Mars 2020 (astromobile)

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Mars 2020
Astromobile
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste du rover Mars 2020 sur le sol martien.
Données générales
Organisation Drapeau des États-Unis NASA
Constructeur Drapeau des États-Unis Jet Propulsion Laboratory
Domaine Collecte d'échantillons du sol martien
Type de mission Astromobile
Statut En cours de développement
Lancement Juillet/août 2020
Lanceur Atlas V 541
Durée de vie 24 mois
Site JPL
Caractéristiques techniques
Masse au lancement ~3 500 kg dont
~1 050 kg pour l'astromobile
Orbite
Atterrissage Février 2021
Principaux instruments
MastCam-Z Caméras
SuperCam Plusieurs spectromètres associés à un laser et une caméra
RIMFAX Radar
PIXL Spectromètre de fluorescence à rayons X 2D / microscope
SHERLOC Spectromètre Raman 2D / microscope
MEDA Station météorologique
MOXIE Démonstrateur technologique ISRU
MHS Hélicoptère de reconnaissance

Mars 2020 est une mission d'exploration de Mars à l'aide d'un astromobile (rover) qui est développée par le Jet Propulsion Laboratory, un centre de la NASA, et dont le lancement est prévu en juillet . Hormis son instrumentation scientifique, l'engin spatial est pratiquement une copie de la sonde spatiale Mars Science Laboratory, qui s'est posée avec succès sur Mars en août 2012. Le principal objectif assigné à cette nouvelle mission est la collecte d'échantillons du sol martien, qui devraient être retournés sur Terre par une mission de retour d'échantillons qui reste en 2018 à financer et à réaliser. L'astromobile doit explorer le cratère Jezero, autrefois emplacement d'un lac permanent et qui conserve les traces d'un delta de rivière. Le coût de la mission Mars 2020 est estimé à 2,5 milliards de dollars américains en incluant le lancement et la conduite des opérations durant la mission primaire, qui doit durer deux années terrestres à partir de 2021.

Sommaire

Historique[modifier | modifier le code]

Lancement du projet[modifier | modifier le code]

À la suite de l'atterrissage réussi de l'astromobile Curiosity de la mission Mars Science Laboratory en août 2012 l'agence spatiale américaine, la NASA, annonce le 4 décembre 2012, au cours d'un congrès de l'Union américaine de géophysique à San Francisco, qu'un astromobile reprenant l'architecture du MSL/Curiosity, y compris le système de rentrée atmosphérique et d'atterrissage, sera lancé vers Mars en 2020. La charge utile de l'astromobile doit être différente de celle de Curiosity. Grâce à la réutilisation des composants du MSL, l'agence spatiale prévoit que le coût de cette mission sera abaissé de 2,5 à 1,5 milliard de dollars américains[1],[2].

Rapport de 2013[modifier | modifier le code]

En janvier 2013, la NASA demande à une équipe scientifique (Science Definition Team ou SDT) de définir les objectifs de la future mission. Le rapport, rendu début juillet 2013, fait figurer parmi les principaux objectifs la collecte d'échantillons martiens qui doivent être ramenés sur Terre par une future mission de retour d'échantillons[3]. Ce rapport préconise également de modifier le système de télécommunications utilisé par l'astromobile Curiosity pour que celui-ci puisse transmettre directement ses données vers la Terre au cas où le relais assuré actuellement en UHF par les orbiteurs martiens ne serait plus opérationnel dans les années 2020. La modification baptisée DTE (Direct-to-Earth) consiste à remplacer l'antenne grand gain par une antenne de plus grande taille et à remplacer l'amplificateur actuel par un tube à ondes progressives plus puissant[4]. Mais cette option n'est pas retenue. Pour les instruments le rapport présente deux exemples de configuration de la charge utile de masse totale équivalente et pouvant remplir les objectifs fixés à la mission. Les trois instruments les plus complexes de MSL - SAM, ChemCam et CheMin - n'en font pas partie. Ils sont en partie remplacés par de nouveaux instruments plus performants (comme la SuperCam à la place de la ChemCam) :

Conception et construction de la sonde spatiale[modifier | modifier le code]

Le module de descente en cours d'assemblage au centre JPL (mars 2018).

Sélection des instruments et du lanceur[modifier | modifier le code]

La construction de l'astromobile débute en juillet 2016[6]. Le lanceur Atlas V 541 qui a placé en orbite la sonde spatiale Mars Science Laboratory est également retenu pour le lancement de Mars 2020[7]. La sélection des instruments embarqués est figée par la NASA en juillet 2014.

L'hélicoptère expérimental MHS[modifier | modifier le code]

En mai 2018, les responsables de la NASA, après une phase d'évaluation, décident que Mars 2020 embarquera à titre expérimental le petit hélicoptère Mars Helicopter Scout (MHS) de 1,8 kg chargé de tester le recours à des vols de reconnaissance optique. Cette expérimentation doit durer une trentaine de jours. Le responsable scientifique de la mission s'oppose en vain à cette décision car il estime que ces tests empièteront sur le déroulement très tendu des opérations au sol. Le coût de cette expérimentation, évalué à 55 millions de dollars américains n'est pas pris en charge par le projet Mars 2020[8],[9].

Coût de Mars 2020[modifier | modifier le code]

Le coût de la mission Mars 2020 est évalué initialement en 2012 entre 1,3 et 1,7 milliards de dollars américains. À la suite des phases de conception, il est figé à 2,44 milliards de dollars américains et reste stable sur la période 2014-2016. Ce coût inclut 576 millions de dollars américains pour les opérations de lancement et l'acquisition du lanceur Atlas V et 456 millions de dollars américains pour la conduite des opérations durant la mission primaire de deux ans. Ce dernier chiffre inclut les réserves dévolues aux dépassements en phase de développement[10]

Objectifs de la mission[modifier | modifier le code]

Le rapport rédigé par la Science Definition Team assigne cinq objectifs à la mission de Mars 2020 :

  • explorer un environnement susceptible d'avoir accueilli la vie en analysant son histoire et les processus géologiques qui s'y sont déroulés[11].
  • rechercher des indices de signatures d'origine biologiques dans une sélection de sites[12] :
    • déterminer l'habitabilité de l'environnement par le passé de la zone explorée.
    • si la zone a pu abriter des formes de vie, rechercher des matériaux qui ont pu préserver des signatures biologiques.
    • recherche des indices potentiels de la vie en utilisant des techniques d'observation permettant de respecter les règles de protection planétaire.
  • collecter des échantillons de sol martien en connaissant leur contexte géologique précis pour permettre une future mission de retour d'échantillons du sol martien sur Terre[13] :
    • collecter des échantillons sélectionnés scientifiquement avec description précise du terrain. Les échantillons devront à la fois être les plus susceptibles de permettre l'identification d'indices de vie et bien représenter la diversité de la région explorée par l'astromobile.
    • assurer que la collecte se fasse en respectant les règles de protection planétaire et que les échantillons pourront être effectivement utilisés par la future mission de retour d'échantillon.
  • préparer les futures missions habitées sur le sol martien en testant des technologies (ISRU, etc.), analysant les conditions régnant à la surface de Mars — rayonnement, température, poussière... — et améliorant les connaissances sur les conditions de rentrée atmosphérique (MEDLI+)[14],[13] :
  • déterminer la morphologie et la taille de la poussière pour comprendre son incidence sur les opérations à la surface de Mars et sur la santé des astronautes :
    • mesurer les caractéristiques du climat à la surface de Mars pour valider les modèles de circulation atmosphérique de la planète.
    • mesurer les performances du véhicule de descente avec une série de capteurs dans les bouclier thermique avant et arrière.

