Sonde spatiale

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Sondes spatiales actives en février 2016.

Une sonde spatiale est un véhicule spatial sans équipage lancé dans l'espace pour étudier à plus ou moins grande distance différents objets célestes : le Soleil, les planètes, planètes naines et petits corps, leurs satellites, le milieu interplanétaire ou encore le milieu interstellaire. Une sonde spatiale se distingue des autres engins spatiaux non habités qui restent en orbite terrestre. Les sondes spatiales peuvent prendre un grand nombre de formes pour remplir leur mission : orbiteur placé en orbite autour du corps céleste observé, atterrisseur qui explore in situ le sol de la planète cible, impacteuretc. Une sonde peut emporter des engins autonomes pour accroître son champ d'investigation : sous-satellite, impacteur, rover, ballon.

Une sonde spatiale est amenée à franchir de grandes distances et à fonctionner loin de la Terre et du Soleil, ce qui impose des équipements spécifiques. Elle doit disposer de suffisamment d'énergie pour fonctionner dans des régions où le rayonnement solaire ne fournit plus qu'une puissance limitée, disposer d'une grande autonomie de décision car l'éloignement du centre de contrôle ne permet plus aux opérateurs humains de réagir en temps réel aux événements, résoudre des problèmes de télécommunications rendus difficiles par les distances qui réduisent les débits et résister au rayonnement et à des températures extrêmes qui malmènent l'électronique embarquée et les mécanismes. Enfin pour parvenir à destination à un coût et dans des délais acceptables, la sonde spatiale est amenée à utiliser des méthodes sophistiquées de navigation et de propulsion : assistance gravitationnelle, aérofreinage, propulsion ionique.

Les premières sondes spatiales sont les sondes Luna lancées vers la Lune par l'Union soviétique en 1959. En 1961, l'Union soviétique lance Venera, la première sonde amenée à étudier une autre planète que la Terre, en l'occurrence Vénus. La Russie, qui était leader au début de l'ère spatiale n'a plus de rôle actif depuis 1988 et a laissé cette place aux États-Unis. L'Agence spatiale européenne (Mars Express, Venus Express, Rosetta, participation à la sonde Cassini-Huygens) et le Japon (Hayabusa, SELENE) occupent également une place croissante. Enfin, la Chine et l'Inde réalisent également depuis la fin des années 2000 des sondes spatiales. Pour pallier un coût de développement élevé (montant pouvant dépasser le milliard d'euros), la réalisation des sondes spatiales fait maintenant souvent l'objet d'une coopération internationale.

Sommaire

Définition[modifier | modifier le code]

Une sonde spatiale est un véhicule spatial lancé sans équipage humain dont l'objectif est d'explorer un ou plusieurs corps célestes - planète, lune, comète, astéroïde - ou le milieu interplanétaire ou interstellaire. Sa charge utile est constituée d'instruments scientifiques de différentes natures - caméras fonctionnant ou non en lumière visible, spectromètres, radiomètres, magnétomètres… - qui permettent de collecter des données in situ ou à distance qui sont ensuite transmises vers la Terre. Si dans son architecture générale une sonde spatiale est souvent proche d'un satellite artificiel en orbite autour de la Terre, plusieurs caractéristiques en font des engins particuliers :

  • la distance entre les opérateurs au sol et l’engin qui impose à la fois une grande autonomie et un système de communication à la fois puissant et précis ;
  • la complexité des taches à enchainer : atterrissage sur des objets célestes pourvus d'une atmosphère ou ayant une gravité très faible, pointage précis des instruments sur des cibles défilant à grande vitesse, collecte d'échantillons, procédures de sauvegarde en cas de défaillance ;
  • la précision et la complexité de la navigation ;
  • l'exposition au rayons cosmiques ;
  • la sophistication de l'instrumentation scientifique liée à la nécessité d'alléger la charge utile et aux performances exigées ;
  • la faiblesse de l'énergie solaire disponible si la sonde est à destination des planètes externes ;
  • des températures beaucoup plus extrêmes lorsque la sonde est envoyée vers les planètes extérieures ou en deçà de l'orbite de Mercure ;
  • la durée de la mission qui peut débuter après un transit allant jusqu'à une dizaine d'années.

