ExoMars Trace Gas Orbiter

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ExoMars Trace Gas Orbiter

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Vue d'artiste de Mars Trace Gas Mission

Caractéristiques
Organisation ESA/Roscosmos
Domaine Observation de Mars
Type de mission Orbiteur
Masse 3 800 kg (sans EDM)
Lancement 2016
Lanceur Proton
Orbite circulaire
Périapside 400 km
Apoapside 400km
Inclinaison 74 ou 106°

ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) (autrefois désigné sous l'appellation 2016 Mars Science Orbiter (MSO)) est une sonde interplanétaire développée par l'Agence spatiale européenne avec une participation importante de l'agence spatiale russe Roscosmos 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 spatiale fait partie du programme européen ExoMars et doit, à ce titre, également servir de relais de télécommunications entre la Terre et les engins européens de ce programme qui doivent se poser sur le sol martien. La sonde doit être lancée en 2016 par une fusée russe Proton qui emportera également l'atterrisseur européen ExoMars EDM chargé de roder les techniques d'atterrissage sur Mars. L'instrumentation scientifique est en partie fournie par la Russie.

Contexte[modifier | modifier le code]

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.

Le projet conjoint avec la NASA[modifier | modifier le code]

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. Il doit également servir de relais de télécommunications entre la Terre et le sol martien. Les instruments scientifiques sont fournis en partie par les laboratoires américains.
  • 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 tandis que les deux rovers sont lancés en 2018 en utilisant le système d'atterrissages américains. Les lanceurs sont également fournis par la NASA.

Retrait de la NASA et participation russe[modifier | modifier le code]

Mais en 2011/2012, la NASA soumise à une pression budgétaire importante se retire du programme après avoir proposé dans un premier temps d'en diminuer les couts en fusionnant les deux projets de rover. L'ESA sollicite alors la participation de l'agence spatiale russe Roscosmos qui accepte d'intégrer le programme ExoMars. Au terme d'un accord conclu en mars 2012, l'agence spatiale russe fournit les deux lanceurs Proton nécessaires, une partie de l'instrumentation de TGO ainsi que le véhicule de rentrée et de descente qui doit poser le rover européen sur le sol martien. Les modifications structurelles introduites par ce changement tardif de partenaire rendent l'échéance du premier lancement (TGO et EDM) qui doit avoir lieu en janvier 2016 difficile à tenir. Après des discussions menées avec les industriels concernés, les responsables de l'agence spatiale européenne décident de maintenir le calendrier initial. En juin 2013, l'ESA passe commande à l'établissement italien du constructeur Thales Alenia Space des engins ExoMars TGO et ExoMars EDM[1]

Objectifs[modifier | modifier le code]

ExoMars TGO 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 :
    • 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 ?
    • 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 ?
    • 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 TGO[2] :

  • 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[modifier | modifier le code]

La plateforme d'ExoMars TGO 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[3].

Instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

ExoMars TGM embarque plusieurs instruments scientifiques dont certains sont fournis par la Russie. En octobre 2012 le seul instrument connu est 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.