Site d'atterrissage : le cratère Jezero[modifier | modifier le code]

Mars 2020 doit explorer le cratère Jezero, autrefois emplacement d'un lac permanent et qui conserve les traces de plusieurs deltas de rivière. Le site est sélectionné par la communauté scientifique parmi soixante candidats. Le cratère (18.4°N, 77.7°E) est situé dans la région de Nili Fossae. Il se trouve, comme le cratère Gale, exploré par l'astromobile Curiosity, à la limite qui sépare la plaine qui recouvre l'hémisphère nord de la planète et les plateaux élevés et souvent accidentés recouvrant l'hémisphère sud. Le cratère Jezero se situe sur la bordure nord-ouest du bassin Isidis Planitia dernier épisode sur Mars du grand bombardement et qui remonte à plus de 3,9 milliards d'années. Le choc de l'impact est à l'origine du réseau de failles Nili Fossae situé à l'ouest du cratère Jezero. Ce dernier est formé par un impact postérieur. Par la suite deux réseaux de rivières alimentées par des précipitations neigeuses draine la région en déversant leurs eaux dans le cratère Jezero. Un lac d'une profondeur d'au moins 250 mètres est alors formé dans le cratère. Une brèche dans la bordure nord-est du cratère a permis aux eaux de s'écouler à l'extérieur[17].

Selon les observations effectuées par les instruments de l'orbiteur Mars Reconnaissance Orbiter, les terrains situés dans ce cratère de 45 kilomètres de diamètre comportent cinq différents types de roches dont des argiles et des carbonates. Le site, très prometteur du fait de cette diversité géologique, constitue un terrain d'atterrissage difficile car on y trouve à l'est de nombreux rochers, des falaises à l'ouest et des dépressions remplies de dunes de sable à différents emplacements. Mais les améliorations apportées par la NASA dans les techniques de guidage durant la descente de l'astromobile vers le sol, se traduisent par une réduction de la taille de l'ellipse d'atterrissage de 50 % par rapport à la mission de Curiosity en 2012 et permettent désormais d'accéder à ce type de site[18].

Le cratère Jezero est la destination de Mars 2020. C'est le site d'atterrissage le mieux classé par les scientifiques.

Critères de sélection[modifier | modifier le code]

Le site d'atterrissage de MARS 2020 est, comme dans le cas de Curiosity, sélectionné par consultation de la communauté internationale des spécialistes de Mars. Le site retenu doit avoir par le passé, vu circuler de l'eau et par ailleurs répondre aux critères suivants[13] :

  • permettre de remplir les objectifs scientifiques.
  • les roches présentent des caractéristiques qui permettent de supposer que dans des conditions environnementales appropriées, des formes de vie ont pu apparaître.
  • les roches et le régolithe remontant à l'époque où l'environnement était favorable à la vie sont présents sur le site.
  • les roches présentes ont été altérées par des processus géologiques et environnementaux y compris ceux nécessitant la présence d'eau.
  • le type de roche présent a pu préserver les caractéristiques physiques, chimiques, minérales et moléculaires d'une vie passée.
  • le site présente un potentiel scientifique important si les échantillons de sol martien peuvent revenir sur Terre.
  • le site dispose de ressources en eau (sous forme de glace d'eau ou de minéraux comprenant une proportion d'eau) que l'astromobile peut étudier pour en comprendre le potentiel dans le cadre des futures missions avec équipage.
  • le site permet à l'astromobile d'atterrir et de circuler sans rencontrer des incidents de terrain constituant une menace importante pour la mission.

Le processus de sélection[modifier | modifier le code]

Initialement 28 sites d'atterrissage sont proposés et classés en mai 2014[19]. Dix sites sont sélectionnés au cours d'une deuxième séance de travail qui a lieu en août 2015. Dans l'ordre de leur classement (en commençant par le mieux noté), ce sont[20] :

En février 2017 une deuxième séance de travail réduit le nombre de site à trois : cratère Jezero, Syrtis Major Planum et Columbia Hills. Les deux premiers ont des appréciations largement au-dessus du troisième[21]. Le cratère Jezero est finalement sélectionné en novembre 2018.

Caractéristiques techniques de la sonde spatiale[modifier | modifier le code]

Schéma 1 : Vue éclatée de la sonde spatiale : 1 - Étage de croisière, 2 - Bouclier arrière, 3 - Étage de descente, 4 - Astromobile, 5 - Bouclier thermique avant, 6 - Logement du parachute.
La sonde spatiale complète est préparée pour des tests thermiques (2019).

La sonde spatiale Mars 2020 reprend l'architecture de Curiosity. Comme celui-ci et comme les engins de sa catégorie qui l'ont précédé, il se compose de quatre éléments principaux (cf schéma 1) :

  • 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 l'astromobile sur le sol martien.
  • l'astromobile proprement dit chargé de mener à bien la mission sur le sol martien.
Masse des principaux composants de la sonde Mars 2020 basés sur les valeurs de Mars Science Laboratory (sauf pour l'astromobile)
Composant principal Référence
schéma
Sous-composant Masse Commentaire
Étage de croisière 1 - 539 kg[22] dont 70 kg de carburant
Véhicule de rentrée
et étage de descente
5 Bouclier thermique avant 382 kg[23]
2 Bouclier arrière 349 kg[23]
3 Étage de descente 1 219 kg[23] dont 390 kg de carburant
- Total 2 400 kg[22] [Note 10]
Astromobile 4 - 1 050 kg
Sonde spatiale MSL - Masse totale environ 3 640 kg[22]

Modifications apportées par rapport au Mars Science Laboratory[modifier | modifier le code]

En dehors de la charge utile de l'astromobile qui est adaptée afin de remplir les objectifs de la mission, certains équipements sont modifiés pour améliorer les performances générales. Ces évolutions permettent d'améliorer la précision de l'atterrissage et de diminuer les risques de cette phase sont les suivants :

  • Range Trigger (RT) : l'ouverture du parachute du MSL est conditionné par la vitesse de l'engin spatial. La modification envisagée pour la future mission consiste à déclencher cette ouverture lorsque la distance à la zone visée devient inférieure à une certaine valeur. Cette modification qui peut être mise en œuvre sans évolution majeure de la sonde spatiale (l'information est déjà disponible) permet d'abaisser la longueur du grand axe de l'ellipse d'atterrissage de 25 à 13-18 km[24].
  • Terrain-Relative Navigation (TRN) : il s'agit d'utiliser les images fournies par les caméras embarquées lors de la descente vers le sol pour déterminer la position du module de descente et atterrissage par rapport à sa cible avec une précision d'environ 60 mètres au lieu d'un à deux km avec MSL. Cette précision permettra d'éviter les zones de terrain les plus accidentées en utilisant les capacités de l'étage de descente à dévier de sa trajectoire. Cette capacité est déjà utilisée lors de la séparation de l'étage de descente avec le bouclier arrière et le parachute. L'étage de descente dispose de suffisamment de carburant pour s'écarter de sa trajectoire d'environ 300 mètres[25].

Le recours à des panneaux solaires au lieu du générateur thermoélectrique à radioisotope multi-mission (MMRTG) utilisé par le MSL est envisagé mais écarté.

L'étage de croisière[modifier | modifier le code]

L'étage de croisière de Mars 2020 est similaire à celui de Mars Science Laboratory (ici représenté).

L'étage de croisière est similaire à celui de MSL. C'est une structure cylindrique en aluminium de 4 mètres de diamètre et de faible hauteur d'une masse de 539 kg 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 spatiale entre l'orbite terrestre et la banlieue de Mars. À l'approche de Mars, l'étage de croisière, qui achève sa mission et constitue désormais une masse pénalisante, est largué avant que le véhicule de rentrée n'entame la rentrée atmosphérique. L'étage de croisière effectue à l'aide de son système de propulsion les 5 à 6 corrections de trajectoire nécessaires pour que la sonde se présente à proximité de la planète Mars avec la vitesse et la position lui permettant d'effectuer un atterrissage de précision ; 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[26],[27].