Conception d'une mission[modifier | modifier le code]

Comme tout projet spatial, le développement puis la gestion opérationnelle d'une sonde spatiale est découpée en plusieurs phases dont les caractéristiques (entrants, livrables) sont communes aux différentes agences spatiales.

Les différentes phases d'un projet spatial selon le CNES[1]
Phase Intitulé Objectifs Livrable Revue de fin de phase Remarques
0 Identification des besoins Identifier les besoins
rechercher les concepts
évaluer les couts et délais
Revue de Définition de mission
A Faisabilité Affiner les besoins
évaluer les concepts
Sélection d'une solution Revue des exigences préliminaires
B Définition préliminaire Confirmer la faisabilité
, réaliser une définition préliminaire
Revue des exigences système
revue des définitions préliminaire
C Définition détaillée Définition détaillée Cahier des charges pour la fabrication Revue critique de définition
D Production / qualification au sol Fabrication, tests Livraison de l'engin spatial Revue de qualification
revue d'acceptation
E Utilisation Vérifier l'aptitude opérationnel, faire fonctionner l'engin Revue d'aptitude opérationnelle
revue d'aptitude au vol
revue d'exploitation
Cette phase débute avec le lancement de la sonde spatiale
F Retrait de service Retirer du service opérationnel sans perturber l'environnement Fin de vie

La sélection du projet[modifier | modifier le code]

Les missions d'exploration du système solaires sont couteuses et de ce fait rares (quelques missions par an toutes agences spatiales confondues) alors que les sujets d'étude se multiplient au fur et à mesure des avancées scientifiques. Le processus de sélection est donc sévère et très encadré. Les principales agences spatiales s'appuient pour déterminer leur stratégie d'exploration spatiale sur des documents produits par les principales autorités scientifiques. Pour la NASA c'est le Planetary Science Decadal Survey produit tous les dix ans tandis que l'Agence spatiale européenne a fait réaliser un document similaire pour son programme scientifique Cosmic Vision mis en place en 2004 pour les projets débouchant en 2015-2025. Le CNES français, bien que disposant d'un budget de recherche qui ne lui permet pas de réaliser des engins d'exploration du système solaire de manière autonome, procède de même. Dans ce cadre un appel à idées purement prospectif peut être lancé par l'agence spatiale suivi d'un appel à propositions (AO). Ce dernier débouche normalement sur la sélection puis le développement d'une mission. Il est lancé dans un cadre budgétaire préétabli. À la NASA cette ligne budgétaire pour un type de mission est disponible périodiquement comme dans le cas des New Frontiers ou Discovery qui permettent de développer respectivement 2 et 4/5 missions par décennie. L'ESA qui ne dispose que d'une fraction du budget de la NASA sélectionne des missions très longtemps avant leur lancement. La date de lancement est souvent repoussée pour faire face aux contraintes budgétaires. Les équipes qui répondent aux appels d'offres comprennent des ingénieurs et des scientifiques. Ils soumettent des propositions détaillant à la fois les objectifs scientifiques, les caractéristiques techniques et les aspects financiers. Le choix est effectué par des comités scientifiques qui tiennent compte de la stratégie scientifique à long terme fixée par les documents produits par les autorités académiques au début de ce processus.

Les phases de conception[modifier | modifier le code]

La réalisation[modifier | modifier le code]

Les différents types de mission d'exploration[modifier | modifier le code]

La méthode d'exploration retenue pour une sonde spatiale est déterminée essentiellement par les objectifs scientifiques poursuivis et les contraintes de cout. S'il s'agit par exemple de la première étude d'une planète, l'idéal est de placer la sonde spatiale en orbite autour de celle-ci pour effectuer des observations sur l'ensemble de la planète sur de longues durées. Mais la mise en orbite nécessite d'ajouter une propulsion chargée du freinage ce qui représente un cout majeur. Pour cette raison on peut choisir d'effectuer un simple survol de l'objectif en optimisant la trajectoire pour que les instruments scientifiques recueillent le maximum de données. Enfin le choix d'une méthode d'exploration est conditionné par le niveau d'expertise de la nation ou du groupe de nations qui développe la sonde spatiale. Le niveau de difficulté le plus bas est le survol d'une planète interne du système solaire. La dépose d'un rover en partie autonome sur la planète Mars, caractérisée par une forte gravité et une atmosphère, n'a été réalisée en 2013 que par la NASA.