Les quatre groupes d'instruments scientifiques de TGO
Instrument Type instrument Objectifs Principales caractéristiques Responsable scientifique Pays participant Masse Consommation
NOMAD SO : spectromètre infra-rouge Profil vertical des composants présents dans l'atmosphère longueurs d'ondes : 2,2.-4,3 µm
résolution spectrale : ?
A.C. Vandaele (Belgique) Belgique, Espagne, Italie, Royaume-Uni, États-Unis, Canada. kg Watts
LNO : spectromètre infra-rouge Profil vertical des composants présents dans l'atmosphère, glaces et gelées au sol longueurs d'ondes : 2,2.-4,3 µm
résolution spectrale : ?
UVIS : spectromètre ultraviolet/visible Détection de la présence dans l'atmosphère de l'ozone, de l'acide sulphurique et des aérosols longueurs d'ondes : 0,2-0,65 µm
résolution spectrale : ?
ACS NIR : spectromètre à filtre acousto-optique accordable Profils verticaux de température et de densité CO2, CH4 H2O et CO, ratio isotopiques, recherche de nouvelles molécules organiques,... longueurs d'ondes : proche infra-rouge 0,7 µm - 1,7 µm
résolution spectrale : ?
O. Korablev (Russie) Russie, France, Allemagne, Italie. kg Watts
MIR : spectromètre à filtre acousto-optique accordable cf NIR longueurs d'ondes : moyen infra-rouge 2,3 µm - 4,6 µm
résolution spectrale :  ?
TIR : spectromètre Fourier Profil thermique de l'atmosphère, controle de la poussière et des nuages de condensation, carte de distribution du méthane,... longueurs d'ondes : infrarouge thermique 1,7 µm - 4 µm
résolution spectrale :  ?
CaSSIS Imageur Images des portions de surface sources potentielles des gaz détectés, détection des processus dynamiques en surface, recherche de zones d'atterrissage pour le rover ExoMars longueurs d'ondes : Panchromatique 650 nm (250 nm), Infrarouge 950 nm (150 nm), proche infrarouge 850 nm (120 nm), bleu-vert 475 nm (150 nm)
résolution optique : 5 mètres / pixel
Fauchée : 8 km
1 degré de liberté
Images en relief
N. Thomas (Suisse) Suisse, Italie kg Watts
FREND Détecteur de neutrons Concentration en hydrogène dans la couche superficielle de la surface de Mars Énergie des neutrons détectés : 0.4 eV - 500 keV et 0.5 MeV - 10 MeV I. Mitrofanov (Russie) Russie, États-Unis kg Watts

Spectromètres NOMAD[modifier | modifier le code]

NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) est un ensemble de spectromètres mesurant le spectre de la lumière du Soleil sur différentes longueurs d'ondes (infrarouge, visible, ultraviolet) qui soit traversent le limbe atmosphérique de Mars soit est réfléchie par son sol. L'instrument SO effectue des observations lorsque Mars occulte le Soleil. Il permet d'observer 6 petites portions du spectre infrarouge en 1 seconde. Lors d'une occultation du Soleil (durée 5 minutes) il permet d'obtenir 300 spectres par longueur d'onde et ainsi de fournir un profil vertical de l'atmosphère de la base au sommet. LNO est utilisé pour analyser la lumière réfléchie par le sol martien au nadir. Sa sensibilité est accrue par rapport à SO pour prendre en compte la quantité plus faible du rayonnement analysé. UVIS est un instrument très léger qui fournit des informations complémentaires en particulier sur les concentrations d'ozone, d'acide sulphurique et d'aérosols. SO est une copie de l'instrument SOIR installé à bord de Venus Express. LNO est dérivé de SOIR. UVIS est un instrument développé initialement pour le rover ExoMars dans sa première version[4].

Spectromètres ACS[modifier | modifier le code]

ACS (Atmospheric Chemistry Suite) est un ensemble de trois spectromètres utilisé pour déterminer le spectre de la lumière solaire réfléchie par le sol martien ou traversant l'atmosphère martienne dans le cadre d'une occultation du Soleil par la planète. Les spectres sont mesurés par les trois instruments qui composent ACS respectivement dans le proche infrarouge (NIR), moyen infrarouge (MIR) et infrarouge thermal (TIR). Ces longueurs d'ondes ont été choisies car elles permettent de détecter l'eau, le méthane et d'autres constituants mineurs de l'atmosphère et d'étudier la structure de l'atmosphère ainsi que sa photochimie. Ces spectromètres permettent d'établir des profils verticaux de l'atmosphère de Mars avec la composition (gaz, ratios isotopes, aérosols) de détecter éventuellement de nouvelles molécules. ACS dérive pour MIR et NIR dde TIMM-2 installé sur Phobos Grunt, de l'expérience Rusalka (station spatiale internationale) et de SOIR (Vénus Express). TIR dérive lui d'AOST (Phobos Grunt) et PFS (Mars Express). L'inclinaison retenue pour l'orbite de TGO a été déterminée pour optimiser les résultats de cet instrument[5]