Le véhicule de rentrée[modifier | modifier le code]

La traversée de l'atmosphère martienne à une vitesse initiale atteignant 6 km par seconde provoque un échauffement important des parties externes de la sonde qui atteignent une température de 2 100 °C. Pour protéger l'astromobile 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. Le véhicule de rentrée a la forme d'une sphère-cône de demi-angle de 70° héritage du programme Viking repris sur tous les engins de la NASA envoyés à la surface de Mars par la suite. Par contre, la sonde innove avec des moteurs-fusées qui permettent de contrôler de manière active et non plus passive l'orientation du véhicule de rentrée jusqu'au déploiement du parachute afin de corriger les écarts par rapport à la trajectoire nominale et de permettre un atterrissage de précision. Le bouclier encapsule l'étage de descente et l'astromobile et est solidaire de l'étage de croisière durant le transit Terre-Mars.

L'étage de descente[modifier | modifier le code]

L'étage de descente de Mars 2020.

L'étage de descente prend en charge la dernière phase de la descente et dépose en douceur l'astromobile sur le sol martien. Une fois cette mission achevée, il reprend de la hauteur et va s'écraser à quelques centaines de mètres de l'astromobile. Pour réaliser sa mission, l'étage de descente comprend :

  • huit moteurs-fusées (MLE ou Mars Lander Engines) d'une poussée unitaire modulable entre 400 et 3 060 newtons (de 13 à 100 %).
  • huit petits moteurs-fusées chargés du contrôle de l'orientation (attitude) de la sonde.
  • un radar doppler en bande Ka (TDS ou 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 ou BUD) et un cordon ombilical qui relient l'astromobile et l'étage de descente lorsque celui-ci dépose l'astromobile sur le sol martien.

L'astromobile (rover)[modifier | modifier le code]

Le rover en cours d'assemblage : test de vision des caméras embarquées.

L'astromobile est basé sur Curiosity mais comporte plusieurs différences qui portent sur les instruments embarqués, le bras (plus massif), la présence d'un espace de stockage des échantillons martiens, et les roues modifiées pour tenir compte des déboires rencontrés par Curiosity. Ces modifications se traduisent par une masse nettement supérieure (1 050 kilogrammes contre 899 kg). L'astromobile est long de 3 mètres (en ne prenant pas en compte le bras), large de 2,7 mètres et haut de 2,2 mètres[28].

La suspension et les roues[modifier | modifier le code]

Le rover doit parcourir un terrain accidenté parsemé de rochers, présentant parfois des pentes fortes et un sol dont la consistance, parfois sableuse, peut conduire à l'enlisement du véhicule et entraîner sa perte comme ce fut le cas pour Spirit. Le rover de Mars 2020, comme son prédécesseurs Curiosity, peut s'aventurer sur des pentes à 45° sans se retourner (mais il est prévu d'éviter les pentes de plus de 30°). Il peut escalader des rochers ou franchir des trous d'une hauteur supérieure au diamètre de ses roues (52,5 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. Ces suspensions sont constituées par des tubes en titane. Chacune des 6 roues de 52,5 cm de diamètre est constituée d'un cylindre creux en aluminium comportant à leur surface externe 48 cannelures pour une meilleure prise dans un sol mou ou sur des rochers présentant une face abrupte. Les roues 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. Un tour de roue fait avancer le rover de 1,65 mètres. La vitesse maximale sur un terrain plat est de 4,2 centimètres par seconde soit 152 mètres par heure. A cette vitesse, les moteurs assurant la propulsion consomment 200 Watts[29]

Production d'énergie[modifier | modifier le code]

Le rover Curiosity a besoin d'énergie pour faire fonctionner ses équipements ainsi que ses instruments, pour communiquer avec la Terre et pour que ses organes sensibles soient maintenus dans une plage de température acceptable. Cette énergie est fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope (GTR), le MMRTG développé par le DOE et produit par Boeing. Celui-ci utilise 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 par des thermocouples à base de matériaux thermoélectriques, à savoir PbTe/TAGS. Le rover dispose de 2,7 kWh/j. Cette puissance est indépendante de l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'imposera donc pas d'arrêter la mission pendant l'hiver martien. Mars 2020 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. L'électricité est stockée dans deux batteries rechargeables au lithium ion ayant chacune une capacité de 42 Ah. Un système de radiateurs comportant près de cinquante mètres de tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur permet de rejeter la chaleur excédentaire. Le MMRTG est installé à l'extrémité arrière du rover d'où il émerge pour permettre au système de refroidissement d'être en contact avec l'atmosphère martienne. Il a un diamètre de 64 centimètres pour une longueur de 66 centimètres et sa masse est de 45 kilogrammes[Note 11],[30],[31].

Télécommunications[modifier | modifier le code]

Aperçu du câblage situé sous le rover.

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 trois antennes qui fournissent une grande flexibilité opérationnelle tout en permettant de faire face à une panne d'un des systèmes. Ces antennes, qui sont fixées sur l'arrière du pont supérieur du rover, sont[32] :

  • une antenne hélice quadrifilaire fonctionnant en bande UHF (environ 400 Mhz) qui est utilisée pour les communications à courte portée avec les sondes spatiales en orbite autour de Mars. Le débit maximum est de 2 mégabit par seconde dans le sens rover-satellite. C'est ce mode de communication qui est privilégié car les satellites sont fréquemment à portée d'antenne du rover : les orbiteurs de la NASA MAVEN, Odyssey et MRO ainsi que celui de l'Agence spatiale européenne ExoMars Trace Gas Orbiter disposent des équipements permettant de recevoir le signal du rover, de stocker les données puis de les retransmettre vers la Terre lorsque les stations terrestres sont en vue.
  • les deux antennes en bande X (7 à 8 Ghz) sont utilisées pour les communications directes avec la Terre :
  • l'antenne à grand gain en forme d'hexagone plat de 30 centimètres de diamètre permet des débits de 160/500 bits par seconde (antenne de réception de 30 mètres de diamètre) ou 800/3000 b/s (antenne de 70m.) Elle doit être orientée avec précision vers la Terre et dispose à cet effet d'un mécanisme fournissant deux degrés de liberté ce qui permet de la tourner vers sa cible sans déplacer le rover. Elle a été développée par l'Espagne (EADS CASA ESPACIO).
  • l'antenne à faible gain omnidirectionnelle n'a pas besoin d'être orientée mais son débit est limité à 10 bits par seconde (antenne de réception de 30 mètres de diamètre) ou 30 b/s (antenne de 70m.).

L'informatique embarquée[modifier | modifier le code]

Le rover dispose de deux ordinateurs identiques et redondants, baptisés RCE (Rover Compute Element), qui pilotent son fonctionnement. Un seul des deux ordinateurs est en activité à un moment donné. L'autre ordinateur est activé en cas de problème sur l'ordinateur actif. Les interfaces de chaque ordinateur sont connectés à deux réseaux conçus selon les standards de l'industrie aérospatiale définis plus particulièrement pour répondre aux besoins de fiabilité des avions et des engins spatiaux. Les deux ordinateurs sont « radiodurcis » pour résister aux rayons cosmiques. Ils utilisent tous deux un microprocesseur RAD750 cadencé à 200 MHz. Chaque ordinateur comporte 256 Ko d’EEPROM, 256 Mo de mémoire DRAM et 2 Go de mémoire flash. L'ordinateur assure plusieurs fonctions grâce à différents capteurs[33] :

  • il utilise les données fournies par une centrale à inertie pour déterminer la position, les mouvements du rover dans les trois dimensions. Ces données sont traitées pour déterminer la trajectoire effectivement suivie et pour déterminer l'inclinaison du rover.
  • il collecte les données de différents capteurs pour déterminer l'état de santé du rover comme la température ou le niveau des batteries. En fonction par exemple de la température il met en marche des résistances chauffantes pour maintenir la température dans une plage de valeurs acceptable. L'énergie disponible le conduit à lancer des activités comme le transfert de données vers la Terre ou l'utilisation d'un instrument scientifique).
  • la prise de photos, la navigation sur le sol de Mars et l'utilisation des instruments résultent de l'interprétation par l'ordinateur des commandes transmises depuis la Terre.
  • le rover génère en permanence des données techniques et des télémesures et des rapports périodiques qui sont stockés pour transmissions à la demande de l'équipe au sol.