En fonction de la méthode d'exploration utilisée on peut ranger les sondes spatiales dans 9 grandes catégories. Certaines sondes spatiales se rattachent à plusieurs catégories à la fois par exemple lorsqu'elles combinent un orbiteur et un atterrisseur (Viking)[2].

Sonde effectuant un survol[modifier | modifier le code]

Les sondes spatiales peuvent être conçues pour effectuer un simple survol de l'objet céleste à étudier. Dans les cas les plus simples ces sondes doivent seulement être placées sur une trajectoire précise au départ de la Terre pour réaliser leur missions au prix de quelques petites corrections au cours du transit. Les premières sondes interplanétaires comme Mariner 4 étaient de ce type. Les objectifs qui peuvent être atteints par ce type de mission sont toutefois limités : le temps d'observation est très bref car la sonde effectue son survol à une vitesse de plusieurs km/s, souvent seule une face du corps céleste est visible au moment du survol et les conditions d'éclairage ne sont pas optimales. Cette méthode d'observation peut être la seule utilisable pour les objets célestes les plus lointains (survol de Pluton par New Horizons)[N 1]. Elle est également utilisée pour des missions sophistiquées de reconnaissance dont l'objectif est d'enchainer l'étude de plusieurs planètes ou lunes (sondes Voyager). Enfin ce peut être le seul moyen d'étudier les objets mineurs - comètes et astéroïdes - dont la vitesse relative est trop importante pour permettre une mise en orbite (mission Stardust)[3].

Orbiteur[modifier | modifier le code]

Un orbiteur est une sonde spatiale qui, après avoir transité jusqu'à son objectif, se met en orbite autour du corps céleste à étudier. Il s'agit de la deuxième grand catégorie des sondes spatiales avec celles effectuant un survol. Pour pouvoir se mettre en orbite, la sonde spatiale doit réduire fortement sa vitesse à son arrivée à proximité de son objectif. Les ergols utilisés pour cette opération de freinage peuvent représenter une fraction importante de la masse totale de l'engin (typiquement environ 50 % pour Mars). L'orbiteur permet d'effectuer des observations régulières de la quasi-totalité de la surface du corps céleste durant plusieurs années. L'orbiteur est l'étape qui suit logiquement l'envoi d'une sonde effectuant un simple survol. L'orbite de la sonde spatiale est choisie en fonction des objectifs poursuivis mais également de contraintes de masse. Les missions ayant un budget contraint comme Mars Express choisiront une orbite elliptique moins efficace mais moins couteuse en ergols qu'une orbite basse circulaire retenue pour la majorité des orbiteurs martiens de la NASA[3].

Sonde atmosphérique[modifier | modifier le code]

Une sonde atmosphérique est une sonde spatiale qui traverse l'atmosphère d'une planète pour l'étudier. Sa mission est relativement brève puisqu'elle dure généralement le temps de sa descente (non propulsée) jusqu'au sol. Durant cette phase, elle n'a besoin que d'une quantité d'énergie limitée et elle tire donc celle-ci de batteries. La sonde atmosphérique est généralement transportée jusqu'à la planète explorée par un vaisseau mère. La planète Vénus a été en particulier étudié par cette méthode avec la série des sondes soviétiques du programme Venera. D'autres sondes atmosphériques remarquables sont Huygens qui a étudié l'atmosphère de Titan, la sonde atmosphérique de Galileo qui a plongé dans les couches supérieures de la planète géante gazeuse Jupiter. L'atmosphère très épaisse de Vénus a permis la mise en œuvre des ballons du programme Vega soviétique qui ont pu transmettre des données durant plusieurs dizaines d'heures[3].