Imageur CaSSIS[modifier | modifier le code]

CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) est une caméra pouvant prendre des images à haute résolution de la surface de Mars (5 mètres / pixel) avec la possibilité de réaliser des photos en relief avec une résolution verticale de 5 mètres. L'instrument est utilisé pour identifier les sources potentielles des gaz libérés dans l'atmosphère martienne. Il doit également permettre d'étudier les processus dynamiques à l'oeuvre à la surface de Mars - sublimation, érosion, volcanisme - susceptibles d'être à l'origine de gaz libérés dans l'atmosphère. CaSSIS installé sur le côté de la sonde spatiale faisant face au sol est pointé par défaut vers le nadir. Pour compenser le mouvement de TGO qui par défaut modifie son orientation pour maintenir en permanence ses panneaux solaires perpendiculaires au rayon du Soleil, la caméra est montée sur un cardan avec un degré de liberté qui permet de maintenir son axe optique perpendiculaire à la surface. Le mécanisme de rotation permet de faire pivoter la caméra de 180°. Cette capacité est également utilisée pour réaliser les vues en relief[6].

Détecteur de neutrons FREND[modifier | modifier le code]

FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) est un détecteur des neutrons disposant d'un module de collimation pour restreindre le champ optique de l'instrument afin de permettre de dresser des cartes à haute résolution de l'abondance de l'hydrogène dans la couche superficielle du sol de Mars. FREND mesure le flux de neutrons en provenance de la surface de Mars qui sont le résultat du bombardement de celui-ci par les rayons cosmiques. Ceux-ci ont suffisamment d'énergie pour briser des atomes présents jusqu'à une profondeur de 1 à 2 mètres. Les neutrons générés sont en en partie capturés ou freinés par les noyaux des atomes avoisinants. Les neutrons qui parviennent à s'échapper sont détectés par l'instrument FREND. En mesurant leur vitesse, celui-ci permet de déduire la composition du terrain et en particulier l'abondance en hydrogène. Pour mesurer les neutrons l'instrument dispose de deux détecteurs : un compteur proportionnel à gaz ³He est chargé de mesurer les neutrons ayant une énergie de 0,4 eV à 500 keV tandis qu'un cristal scintillateur de type stylbene mesure ceux dont l'énergie est comprise entre 0,5 MeV et 10 MeV [7].

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

ExoMars TGO doit être lancé début janvier 2016 par une fusée Proton 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 [8].

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. À 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[8].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Jonathan Amos, « Europe's ExoMars missions 'on track' », sur BBC,‎ 18 juin 2013
  2. (en) P Crane JL Vago, « ExoMars 2016 Payload selection »,‎ 30 septembre 2010
  3. (en) Pasquale Santoro, « The ExoMars mission »,‎ 23 septembre 2010
  4. (en) « EXOMars TGO Instruments : NOMAD - Nadir and Occultation for MArs Discovery », sur ESA (consulté le 16 juillet 2013)
  5. (en) « EXOMars TGO Instruments : ACS - Atmospheric Chemistry Suite », sur ESA (consulté le 16 juillet 2013)
  6. (en) « EXOMars TGO Instruments : CaSSIS - Colour and Stereo Surface Imaging System », sur ESA (consulté le 16 juillet 2013)
  7. (en) « EXOMars TGO Instruments : FREND - Fine Resolution Epithermal Neutron Detector », sur ESA (consulté le 16 juillet 2013)
  8. a et b (en) ESA, « ExoMars 2016 Payload selection »,‎ janvier 2010, p. 14-16

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens internes[modifier | modifier le code]

  • ExoMars Programme de l'ESA englobant trois missions martiennes dont ExoMars TGO

Liens externes[modifier | modifier le code]