Le bras porte-outils[modifier | modifier le code]

Le rover Mars 2020 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 : SHERLOC combine une caméra (WATSON), un laser et un spectromètre ultraviolet pour déterminer les composants minéraux et organiques tandis que PIXL, qui combine une caméra et un spectromètre de fluorescence X détermine les éléments chimiques présents. Le bras porte également un ensemble d'outils permettant de recueillir des échantillons de sol : GDRT (Gaseous Dust Removal Tool) pour nettoyer la surface, un capteur de contact et une foreuse. Le bras est fixé sur la face avant du rover et est long de 2 mètres. Les outils situés au bout du bras peuvent être positionnés face à la zone à analyser, sans que le rover se déplace, grâce à plusieurs articulations motorisées qui fournissent 5 degrés de liberté[34].

Le système de collecte et de stockage des échantillons martiens[modifier | modifier le code]

Le système de collecte et de stockage des échantillons martiens représente plus de la moitié de la masse de la charge utile de l'astromobile. Celui-ci doit permettre de prélever 43 carottes du diamètre d'un crayon et de la moitié de sa longueur[35],[36].

Les différents éléments du système de collecte et de stockage des échantillons martiens.

Instrumentation scientifique[modifier | modifier le code]

L'instrumentation scientifique est en partie différente de celle de Mars Science Laboratory. Les instruments embarqués doivent permettre des mesures plus précises dans plusieurs domaines[37],[38] :

  • les instruments des astromobiles existants fournissent la composition moyenne minéralogique et chimique des roches sur une surface de plusieurs cm². L'instrumentation de l'astromobile de Mars 2020 doit permettre de mettre en évidence les structures géologiques à petite échelle qui fournissent des informations importantes dans la recherche des signatures biologiques.
  • l'instrument SAM d'analyse des composants organiques embarqué sur l'astromobile MSL/Curiosity analyse des échantillons martiens qui doivent être au préalable broyés et tamisés ce qui fait disparaître des données importantes sur leur texture. La mission à venir doit pouvoir effectuer des observations avec une résolution spatiale suffisamment fine pour permettre de mettre en évidence des structures telles que celles que pourrait créer une vie microbienne.

Les instruments sélectionnés[modifier | modifier le code]

La communauté scientifique et la NASA ont fait le pari qu'une mission de retour d'échantillons martiens sera finalement programmée et budgétée : ils ont choisi de retenir, non pas des instruments capables de faire les analyses les plus poussées, mais ceux capables d'identifier de la manière la plus efficace les échantillons martiens et de roche les plus intéressants pour une analyse ultérieure. Alors que Curiosity emportait deux laboratoires permettant une analyse poussée des échantillons martiens, l'astromobile de Mars 2020 n'en emporte aucun. La moitié de la charge utile est réservée au système de prélèvement et de stockage des échantillons. Le mini-laboratoire CODEX très prometteur n'a pas été retenu. L'astromobile doit emporter six instruments scientifiques et une expérience technologique. Les instruments sont sélectionnés pour permettre l'identification rapide, car contraint par la durée de vie de l'astromobile, de 43 échantillons martiens bien choisis qui seront ramenés sur Terre par une mission de retour d'échantillons de type Mars Sample Return qui reste aujourd'hui à budgéter et à planifier :

La tête du mât comprend plusieurs caméras dont la caméra principale Mastcam-Z.
  • l'astromobile emporte 23 caméras utilisés pour la navigation, l'étude scientifique et l'inspection du véhicule[39].
  • trois instruments sont chargés de fournir une vue d'ensemble du site[35],[36] :
    • Mastcam-Z est une caméra à deux objectifs constituant une évolution de la Mastcam embarquée sur Curiosity. La principale amélioration est constituée par l'ajout d'un zoom (objectif de 28-100 mm).
    • SuperCam est une version améliorée de l'instrument franco-américain ChemCam auquel a été ajouté des spectromètres Raman et infrarouge.
    • le radar RIMFAX (Radar Imager for Mars Subsurface Exploration) développé par un institut de recherche norvégien. Il permet de compléter les analyses effectuées par SuperCam qui ne peut étudier que la surface des roches. RIMFAX permet d'analyser les couches géologiques enfouies jusqu'à une profondeur de 500 mètres avec une résolution comprise entre 5 et 20 cm.
  • deux instruments sont installés au bout du bras de l'astromobile pour venir au contact de la zone analysée et sont utilisés pour réaliser une étude plus poussée d'un échantillon de la taille approximative d'un timbre. Leurs capacités sont nettement améliorées par rapport aux instruments embarqués sur Curiosity (microscope et spectromètre à rayons X). Ces deux instruments disposent d'un microscope et, alors que le spectromètre X de Curiosity ne pouvait effectuer qu'une mesure pondérée de la surface de l'échantillon, les deux nouveaux instruments réalisent plusieurs centaines à plusieurs milliers de mesures permettant d'identifier les différences de composition à l'échelle du grain de sable. Cette capacité peut fournir un éclairage décisif sur l'histoire de la formation des roches analysées. Ces instruments sont également capables d'identifier et de cartographier la présence de matériaux organiques en fournissant des résultats plus facilement interprétables que les instruments de Curiosity. Ces deux instruments sont[35],[36] :
Emplacement de 13 des 23 caméras installées sur Mars 2020.

Caméra Mastcam-Z[modifier | modifier le code]

Modèle de vol de la caméra Mastcam-Z.

La caméra principale est la Mastcam-Z. Il s'agit d'une version améliorée de la caméra équipant Curiosity car elle embarque un zoom permettant un grandissement x 3, abandonné en cours de développement pour son prédécesseur. La caméra effectue des images en couleurs panoramiques, tri-dimensionnelles et, grâce au zoom, peut effectuer des photos détaillées. Elle comprend deux objectifs distincts écartés de 24,2 centimètres qui permettent des photos stéréo et sont fixés au sommet d'un mât à deux mètres de hauteur. Le capteur CCD, identique à celui de Curiosity, dispose de 2 mégapixels (1600 x 1200). L'ensemble a une masse de 4 kilogrammes et consomme 17,4 watts[40]. Le responsable scientifique de l'instrument est Jim Bell de l'université de l'Arizona. L'instrument est développé par Malin Space Science Systems[41].

Le zoom est un objectif 28-100 mm (grand angle à téléobjectif modéré) et la longueur focale est comprise entre f/8 et f/10 (téléobjectif). Le champ de vue est de 23° x 18° (grand angle) et de 6° x 5° (téléobjectif). Le pouvoir de résolution de la caméra est d'environ 1 millimètre dans la zone accessible par le bras télécommandé de l'astromobile et quelques centimètres à une distance de 100 mètres. Elle est équipée de 11 filtres étroits dans la bande spectrale comprise entre 400 et 1 000 nanomètres qui permettent de déterminer si les matériaux photographiés ont été altérés ou érodés et qui fournissent des informations importantes sur la composition des roches. Une paire de filtre permet d'effectuer des images du Soleil.

La caméra peut réaliser des films avec une vitesse de 4 images par seconde. Cette fréquence peut être augmentée en diminuant la résolution. Cette fonction permet d'observer des phénomènes comme les tourbillons de poussière, le déplacement des nuages, les phénomènes astronomiques mais également le déroulement des opérations réalisées par l'astromobile telles que les déplacements, la collecte d'échantillon ou le stockage de ceux-ci[42].

Spectromètre imageur SuperCam[modifier | modifier le code]

Les trois composants de la Supercam.
Gros plan sur la tête de mât et la partie optique de l'instrument SuperCam.