Atterrisseur[modifier | modifier le code]

Un atterrisseur est un type d'engin spatial conçu pour survivre à l'atterrissage sur le sol d'une planète ou d'une lune et collecter ensuite à l'aide de ses instruments scientifiques des données sur la surface qui sont transmises vers la Terre directement ou indirectement (via un autre engin spatial en orbite). La Lune et la planète Mars ont été en particulier explorées par des engins spatiaux de ce type avec par exemple les sondes du programme Surveyor les deux sondes du programme Viking ou l'atterrisseur Phoenix. L'atterrissage en douceur est la principale difficulté à laquelle doivent faire face les concepteurs de ce type d'engin. L'utilisation d'un parachute, mis en œuvre par exemple par Huygens sur Titan, nécessite la présence d'une atmosphère suffisamment épaisse et ne convient donc pas sur Mars. D'une masse et d'un cout réduits par rapport aux autres méthodes, le parachute ne permet pas un atterrissage complètement contrôlé. Pour se poser sur les corps célestes dépourvus d'atmosphère il faut avoir recours à des moteurs-fusées qui réduisent progressivement la vitesse de l'engin spatial. Ceux-ci nécessitent toutefois l'emport d'une grande quantité de carburant. Pour Mars la NASA a développé des techniques particulières d'atterrissage : les coussins gonflables mis en œuvre pour la première fois par Mars Pathfinder et un système très sophistiqué de dépose au sol par un étage faisant office de « grue volante » mis en œuvre en 2012 par la sonde Mars Science Laboratory[3].

Rover / astromobile[modifier | modifier le code]

Un rover, après s'être posé sur le sol d'un corps céleste, se déplace pour réaliser des études in situ en différents points présentant un intérêt scientifique. Il peut emporter de véritables petits laboratoires pour analyser les échantillons recueillis comme Mars Science Laboratory. Son énergie peut être produite par des panneaux solaires ou des RTG. Il est télécommandé si l'éloignement n'est pas trop important (Lune). Par contre la distance est trop importante pour les rovers martiens et ceux-ci disposent d'une certaine autonomie pour leurs déplacements qui repose sur des programmes d'analyse du terrain. Les déplacement sur une journée ne dépassent toutefois pas une centaine de mètres[3].

Mission de retour d'échantillons[modifier | modifier le code]

Une mission de retour d'échantillon a pour objectif de ramener sur Terre à des fins d'analyses des échantillons d'un autre corps céleste — planète, comète, astéroïde — ou des particules interplanétaires ou interstellaires. Comparé à un étude réalisée sur place par les instruments d'un robot comme le rover martien Curiosity, le retour d'un échantillon de sol sur Terre permet d'effectuer des analyses avec une précision beaucoup plus importante, de manipuler l'échantillon et de modifier les conditions expérimentales au fur et à mesure des progrès de la technologie et de la connaissance. Ce type de mission comporte des difficultés importantes : il faut selon la cible capturer des particules circulant à plusieurs km/s, réaliser un atterrissage automatique sur un corps pratiquement dépourvu de gravité ou au contraire pouvoir atterrir et redécoller depuis un puits de gravité important, et dans tous les cas effectuer une rentrée dans l'atmosphère terrestre à grande vitesse et avec une grande précision. Le retour sur Terre d'échantillons de sol martien qui constitue en 2016 l'un des objectifs les plus importants pour l'étude du système solaire, n'a toujours pas été concrétisé pour des raisons à la fois financière et technologique.

Pénétrateur[modifier | modifier le code]

Un pénétrateur est un petit engin spatial conçu pour pénétrer dans le sol d'un corps céleste (planète, lune, astéroïde ou comète) à grande vitesse en subissant une décélération de plusieurs centaines de g. Les informations recueillies par les instruments scientifiques embarqués sont de manière classique transmises par un petit émetteur au vaisseau mère en orbite qui le retransmet à son tour vers les stations sur Terre. Le concept du pénétrateur permet d'éviter l'emport de parachutes et de fusées nécessaires à un atterrissage en douceur et d'alléger ainsi de manière importante la masse de l'atterrisseur. Mais celui-ci doit pouvoir résister à l'impact ce qui crée en retour de nombreuses contraintes sur sa masse, sa structure et la conception de sa charge utile. Plusieurs projets de pénétrateurs n'ont pas dépassé la phase d'étude et, en 2013, seules deux missions ont mis en œuvre des pénétrateurs sans résultats du fait de la perte des vaisseaux mères : deux pénétrateurs Deep Space 2 étaient embarqués à bord Mars Polar Lander et deux autres à bord de Mars 96[3].

