forme d'un ombilic flexible qui relie les deux parties de la sonde entre elles.

Chaque petit p�n�trateur tire son �nergie de deux minuscules batteries au lithium situ�es dans la partie sup�rieure, capable de fonctionner � tr�s basses temp�ratures et de r�sister � des chocs extr�mement violents. Sans panneaux solaires pour les recharger, ce sont elles qui vont d�terminer la dur�e totale de la mission. La puissance maximale �lectrique disponible est seulement de 300 milliwatts !

Les enjeux technologiques

Les deux petites sondes de la mission Deep Space 2 vont r�aliser plusieurs premi�res. Ce sera en effet la premi�re fois que nous pourrons �tudier le sous-sol d'une autre plan�te gr�ce � des p�n�trateurs. Voyons en d�tails les technologies mises en œuvre dans cette ambitieuse mission :

• R�sistance � des chocs �normes : Au moment de l'impact, la vitesse du p�n�trateur sera de 200 m/s. La d�c�l�ration subie au cours du choc pourra atteindre 30 000 G pour la partie inf�rieure du p�n�trateur et 60 000 G pour la partie sup�rieure. En comparaison, l'atterrisseur de Pathfinder n'a exp�riment� qu'une d�c�l�ration de 17 G lors de son atterrissage. Pour donner une id�e de la performance que les p�n�trateurs doivent r�aliser, on peut utiliser un exemple frappant : c'est comme ci on demandait � un ordinateur de bureau de continuer � fonctionner apr�s un choc frontal avec un camion roulant � 200 km/h. Il y a deux mani�res diff�rentes de r�sister � des chocs de cette nature. L'une est d'amortir le choc, l'autre est de r�aliser une structure extr�mement rigide qui subira et laissera passer l'onde de choc sans se d�former. C'est cette deuxi�me solution qui a �t� retenue. De nombreux tests ont �t� effectu�s dans le d�sert du nouveau Mexique (Soccoro) � l'aide d'un canon de 5,5 m�tres de long et de 15 centim�tres de diam�tre, qui a servi � �jecter des prototypes vers le sol � des vitesses de 200 m/s. Le dernier test a eu lieu en septembre 1999.

• Fonctionnement � des temp�ratures tr�s basses : les deux p�n�trateurs vont devoir travailler � des temp�ratures qui pourront atteindre -120�C.

• Entr�e atmosph�rique directe et passive : Les p�n�trateurs n'auront pas besoin d'�tre stabilis� ou point� dans la bonne direction pendant l'entr�e atmosph�rique. Aucune fus�e ni syst�me de guidage ou de contr�le d'attitude ne viendra corriger la trajectoire, stabiliser la rotation ou d�terminer l'orientation lors de l'entr�e atmosph�rique. Les p�n�trateurs vont se comporter exactement comme le volant que l'on utilise au badminton. La plus grande partie du poids de l'engin est plac�e en avant du centre de gravit�. Ainsi, ils se r�orienteront d'eux m�me dans la bonne direction, m�me dans le cas ou ils ont commenc� leur entr�e atmosph�rique compl�tement � l'envers, ou s'ils sont anim�s d'un mouvement d'oscillation. Dans le m�me registre, les deux petites sondes n'utiliseront pas d'airbags, de parachutes ou de r�trofus�es pour ralentir. Seul le bouclier thermique freinera les deux sondes au cours de leur plongeon vers le sol. Enfin, contrairement � ce que l'on pourrait penser, celui ci ne sera pas abandonn� pendant la descente. Il accompagnera la sonde jusqu'au moment de l'impact, ou il sera proprement pulv�ris�. Le bouclier est capable de supporter des temp�ratures de 2000�C lors de la travers�e de l'atmosph�re martienne tout en maintenant le p�n�trateur � une temp�rature avoisinant les -40� C, le tout � quelques degr�s pr�s ! Le concept du bouclier thermique des p�n�trateurs a �galement �t� valid� par de nombreux tests.

• Miniaturisation extr�me des syst�mes embarqu�s (masse, volume, consommation �lectrique) et simplification extr�me de la sonde, ce qui a permis de r�duire fortement les co�ts de la mission et de diminuer le nombre de tests pendant la mise au point de l'engin.