La SuperCam est une version améliorée de l'instrument franco-américain ChemCam embarqué sur Curiosity. Elle utilise un laser et trois spectromètres pour analyser à distance la composition chimique et la géologie des roches. Le laser pulsé tire sur la roche à analyser provoquant la fusion de sa couche superficielle et générant un plasma. 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. L'instrument est capable d'effectuer trois types de mesure[43],[44] :

  • spectrométrie d'émission atomique de plasma induit par laser (reconduction de l'instrument précédent) fourni par Los Alamos : l'instrument utilise le laser dans la longueur d'onde 1 064 nm pour identifier les éléments chimiques présents dans la roche à une distance allant jusqu'à 7 mètres. Le spectromètre analyse la lumière de l'excitation émise dans le visible et l'ultraviolet dans une bande allant de 240 à 850 nm avec une résolution de 0,09 à 0,3 nm et fournit la composition en éléments chimiques.
  • spectroscopie Raman fourni par le laboratoire national de Los Alamos : l'instrument utilise le laser dans la longueur d'onde 532 nm (vert) pour faire vibrer les molécules. Une faible fraction de la lumière interagit avec les molécules et change de longueur d'onde. Ce « signal Raman » est très faible et il faut l'intensifier. Il est analysé par le spectromètre et permet d'identifier les minéraux et les molécules présentes dans la cible. L'information fournie est complémentaire de celle produite par le spectromètre infrarouge décrit ci-dessous. Pour ce type d'analyse la portée du laser est de 12 mètres.
  • spectromètre infrarouge fourni par le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique : cet instrument passif (c'est-à-dire qu'il exploite la lumière réfléchie par la lumière sur le terrain et n'analyse pas le plasma généré par les impacts laser) fournit des spectres en lumière visible-proche infrarouge (400-900 nm) et en proche infrarouge (1,3-2,6) qui permettent d'identifier en particulier les argiles. Le spectre est obtenu à l'aide d'un filtre à dispersion acousto-optique dérivé des instruments CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter) et OMEGA (Mars Express). La portée est de 10 kilomètres.

La caméra peut désormais recueillir des images en couleur à très haute définition et précise le contexte de la mesure en fournissant la texture de la roche. La caméra dispose d'un autofocus et permet de prendre des images jusqu'à l'infini. Sur la tête optique se trouve également un microphone, Mars Microphone, qui enregistre les impacts laser audibles jusqu'à une distance de 4 mètres[45]. Des cibles permettent d'étalonner l'instrument.

SuperCam a une masse totale de 10,6 kg répartie entre le module optique logé dans le mât (5,6 kg), les spectromètres logés dans le corps de l'astromobile (4,8 kg) et les cibles utilisées pour étalonner l'instrument (0,2 kg). L'instrument en fonctionnement consomme 17,9 watts. Il génère un volume de données moyen de 4,2 mégabits par jour. L'instrument est développé par le Laboratoire national de Los Alamos qui fournit les spectromètres et l'institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) en France pour la partie optique et le laser (fourni par Thales) sous maîtrise d'œuvre de l'agence spatiale française (CNES). Le responsable scientifique est Roger Wiens de Los Alamos et son adjoint Sylvestre Maurice de l'IRAP[46],[47].

Radar RIMFAX[modifier | modifier le code]

Le radar RIMFAX (Radar Imager for Mars Subsurface Exploration) développé par un institut de recherche norvégien. Il permet de compléter les analyses effectuées par SuperCam qui ne peut étudier que la surface des roches. RIMFAX permet d'analyser les couches géologiques enfouies jusqu'à une profondeur de 500 mètres avec une résolution verticale comprise entre 15 et 30 centimètres. Il est constitué d'un radar qui émet dans des fréquences modifiables (comprise entre 150 et 1 200 mégahertz) pour tenir compte de la nature du terrain. L'instrument analyse les ondes réfléchies par les couches superficielles de la surface (jusqu'à 10 mètres de profondeur) ce qui permet de détecter la présence de glace, de roche, de sable et d'eau liquide. Ces sondages sont effectués au fur et à mesure de l'avancement de l'astromobile tous les 10 centimètres. L'instrument permet de déterminer l'épaisseur du régolithe, détecter les différentes strates superficielles du terrain situées sous la surface et associées aux structures qui en émergent, associer une section stratigraphique aux échantillons qui sont prélevées[48],[49],[50].

Chaque sondage produit 5 à 10 kilooctets de données. L'instrument est composé d'une antenne fixé sous le RTG et d'un boîtier électronique placé dans le corps de l'astromobile tout à l'arrière. Sa masse est de 3 kilogrammes et il consomme de 5 à 10 watts en fonctionnement. Le responsable scientifique de RIMFAX est le chercheur norvégien Svein-Erik Hamran qui est également un deux responsables scientifiques du radar WISDOM embarqué à bord de l'astromobile ExoMars de l'Agence spatiale européenne qui doit atterrir sur Mars à la même époque que Mars 2020[48],[51].

Spectromètre PIXL[modifier | modifier le code]

Schéma du spectromètre PIXL.

Le PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) est un spectromètre de fluorescence des rayons X qui détermine les éléments chimiques présents dans un échantillon de roche à l'échelle d'un grain de sel (0,1 millimètre ou 100 microns) et grâce à une caméra associe cette composition à la texture fine de la roche. L'instrument est monté à l'extrémité du bras de l'astromobile. Le principe de fonctionnement repose sur l'émission d'un rayonnement X qui est focalisé par une optique constituée de millions de fibres optiques de manière à frapper l'échantillon à analyser sur un rayon réduit à 100 microns (0,1 millimètre). Le spectre des photons X renvoyés par la cible (fluorescence) est fourni par un détecteur à dérive en silicium (SDD). Pour pouvoir associer l'analyse spectrale effectuée à une texture donnée et localisée de la roche, une caméra co-alignée prend une image (26 × 36 millimètres) de la cible avec une résolution spatiale de 50 microns. Un petit projecteur de type DEL projette une grille visible sur les images prises pour fournir un cadre de référence. Pour réaliser l'analyse d'une roche, la tête de l'instrument est positionné par le bras de l'astromobile à 2 centimètres de sa cible. Un spectre est obtenu en 5 à 10 secondes. En 10 à 20 minutes, l'instrument effectue l'analyse d'une centaine de particules de la taille d'un grain de sable. PIXL peut mesurer les 16 éléments chimiques couramment détectés par ce type d'instrument mais également V, Co, Cu, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr et Ce. Il peut détecter un élément présent à hauteur 10 parties par million[52],[53].

PIXL envoie environ 16 mégabits de données à chaque analyse. L'instrument a une masse totale d'environ 7 kilogrammes dont 4,3 kg pour le capteur monté au bout du bras, 2,6 kg pour l'électronique installée dans le corps de l'astromobile et 0,15 kg pour les cibles utilisées pour étalonner PIXL. L'ensemble consomme 25 watts lorsqu'il est mis en œuvre. La responsable scientifique de l'instrument est Abigail Allwood du Jet Propulsion Laboratory. Le développement de l'instrument est également effectué sous la maîtrise d'œuvre de cet établissement de la NASA[52],[54],[55].

Schéma présentant l'implantation des différents instruments sélectionnés en juin 2015.