Satellites de télécommunications[modifier | modifier le code]

Un satellite de télécommunications chargé de relayer les communications entre la surface d'un corps céleste ou se trouve un atterrisseur ou un rover et la Terre. Ces engins ont jusqu'à présent toujours été des orbiteurs ayant par ailleurs leurs propres objectifs scientifiques tels que 2001 Mars Odyssey ou Mars Reconnaissance Orbiter. Certaines sondes spatiales relèvent de plusieurs catégories comme les sondes Viking qui comportent à la fois un atterrisseur et un orbiteur[3].

Démonstrateur technologique[modifier | modifier le code]

Un démonstrateur technologique est un engin spatial dont l'objectif est de valider une nouvelle technique. Par exemple Deep Space 1 dont l'objectif principal était de valider l'utilisation de la propulsion ionique pour les missions interplanétaires.

L'énergie[modifier | modifier le code]

Pour fonctionner une sonde spatiale a besoin de disposer en permanence d'énergie. Les engins développés récemment doivent disposer d'une puissance électrique comprise entre 300 et 2 500 watts pour alimenter les ordinateurs embarqués, l'émetteur-récepteur radio, les moteurs, les instruments scientifiques, les radiateurs ainsi que de nombreux autres équipements. Il n'existe que trois sources possibles d'énergie pour un engin spatial interplanétaire : les panneaux solaires, les RTG seules solutions pour les planètes externes trop éloignées du Soleil et les batteries. Ces dernières peuvent être une source d'énergie chargée avant le lancement ou être utilisées comme un système de stockage temporaire de l'énergie produite par les panneaux solaires permettant de faire face par exemple à des périodes d'éclipse.

Les panneaux solaires[modifier | modifier le code]

Un des deux ensembles de panneaux solaires fournissant l'énergie de la sonde spatiale Juno.

Les panneaux solaires sont formés d'une ensemble de cellules photovoltaïques qui chacune transforme l'énergie solaire par effet photoélectrique en courant électrique continu. Chaque cellule solaire est constitué d'un matériau semi-conducteur connecté avec des liaisons électriques. Plusieurs types de matériaux peuvent être utilisés tels que le silicium ou le GaAs plus efficace mais plus coûteux. Les cellules les plus performantes sont constituées de plusieurs couches très minces de matériaux semi-conducteurs, capables chacune de convertir une large partie du spectre de l'énergie solaire, qui permettent d'atteindre, combinés avec d'autres dispositifs, un rendement de 47 % (47 % de l'énergie du Soleil est transformé en courant électrique). Le rendement des cellules solaires des premiers satellites des années 1960 était de 6 %. En connectant les cellules solaires en série (le pôle positif d'une cellule est connecté au pôle négatif d'une autre cellule) on augmente la tension du courant produit, tandis qu'en les connectant en parallèle (tous les pôles positifs sont connectés ensemble et tous les pôles négatifs sont connectés ensemble) on augmente l'intensité du courant. Le panneau solaire sert de support physique aux cellules solaires, comporte les circuits électriques reliant les cellules entre elles et maintient les cellules dans une plage de température acceptable. Plusieurs panneaux solaires peuvent être reliés entre eux pour former une « aile ». Généralement les panneaux solaires sont articulés et leur orientation peut être modifiée avec un ou deux degrés de liberté. Généralement en modifiant en permanence l'inclinaison des panneaux solaires, on cherche à obtenir selon le cas le maximum d'énergie si on fait en sorte que les rayons solaires frappent à la perpendiculaire le panneau. Mais cette facilité peut être également utilisée pour diminuer l'angle d'incidence des rayons solaires afin de limiter la montée en température ou adapter la production de courant à une demande plus faible (l'énergie électrique produite décroit comme le cosinus de l'angle d'incidence des rayons solaires). Sur une sonde spinnée, les panneaux solaires tapissent le corps de forme cylindrique et la moitié est à l'ombre tandis que la majorité des cellules ne reçoivent pas le Soleil sous un angle optimal[4].