• Utilisation de satellites relais pour la transmission radio des donn�es � la Terre (Mars Climate Orbiter, qui a malheureusement disparu, et Mars Global Surveyor).

Les objectifs scientifiques

M�me si Scott et Amundsen sont avant tout des d�monstrateurs technologiques, la science est �galement au rendez-vous. Ici, l'objectif scientifique principal est de d�tecter de la glace dans le sous-sol martien. Apr�s l'enfouissement de la partie inf�rieure du p�n�trateur sous la surface de Mars, une petite vrille va sortir sur un c�t� pour pr�lever une petite quantit� de sol (100 milligrammes), qui sera transf�r� dans une petite chambre. Apr�s un scellement pyrotechnique par soudure, la chambre est chauff�e de mani�re progressive (par tranche de 10�). 

Au cours du chauffage, les substances volatiles comme l'eau ou le CO2 vont s'�chapper sous forme gazeuse. On consid�re en effet que le sol martien est un vaste r�servoir d'eau et de gaz carbonique (surtout dans les hautes latitudes). L'eau, par exemple, peut �tre pr�sente sous la forme d'eau liquide, de glace, ou encore li�e chimiquement � certains min�raux (dans ce cas, un chauffage plus important est n�cessaire pour la lib�rer). Un fin pinceau laser va traverser les gaz qui vont s'�chapper de l'�chantillon en vue d'analyser les substances volatiles. Les mol�cules d'eau ou de CO2 vont absorber la lumi�re du laser de mani�re sp�cifique, ce qui permettra de les d�tecter et de mesurer leur concentration. Les r�sultats seront compar�s � ceux obtenus par l'instrument TEGA du Mars Polar Lander. Comme les p�n�trateurs et Mars Polar Lander atterrissent � des endroits bien diff�rents, on pourra obtenir une estimation de la variabilit� des terrains entourant le p�le sud.

D'autres propri�t�s du sous-sol seront �tudi�es, comme la conductivit� thermique et la temp�rature. La conductivit� sera estim�e en mesurant la vitesse � laquelle le p�n�trateur refroidira apr�s son entr�e dans le sous-sol (ce qui r�v�lera � quelle vitesse le sol dissipe la chaleur). Une conductivit� thermique faible indiquera la pr�sence d'un sol constitu� de grains tr�s fins, �ventuellement d�pos�s par le vent. Au contraire, une forte conductivit� thermique r�v�lera la pr�sence d'une grande quantit� de glace dans le sous-sol. La conductivit� a une forte influence sur les temp�ratures qui r�gnent dans le sous-sol et donc sur la profondeur � laquelle la glace est stable. Quant � la temp�rature, elle est obtenue gr�ce � deux capteurs mont�s sur le p�n�trateur.

La partie sup�rieure du p�n�trateur qui reste en surface apr�s l'impact effectuera enfin des enregistrements de la pression atmosph�rique toutes les heures, et ce pendant au moins 2 jours. Les mesures continueront jusqu'� l'�puisement des batteries.

Les donn�es scientifiques ne seront pas recueillies uniquement apr�s l'atterrissage, mais �galement pendant la descente vers la surface martienne et au moment de l'impact. Lorsque les p�n�trateurs fonceront en aveugle vers le sol rouill� de la plan�te rouge, un capteur (acc�l�rom�tre de descente) va mesurer en continu la d�c�l�ration pendant la travers�e de l'atmosph�re martienne. Cette information permettra de construire des profils verticaux de densit�, de pression et de temp�rature pour l'atmosph�re. De la m�me mani�re, lors du choc avec la surface, des acc�l�rom�tres vont enregistrer la brusque d�c�l�ration subie par la sonde. Des donn�es tr�s pr�cieuses, qui serviront ensuite � estimer la duret� du sol, la pr�sence d'une �ventuelle stratification sur une profondeur d'une dizaine de centim�tres ou plus simplement la profondeur � laquelle s'est enfonc�e la section inf�rieure du p�n�trateur. Les informations recueillies seront compar�es avec celle obtenues par le bras robotique du Mars Polar Lander.