Spectromètre SHERLOC[modifier | modifier le code]

Le spectromètre SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals) est un instrument situé à l'extrémité du bras de l'astromobile qui fournit des images à faible échelle et utilise un laser ultraviolet pour déterminer la minéralogie et la composition organique du sol martien afin de déterminer si ceux-ci ont été altérés par un environnement aqueux et s'ils contiennent des indices d'une vie microbienne passée. Il s'agit du premier spectromètre Raman œuvrant à la surface de Mars. L'instrument met en œuvre deux types d'effet. D'une part la fluorescence qui permet d'identifier les formes condensées du carbone et les composés aromatiques présents à hauteur d'une partie par million avec une résolution spatiale de 100 micron. D'autre part la diffusion Raman permet l'identification et la classification des composés aromatiques et aliphatiques présents avec une concentration comprise entre 1 % et 1 partie par 10000 avec une résolution spatiale de 100 microns. La diffusion Raman permet également l'identification et la classification des minéraux issus d'une chimie aqueuse dans des grains dont la taille peut descendre jusqu'à 20 microns. L'instrument utilise un laser émettant un faisceau large de 50 microns dans l'ultraviolet (248,6 nanomètres) et une caméra dont la résolution spatiale est de 30 microns. Un système d'autofocus permet de positionner la tête de l'instrument à la distance adéquate de l'échantillon à analyser sans avoir à déplacer le bras. Les parois d'un forage réalisée par l'astromobile peuvent être également étudiés. Un miroir pivotant permet de déplacer le point d'impact du laser et ainsi d'analyser de manière systématique une région de 0,7 × 0,7 centimètres. La caméra fournit le contexte avec un champ de vue de 2,3 × 1,5 centimètres[56]

L'instrument SHERLOC inclut également la caméra WATSON pouvant prendre des images à faible distance jusqu'à l'infini qui est utilisée aussi bien pour effectuer des vérifications d'ordre technique qu'à des fins scientifiques. WATSON dérive de la caméra MAHLI installé sur le bras de l'astromobile Curiosity[56]. La masse totale de l'instrument est de 4,7 kilogrammes répartis entre le capteur situé en bout de bras (3,11 kg) et l'électronique située dans le corps de l'astromobile (1,61 kg). Le spectromètre consomme 48,8 watts lorsqu'elle fonctionne dont 32,2 watts su niveau du détecteur. Le responsable scientifique est Luther Beegle du Jet Propulsion Laboratory[57],[58],.

Station météorologique MEDA[modifier | modifier le code]

Emplacement des différents capteurs de la station météorologique MEDA.

Comme Curiosity, Mars 2020 emporte une station météorologique développée par la même équipe espagnole baptisée MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer). Celle-ci est équipée de capteurs mesurant six paramètres atmosphériques - température au sol, température de l'air, pression, humidité, direction et vitesse des vents et rayonnement dans différentes bandes spectrales en ultraviolet, visible et infrarouge - ainsi que les propriétés optiques de la poussière, caractéristiques de la poussière. L'ensemble des capteurs et l'électronique associée a une masse de 5,5 kilogrammes et consomme jusqu'à 17 watts. Les capteurs sont répartis à différents endroits de l'astromobile[59].,[60] :

  • les cinq capteurs de température de l'air ATS (Air Temperature Sensors) sont montés sur le mât pour trois d'entre eux et sur le corps de l'astromobile pour deux autres. Ils font fixés sur des supports non conducteurs qui les maintiennent à une distance de l'astromobile pour ne pas subir l'influence thermique de celui-ci. Ils mesurent la température dans une plage comprise entre 150 et 300 kelvins avec une précision de 5 kelvin et une résolution de 0,1 kelvin.
  • un hygromètre HS (Humidity Sensor) mesure le taux d'humidité. Il est fixé à l'intérieur du corps de l'astromobile pour être à l'abri de la poussière. Sa précision est de 10 % lorsque la température est comprise entre 200 et 323 kelvin.
  • un baromètre PS (Pressure Sensor ) fixé à l'intérieur du corps de l'astromobile et relié à l'extérieur par un tube mesure la pression extérieure. Il mesure des pressions comprises entre 1 et 1150 pascals avec une précision en fin de vie de 20 pascals et une résolution de 0,5 pascals.
  • le rayonnement et la présence de poussière sont mesurés à l'aide de plusieurs capteurs et d'une caméra formant la suite RDS (Radiation and Dust Sensor).
  • le rayonnement thermique est mesuré à l'aide de 5 capteurs infrarouges TIRS (Thermal InfraRed Sensor ) fixés sur le côté droit de l'astromobile. Trois sont pointés vers le haut et deux sont pointés vers le sol.
  • deux ensembles de capteurs WS (Wind Sensors) mesurent la direction et la vitesse du vent.

Expériences technologiques[modifier | modifier le code]

Utilisation de ressources in situ MOXIE[modifier | modifier le code]

Schéma du générateur d'oxygène MOXIE.

L'astromobile emporte également l'expérience technologique MOXIE (Mars OXygen ISRU Experiment). Cet équipement expérimental de type ISRU (c'est-à-dire utilisation de ressources in situ) teste la production d'oxygène à partir du dioxyde de carbone omniprésent dans l'atmosphère martienne. Ce type d'équipement, s'il devient opérationnel, permet d'envisager des missions martiennes habitées ou robotiques qui reconstituent leurs réserves d'oxydant à partir des ressources locales avant de décoller vers la Terre. L'oxygène récupéré peut également servir à constituer les réserves utilisées par les futurs astronautes martiens. L'appareil doit également permettre de définir la taille et la morphologie des grains de poussière en suspension dans l'atmosphère[61],[35],[36].

L'oxygène est produit par MOXIE en collectant le dioxyde de carbone (CO2) de l'atmosphère et en cassant cette molécule pour produire de l'oxygène (O2) d'une part et du monoxyde de carbone (CO) d'autre part. L'atmosphère martienne pénètre dans l'instrument, est filtrée et mis sous une pression de 1 bar. La molécule de [dioxyde de carbone est cassée dans le module SOXE (Solid OXide Electrolyzer) par électrochimie. La température est portée à 800 °C. Pour produire de l'oxygène, MOXIE doit fonctionner 2 heures en consommant 300 watts. Il produit 10 grammes d'oxygène par heure. Le responsable scientifique de l'expérience est Michael Hecht du Massachusetts Institute of Technology[62],[63].

Hélicoptère de reconnaissance MHS[modifier | modifier le code]

Article principal : Mars Helicopter Scout.
Schéma de l'hélicoptère martien MHS. 1 : Rotors conçus pour pouvoir voler dans l'atmosphère ténu de Mars - 2 Des cellules solaires fournissent l'énergie qui alimente la batterie - 3 Une caméra haute résolution permet de réaliser des photos de sites situés jusqu'à 600 mètres du rover - 4 Une caméra et d'autres capteurs associés à un ordinateur à tolérance de panne fournissent une autonomie importante - 5 L'atterrissage utilise des pieds souples, un système de vision actif et un altimètre - 6 Une isolation thermique de type aérogel et une résistance chauffante permettent aux batteries de survivre aux nuits - 7 L'hélicoptère communique avec le rover en bande UHF.

L'astromobile emporte un petit hélicoptère expérimental MHS (Mars Helicopter Scout) pesant environ 1,8 kilogrammes qui effectuera plusieurs vols de reconnaissance. L'hélicoptère est fixé sous l'astromobile avant son déploiement sur le sol de Mars. L'hélicoptère se déplace dans les airs grâce à deux rotors bipales tournant en sens contraire. La vitesse de rotation est comprise entre 2 400 et 2 900 tours par minute soit 10 fois celle d'un hélicoptère sur Terre, pour pouvoir être efficace dans l'air particulièrement peu dense de Mars (équivalent à l'atmosphère terrestre à une altitude de 25 kilomètres). Le corps de l'hélicoptère a le diamètre d'un ballon de basket. Le rotor a une longueur d'une extrémité à l'autre de 1,2 mètres et la hauteur totale est de 0,8 mètres. L'hélicoptère martien est propulsé par l'énergie électrique fournie par une batterie lithium-ion. Celle-ci est rechargée par des cellules solaires. Des résistances chauffantes maintiennent les systèmes à une température compatible avec les contraintes de fonctionnement. L'hélicoptère emporte une caméra de navigation et une caméra couleur à haute résolution pour effectuer des prises d'images du terrain et ainsi remplir les objectifs qui lui sont assignés. Compte tenu du délai des échanges avec la Terre (16 minutes pour un échange dans la configuration Terre-Mars la plus favorable), l'hélicoptère vole de manière autonome à partir d'instructions transmises avant le vol. Un système radio embarqué reçoit ces commandes et transmet les images et télémesures[8],[64].