Au niveau de l'orbite terrestre l'énergie électrique théoriquement disponible est de 1,371 W/m2 dont 50 % peut être transformé en énergie électrique avec les cellules solaires les plus avancées. Abondante au niveau des planètes intérieures, la quantité d'énergie disponible est inversement proportionnelle au carré de la distance au Soleil. C'est ainsi qu'une sonde comme Juno envoyée en orbite autour de Jupiter cinq fois plus éloignée du Soleil que la Terre reçoit 25 (5×5) fois moins d'énergie solaire qu'au niveau de la Terre. La NASA a néanmoins choisi d'équiper cette sonde avec des panneaux solaires qui grâce à leur surface (45 m2 de cellules solaires) et leur technologie avancée parviennent dans ces conditions à fournir 428 watts (et 15 kW au niveau de l'orbite terrestre). Mais à cette distance du Soleil le recours au RTG est plus fréquent[4].

Les performances des panneaux solaires d'une sonde spatiale se dégradent sous l'action de plusieurs phénomènes. L'énergie reçue par le panneau solaire qui n'est pas convertie en énergie électrique est en partie réfléchie et en partie convertie en chaleur ce qui augmente la température des cellules. Lorsque sa température augmente la cellule solaire produit un courant de plus fort voltage mais l'ampérage diminue ainsi que la puissance produite (W=V×I). Cette diminution de la performance globale est de 1 % par degré Celsius pour les cellules en silicium et de 0,5 % pour les cellules en GaAs. Par ailleurs quelques centaines d'heures après son déploiement, la performance d'un panneau solaire diminue de 1 % du fait des changements chimiques générés par la lumière. Enfin le facteur qui produit le plus de dommage, est l'action des particules énergétiques produites par le vent solaire ou les tempêtes solaires qui endommagent progressivement la structure cristalline. C'est ainsi que les panneaux solaires de la sonde Magellan, placée en orbite autour de Vénus, ont perdu les deux tiers de leur capacité au cours de leur vie opérationnelle. Cette dégradation progressive est prise en compte dans le dimensionnement des panneaux solaires au moment de la conception de la sonde spatiale[4].

Sources énergie primaire de quelques sondes spatiales
Sonde spatiale Destination Date lancement Source énergie primaire Puissance Autres caractéristiques Remarques
Cassini Saturne 1997 3 × générateurs à radioisotope 885 watts
Huygens Titan 1997 Batteries Li SO2 1 600 watts-heures Durée de vie opérationnelle quelques heures Vaisseau mère : Cassini
Mars Global Surveyor Mars 1996 Panneaux solaires Si GaAs 1 000 watts Orientable avec 2 degrés de liberté
MESSENGER Mercure 2004 Panneaux solaires AsGa / Ge 450 watts Orientable avec 1 degré de liberté
70 % de la surface des panneaux solaires recouverts de réflecteurs
Juno Jupiter 2011 Panneaux solaires 450 watts Panneau fixe, surface des cellules : 45 m2

Le générateur thermoélectrique à radioisotope[modifier | modifier le code]

RTG de New Horizons.

Lorsque l'énergie solaire devient trop faible du fait de l'éloignement du Soleil un ou plusieurs générateur thermoélectrique à radioisotope remplace les panneaux solaires pour la production d'électricité. Ce générateur électrique produit de l'électricité à partir de la chaleur dégagée par la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radioisotopes, généralement du plutonium 238 sous forme de dioxyde de plutonium 238PuO2. La chaleur est convertie en électricité par l'intermédiaire de thermocouples. L'efficacité énergétique est réduite : moins de 10 % de la chaleur produite est convertie en électricité et le reste doit être évacuée par des radiateurs. Pour améliorer ces performances, les recherches actuelles s'orientent vers des convertisseurs thermoïoniques et des générateurs Stirling à radioisotope, qui pourraient multiplier le rendement global par quatre mais imposeraient des pièces mécaniques en mouvement susceptibles de se bloquer avec le temps. Le générateur thermoélectrique à radioisotope est particulièrement bien adapté à la production d'une alimentation électrique stable, sur une longue durée requise pour les instruments embarqués dans les sondes interplanétaires. Ainsi, le générateur embarqué sur la sonde New Horizons est capable de fournir une alimentation électrique stable de 200 W sur plus de 50 ans. Cependant la présence de plutonium 238 dans un engin susceptible d'être victime d'un échec du lanceur, suscite de fortes craintes dans une partie de l'opinion publique malgré des dispositifs de protection (blindage) qui se sont révélés en pratique efficaces.