R�sultats de la mission

Les deux petits p�n�trateurs de la mission Deep Space 2 ont disparu en m�me temps que Mars Polar Lander le 3 d�cembre 1999. Un chapitre complet consacr� � cette terrible perte sera mis en ligne dans quelques semaines.

Pour en savoir plus :

Liste de liens concernant Deep Space 2 (page de bibliographie).

Les deux sondes Deep Space 2 sont fix�s sur l'�tage de croisi�re de Mars Polar Lander. Le p�n�trateur de droite est d�j� recouvert de sa cagoule noire qui doit le prot�ger contre les rigueurs du milieu interplan�taire (Cr�dit photo : NASA/JPL).

Le largage des deux p�n�trateurs a lieu 10 minutes avant l'atterrissage du Mars Polar Lander et 18 secondes apr�s la s�paration de l'�tage de croisi�re. Juste apr�s le largage des p�n�trateurs, l'ordinateur de bord se r�veille, l'�nergie �tant fournie par des batteries au lithium. Une v�rification des principaux syst�mes est effectu�e. 4 minutes apr�s, chaque p�n�trateur rentre dans l'atmosph�re martienne. Les deux sondes vont s'�craser sur la surface martienne 50 � 85 secondes avant l'atterrissage de Mars Polar Lander qui aura lieu � 100 km de l� (Cr�dit photo : NASA/JPL).

Le bouclier thermique (en blanc � droite) et le bouclier arri�re (en noir � gauche) avant assemblage (Cr�dit photo : NASA/JPL).

L'un des p�n�trateurs Deep Space 2. On reconna�t la partie sup�rieure avec son antenne plumet, la partie inf�rieure destin�e � s'enfoncer dans le sol martien et l'ombilic flexible d'interconnexion (Cr�dit photo : NASA/JPL).

Le p�n�trateur va �tre plac� au fond du bouclier thermique, de mani�re � ce que le centre de masse soit plus bas que le centre de gravit�. Ainsi, avant la rentr�e atmosph�rique, on est sur que la petite sonde va s'orienter d'elle-m�me dans la bonne direction, un peu comme un volant de badminton (Cr�dit photo : NASA/JPL).

Une fois le bouclier arri�re accol� au bouclier thermique, le p�n�trateur � la taille d'un ballon de basket (Cr�dit photo : NASA/JPL).

Pour la phase d'entr�e atmosph�rique et l'atterrissage, les deux p�n�trateurs ne sont �quip�s ni de parachutes ni d'airbags, mais seulement d'un bouclier thermique conique. Ce dernier n'est d'ailleurs pas �ject� pendant la descente. Au moment ou le p�n�trateur rentrera en contact avec le sol martien, il sera proprement pulv�ris�. Les p�n�trateurs sont capables de s'orienter passivement dans la bonne direction avant la rentr�e atmosph�rique, et ils n'ont pas besoin d'�tre stabilis� par rotation, pas plus qu'ils ne n�cessitent un syst�me de guidage actif. Avec une entr�e atmosph�rique passive et une phase d'atterrissage qui se d�roule en une seule �tape, la mission est � la fois simple et robuste (Cr�dit photo : NASA/JPL).

Principe de fonctionnement du p�n�trateur. La section inf�rieure, encastr� � l'origine dans la section sup�rieure, se s�pare au moment de l'impact avec la surface martienne pour s'enfoncer dans le sous-sol � une profondeur variant entre 0,3 � 1 m�tre (Cr�dit photo : NASA/JPL).

La partie sup�rieure du p�n�trateur rester � la surface de Mars. On y trouve les batteries, un capteur de pression, un capteur solaire, l'antenne de transmission avec son plumet terminal ainsi qu'un acc�l�rom�tre de descente. La partie inf�rieure, qui s'est enfouie dans le sous-sol, comporte trois acc�l�rom�tres d'impact (un pour chaque axe), les syst�mes �lectroniques, le dispositif de pr�l�vement, le syst�me permettant la d�tection de l'eau et deux capteurs de temp�rature. Les deux parties de la sonde sont reli�es par un c�ble flexible (Cr�dit photo : NASA/JPL).