Déroulement de la mission (prévisionnel)[modifier | modifier le code]

Lancement et transit vers Mars (juin 2020-février 2021)[modifier | modifier le code]

La fenêtre de lancement vers Mars s'ouvre entre le 17 juillet et le 5 août 2020. La sonde spatiale décolle depuis la base de lancement de Cap Canaveral. Elle est placée en orbite par un lanceur Atlas V 541 qui a déjà été mis en œuvre pour la sonde spatiale jumelle Mars Science Laboratory[7]

Atterrissage (février 2021)[modifier | modifier le code]

Prélèvement d'un échantillon du sol martien (vue d'artiste).

Mars 2020 doit atterrir sur Mars en février 2021. La sonde spatiale met en œuvre une nouvelle technique de descente qui permet d'effectuer un atterrissage avec une précision accrue en réduisant de 50 % la taille de l'ellipse dans laquelle l'engin devrait se poser. Cette précision accrue permet d'accroître le nombre de sites accessibles et de réduire la distance entre l'endroit où l'astromobile est déposé et les sites présentant un intérêt scientifique. Deux techniques différentes sont utilisées pour atteindre cet objectif. La première consiste à déclencher l'ouverture du parachute en prenant en compte l'écart déjà connue à ce stade par rapport à la trajectoire idéale. La trajectoire est évaluée à partir de relevés radio effectués juste avant la pénétration dans l'atmosphère martienne, qui permettre de mesurer l'écart avec une précision de 1 à 2 kilomètres. Cette connaissance de la trajectoire passe à 2-3 kilomètres au cours de la première phase de la descente. Si la trajectoire suivie jusque là aboutit à dépasser le point d'atterrissage visé, le parachute est ouvert plus tôt et dans le cas contraire il est ouvert plus tard. Pour les missions précédentes (y compris Curiosity), l'ouverture du parachute est déclenchée lorsque la vitesse de descente est tombée au-dessous d'une certaine valeur). La deuxième technique utilisée repose sur la comparaison entre des photos du terrain situé sous l'engin spatial prises une fois le bouclier thermique avant largué. Ces images sont comparées à des photos de la même zone prises auparavant par des orbiteurs et permettent de mesurer avec une précision de 60 mètres maximum l'écart par rapport à la trajectoire idéale. L'engin spatial utilise sa propulsion pour corriger les écarts éventuels[65].

Opérations au sol durant la mission primaire (2021-2023)[modifier | modifier le code]

La mission primaire a une durée de deux années terrestres à compter de l'atterrissage dont environ la moitié est réservée aux opérations scientifiques proprement dites[66]. Pour remplir ses objectifs l'astromobile se déplace afin de trouver des roches formées dans un milieu aqueux ou modifiées par celle-ci et d'en prélever des échantillons. Les roches susceptibles d'avoir préservées des traces chimiques de la vie durant plusieurs milliards d'années sont particulièrement visées. D'autres échantillons sont prélevées sur des roches volcaniques ou d'une nature à permettre d'identifier les changements intervenus sur l'environnement du site au cours du temps. Lorsqu'une roche a été sélectionnée, une carotte de celle-ci de 5 centimètres de profondeur est prélevée, broyée et un échantillon de 15 grammes est stocké dans un tube qui est scellé de manière hermétique. Le tube est stocké à bord de l'astromobile. L'équipe projet sur Terre définit le ou les sites dans lesquels les 43 tubes d'échantillons doivent être déposés. Les coordonnées des différents dépôts sont relevés par les orbiteurs martiens avec une précision d'environ 1 mètre[67].

Mise en œuvre de l'hélicoptère expérimental[modifier | modifier le code]

L'hélicoptère MHS sur Mars (vue d'artiste).

L'hélicoptère martien embarqué Mars Helicopter Scout (MHS) est fixé sous l'astromobile. Une fois ce dernier à la surface de Mars, l'hélicoptère est déposé sur le sol. Trente jours sont consacrés à tester ses capacités. de nombreux tests statiques sont effectués avant le premier vol. Pour celui-ci l'astromobile se place à une distance de sécurité (50 à 100 mètres) puis l'hélicoptère s'élève à la verticale jusqu'à une hauteur de 3 mètres avant de faire du surplace durant 30 secondes. Quatre autres vols de quelques centaines de mètres sont prévus. Leur durée peut aller jusqu'à 90 secondes[8]. Une fois la phase d'expérimentation achevée, l'hélicoptère est abandonné sur place[9].

Le retour des échantillons sur Terre[modifier | modifier le code]

Décollage de la fusée ramenant les échantillons du sol martien (vue d'artiste).

Mars 2020 est la première étape de la mission de retour d'échantillons martiens sur Terre puisque la moitié de sa charge utile est consacrée à leur collecte et leur stockage. Toutefois le renvoi sur Terre des échantillons constitue à la fois un défi technique et financier (environ 2,5 à 3 milliards de dollars américains) qui ne fait pas partie de la mission Mars 2020. En 2018, aucune mission de ce type n'est planifiée ni financée. La NASA envisage en 2019 que la mission qui ramènera les échantillons collectés puisse avoir lieu en 2026. La planification dépend de la mise à disposition de moyens financiers très importants mais également des résultats des missions martiennes en cours (MSL, MER, MAVEN, ExoMars)[68].

La récupération des échantillons collectés doit se réaliser de la manière suivante selon le scénario prévu pour Mars Sample Return[69] :

  • un premier lanceur lourd Atlas V lance un orbiteur martien (3 tonnes dont 2 tonnes d'ergols) qui doit prendre en charge le trajet de retour de la capsule contenant les échantillons entre l'orbite martienne et l'orbite terrestre.
  • un deuxième lanceur lourd Atlas V lance un engin spatial qui doit se poser sur le sol martien et comprend :
    • un astromobile de petite taille (150 kg) chargé d'aller récupérer les échantillons de l'astromobile collecteur (Mars 2020) et pouvant franchir la distance liée à l'imprécision de l'atterrissage.
    • un mini-lanceur à deux étages à propergol solide (300 kg) capable de rejoindre l'orbite basse martienne avec comme charge utile le conteneur d'échantillons (évalué à 5 kg).
    • un bras chargé de placer le conteneur au sommet du lanceur.
    • une plateforme de lancement (550 kg avec le bras).
  • le mini-lanceur rejoint l'orbite basse martienne et effectue un rendez-vous automatique avec l'orbiteur qui récupère le conteneur et l'insère dans la capsule de retour d'échantillon.
  • l'orbiteur utilise sa propulsion pour se placer sur une trajectoire de retour vers la Terre.
  • la capsule contenant les échantillons est larguée à proximité de la Terre, effectue une rentrée atmosphérique et se pose sur le sol à grande vitesse sans parachutes.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Ultra-Compact Imaging Spectrometer : spectromètre visible/infrarouge. Utilisé par MSL.
  2. Mini-Thermal Emission Spectrometer : spectromètre infrarouge. Utilisé par les rovers MER.
  3. Alpha Particle X-Ray Spectrometer : spectromètre à particules alpha. Utilisé par MSL.
  4. Ultra-trace X-Ray Fluorescence : spectromètre à fluorescence X. Utilisé par MSL.
  5. Mars Hand Lens Imager : caméra microscope. Utilisé par MSL.
  6. Multispectral Microscopic Imager : Imageur multispectral associé à un microscope.
  7. Spectromètre Raman.
  8. Ground Penetrating Radar : détermine les caractéristiques du sous-sol proche.
  9. In-Situ Resource Utilization : Prototype générant de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne.
  10. La masse totale indiquée ici (2 400 kg) est celle fournie par le dossier de presse mais celui-ci ne fournit pas la ventilation par sous-composant ; celle-ci est par contre indiquée sur le site de la NASA moins bien actualisé, d'où une masse totale inférieure de 450 kg (1 950 kg).
  11. Le rendement électrique d'un GTR est très faible et près de 95 % de l'énergie est dissipée sous forme thermique (2 000 W thermiques pour 110 W électriques)

Références[modifier | modifier le code]