Les sondes spatiales lancées vers Jupiter ou au-delà comme Voyager 1, Cassini ou New Horizons utilisent pour leur alimentation électrique des générateurs thermoélectriques à radioisotope. Toutefois, grâce aux rendements croissants des cellules solaires, les deux dernières sondes spatiales développées pour l'exploration de Jupiter - Juno et JUICE ont recours à des panneaux solaires qui sont toutefois de très grande taille (60 m2 pour Juno). Ces générateurs ont été également utilisés sur deux engins lancés vers la surface de Mars - Viking 1 et 2 et le rover Curiosity car ils permettent de s'affranchir du cycle jour/nuit et sont insensibles aux dépôts de poussière. Les générateurs fournissent des puissances modestes : 100 W (45 kg) pour Curiosity, 300 W (~56 kg) pour les sondes spatiales américaines en service au début du XXIe siècle. Pour répondre à leur besoins électriques certaines sondes embarquent jusqu'à trois générateurs (Cassini, Voyager).

Les batteries[modifier | modifier le code]

Contrôle d'orientation[modifier | modifier le code]

Propulsion[modifier | modifier le code]

Tuyères de la propulsion principale de l'orbiteur Cassini.

La sonde spatiale pour remplir sa mission a besoin d'un système de propulsion. Celui-ci peut remplir plusieurs rôles qui dépendent des objectifs de la mission et de certains choix d'architecture de la sonde spatiale :

Ces différents types d'utilisations nécessitent des propulseurs aux caractéristiques très différentes (poussée, nombre de mises à feu, durée). Aussi la sonde spatiale dispose généralement de plusieurs types de propulseurs pour faire face à ces besoins. De manière relativement classique une sonde spatiale comporte un moteur-fusée principal d'une poussée de plusieurs centaines de Newtons pour la mise en orbite, des grappes de petits propulseurs dont la poussée va de quelques dixièmes à quelques N. pour le contrôle d'orientation et des propulseurs de quelques dizaines de Newtons pour les corrections de trajectoire ou d'orbite[5].

Il s'agit généralement de moteurs à ergols liquides monoergol brulant de l'hydrazine ou biergols (généralement hydrazine + peroxyde d'hydrogène) qui présentent l'avantage d'être stockables sur de longues durées et d'être hypergoliques (de brûler spontanément sans dispositif de mise à feu). Ces ergols sont généralement mis sous pression par de l'hélium lui-même stocké dans des réservoirs sous haute pression. On trouve également plus rarement des petits propulseurs à gaz froid (utilisés pour éviter une pollution des instruments ou des échantillons recueillis, des moteurs ioniques (démonstrateur Deep Space 1, Dawn) qui nécessitent une architecture de mission adaptée et des moteurs à propergols solides (pour l'insertion en orbite) utilisés au début de l'ère spatiale (atterrisseurs lunaires du programme Surveyor)[5].

Systèmes de propulsion, caractéristiques et domaines d'utilisation
Type propulsion Utilisation Poussée Impulsion spécifique Autre caractéristique
Insertion en orbite Correction trajectoire
correction d'orbite
Contrôle d'attitude
Propulseur à gaz froid X 0,05-20 N. 50-170
Propergol solide X 50- N. 280-310 Utilisable une seule fois
Propulsion à ergols liquides
Monoergol hydrazine catalytique X X 220-240 N. 0,5-2500
Monoergol hydrazine à surchauffe X X 280-300 N. 0,05-0,5
Diergol (monométhylhydrazine et peroxyde d'azote) X X X 220-240 N. 5-500
Diergol (hydrazine et peroxyde d'azote) X X X 280-340 N. 5-500

Les télécommunications[modifier | modifier le code]

Antenne grand gain de l'orbiteur martien MAVEN.