  1. Jonathan Amos, « Nasa to send new rover to Mars in 2020 », sur BBC News,
  2. William Harwood, « NASA announces plans for new $1.5 billion Mars rover », sur CNET,
  3. « NASA Discusses Mars 2020 Plans In July 9 Teleconference », sur NASA,
  4. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 135
  5. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 80
  6. (en) « NASA's Next Mars Rover Progresses Toward 2020 Launch< », sur NASA, (consulté le 14 octobre 2016).
  7. a et b (en) Justin Ray, « NASA books nuclear-certified Atlas 5 rocket for Mars 2020 rover launch », sur spaceflightnow.com,
  8. a b et c (en) « Mars Helicopter to Fly on NASA’s Next Red Planet Rover Mission », NASA,
  9. a et b (en) Kenneth Chang, « A Helicopter on Mars? NASA Wants to Try », New York Times,
  10. (en) Office of Inspector General et al., NASA’s MARS 2020 project, (lire en ligne), p. 7-8
  11. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 17-29
  12. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 30-50
  13. a b et c « Mission > Science > Objectives », sur NASA - MARS 2020, (consulté le 9 mai 2018)
  14. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 59-73
  15. « Le "nouveau Curiosity" fabriquera de l'oxygène », Europe 1, (consulté le 4 avril 2019).
  16. Julien Bergounhoux, « Le prochain rover de la Nasa fabriquera de l'oxygène sur Mars », L'usine nouvelle, (consulté le 4 avril 2019).
  17. (en) Emily Lakdawalla, « We're going to Jezero! - NASA Selects Jezero Crater Landing Site for Mars 2020 Rover », The Planetary Society,
  18. « NASA Announces Landing Site for Mars 2020 Rover », sur NASA,
  19. « Letter summarizing the Findings of the May 2014 Mars Landing Site Workshop », sur NASA - MARS 2020, (consulté le 9 mai 2018)
  20. « Final Workshop Letter describing the outcome of the 2nd Mars 2020 landing site workshop », sur NASA, 16 eout 2015
  21. « Picking a Landing Site for NASA's Mars 2020 Rover », sur NASA - MARS 2020, (consulté le 9 mai 2018)
  22. a b et c NASA launch press kit, op. cit. p. 6
  23. a b et c (en) « MSL - spacecraft - summary », sur NASA/JPL (consulté le 21 juin 2011)
  24. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 115
  25. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 69
  26. (en) « Cruise Configuration », ASA/JPL (consulté le 20 juin 2011)
  27. (en) Nancy Atkinson, « How Will MSL Navigate to Mars? Very Precisely » (consulté le 23 novembre 2011)
  28. « Mission > Rover », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  29. (en) « Rover : Wheels and Legs », sur Mars 2020 (site officiel), Jet Propulsion Laboratory (consulté le 24 septembre 2019)
  30. (en) « Rover : Electrical Power », sur Mars 2020 (site officiel), Jet Propulsion Laboratory (consulté le 24 septembre 2019)
  31. (en) (juin 2006) « Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power » (pdf) dans 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IEEC) : 1 p.. 
  32. (en) « Rover : Communications », sur Mars 2020 (site officiel), Jet Propulsion Laboratory (consulté le 24 septembre 2019)
  33. (en) « Rover : Brains », sur Mars 2020 (site officiel), Jet Propulsion Laboratory (consulté le 24 septembre 2019)
  34. (en) « Rover : Robotic Arm », sur Mars 2020 (site officiel), Jet Propulsion Laboratory (consulté le 25 septembre 2019)
  35. a b c et d (en) « NASA Announces Mars 2020 Rover Payload to Explore the Red Planet as Never Before », NASA,
  36. a b c et d (en) Van Kane, « Mars 2020 Instruments – A Plan for Sample Return », Planteraty society,
  37. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 143-145
  38. Julien Bergounhoux, « La Nasa dévoile les 7 instruments de son rover martien prévu pour 2020, dont un français », Industrie & Technologies, (consulté le 4 avril 2019).
  39. Julien Lausson, « La mission Mars 2020 s'appuiera sur un nombre record de caméras - Sciences - Numerama », Numerama,‎ (lire en ligne, consulté le 15 novembre 2017)
  40. « Mission > Instruments > Mastcam-Z > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 11 mai 2018)
  41. « Mission > Instruments > Mastcam-Z > Team », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 11 mai 2018)
  42. « Mission > Instruments > Mastcam-Z > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 11 mai 2018)
  43. « Mission > Instruments > SuperCam > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  44. (en) Roger Wiens, « ‘SuperCam’ Update: Multi-purpose Instrument Coming Together for 2020 Launch to Mars », The Planetary Society,
  45. « Instrument Supercam sur le rover Mars 2020 », CNES,
  46. « Mission > Instruments > SuperCam > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  47. « Mission > Instruments > SuperCam > Team », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  48. a et b « Mission > Instruments > RIMFAX > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  49. « Mission > Instruments > RIMFAX > Fast Facts », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  50. « Mission > Instruments > RIMFAX > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  51. « Mission > Instruments > RIMFAX > Team », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  52. a et b « Mission > Instruments > PIXL > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  53. Texture-specific elemental analysis of rocks and soils with PIXL: The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry on Mars 2020, p. 1-6
  54. « Mission > Instruments > PIXL > Team », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  55. « Mission > Instruments > PIXL > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  56. a et b « Mission > Instruments > SHERLOC > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  57. « Mission > Instruments > SHERLOC > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  58. « Mission > Instruments> SHERLOC> Team », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 14 mai 2018)
  59. « Mission > Instruments > MEDA > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 11 mai 2018)
  60. « Mission > Instruments > MEDA > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 11 mai 2018)
  61. « Mission > Instruments > MOXIE > Overview », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 15 mai 2018)
  62. « Mission > Instruments > MOXIE > Team », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 15 mai 2018)
  63. « Mission > Instruments > MOXIE > For scientists », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 15 mai 2018)
  64. (en) Stephen Clark, « Helicopter to accompany NASA’s next Mars rover to Red Planet », sur spaceflightnow.com,
  65. « Technology > Entry, Descent, and Landing Technologies », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 13 mai 2018)
  66. J.F. Mustard et all, op. cit. p. 107
  67. « Mission timeline > Surface operations », sur NASA - MARS 2020 (consulté le 13 mai 2018)
  68. (en) « Mars 2020 Science Definition Team Report: Frequently Asked Questions », sur NASA/JPL,
  69. (en) Firouz Naderi, « Mars Sample Return Campaign: An Overview », NASA, vers 2009

Bibliographie[modifier | modifier le code]

NASA :

  • (en) J.F. Mustard et al., Report of the Mars 2020 Science Definition Team, (lire en ligne).
    Rapport de l'équipe chargé de la définition du contenu scientifique de la mission Mars 2020.
Articles sur les instruments
  • (en) Abigail Allwood et al., « Texture-specific elemental analysis of rocks and soils with PIXL: The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry on Mars 2020 », 2015 IEEE Aerospace Conference,‎ , p. 1-13 (DOI 10.1109/AERO.2015.7119099, lire en ligne).
  • (en) v Perez et al., « The supercam instrument on the NASA Mars 2020 mission: optical design and performance », Proceedings of the SPIE,‎ , p. 1-9 (DOI 10.1117/12.2296230, lire en ligne).
Contexte scientifique
  • (en) International MSR Objectives and Samples Team (iMOST), « The Potential Science and Engineering Value of Samples Delivered to Earth by Mars Sample Return », MEPAG,‎ , p. 1-186 (lire en ligne).
    Objectifs détaillés de la mission de retour d'échantillons martiens définis par le groupe d'experts internationaux du MEPAG ⇒ Critères de sélection des échantillons.
    .
Autres
  • (en) Office of Inspector General et al., NASA’s MARS 2020 project, (lire en ligne).
    Évaluation du projet par l'audit interne de la NASA effectué début 2017.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]