Le système de télécommunications d'une sonde spatiale est chargée des échanges de données entre celle-ci et les stations à Terre. Ceux-ci comprennent dans le sens sonde spatiale- Terre les données télémétriques fournies périodiquement qui permettent de surveiller l'état de l'engin spatial ainsi que les données recueillies par les instruments scientifiques qui concrétisent les résultats de la mission. Dans le sens Terre- sonde spatiale transitent les instructions données à la sonde ainsi que d'éventuelles mises à jour logicielles. Les caractéristiques du système de télécommunication dépendent de la distance entre la sonde spatiale et la Terre, de la quantité d'énergie disponible, de la masse de la sonde. Le composant le plus visible du système est l'antenne parabolique grand gain. Plus le diamètre de cette antenne est élevé plus le faisceau radio émis peut être concentré et le débit est important ce qui est vital lorsque la distance avec la Terre entraine une forte baisse du débit. L'antenne peut être fixe ou orientable pour permettre de la pointer vers la Terre de manière indépendante de l'orientation retenue pour la sonde souvent contrainte par la direction du Soleil (production d'énergie) ou par rapport à l'objet étudié (caméras…)[6].

Pour que la liaison radio fonctionne il faut que le faisceau radio émis par l'antenne grand gain soit pointé précisément vers la Terre. La sonde spatiale dispose toujours par ailleurs d'antennes à faible gain omnidirectionnelles qui ne permettent qu'un débit de données très faible mais ne nécessitent aucun pointage. Ces antennes sont mises en œuvre à faible distance de la Terre mais elles permettent surtout de maintenir la liaison radio en cas d'échec de problème de pointage de l'antenne grand gain par exemple lorsque la sonde spatiale ne parvient plus à maintenir son orientation à la suite d'une défaillance de son calculateur ou de son système de contrôle d'attitude. Il existe également des antennes aux caractéristiques intermédiaires dites moyen gain qui émettent un faisceau large de 20 à 30° avec des débits moyens. L'émetteur radio émet en bande S, X ou Ka[6].

La navigation[modifier | modifier le code]

L'autonomie[modifier | modifier le code]

Les instruments scientifiques[modifier | modifier le code]

La raison d'être des sondes interplanétaires est d'effectuer des investigations scientifiques. Celles-ci nécessitent l'emport d'instruments scientifiques qui constituent la charge utile de la sonde.

L'analyse du rayonnement électromagnétique au cœur de l'instrumentation scientifique[modifier | modifier le code]

Spectre électromagnétique continu.
Exemple de spectre présentant des raies d'émission.
Exemple de spectre présentant des raies d'absorption.

La majorité des instruments scientifiques embarqués à bord d'une sonde spatiale en particulier à bord d'un orbiteur repose sur l'analyse du rayonnement électromagnétique émis par les objets observés. Ces instruments sont par exemple les caméras, spectromètres, radars. Ils exploitent le fait que la matière dans tous ses états (gaz, solide…) émet des rayonnements qui constituent une signature permettant d'identifier et de quantifier ses composants (molécules ou à défaut type d'atome). En effet l'espace est en permanence traversé par le rayonnement électromagnétique produit par les objets célestes (étoiles, planètes) mais également résultant d'événements passés (explosion d'étoile, Big Bang…). Ce rayonnement est plus ou moins énergétique (des ondes radio les moins énergétiques aux rayons gamma en passant par le rayonnement micro-ondes, infrarouge, la lumière visible, l'ultraviolet et les rayons X) selon le phénomène qui lui a donné naissance. La matière interagit avec ce rayonnement : selon la longueur d'onde du rayonnement incident elle peut absorber ce rayonnement (raies d'absorption) ou elle peut le réémettre avec une intensité plus forte dans d'autres longueurs d'onde (raies d'émission). Le phénomène de la fluorescence dans laquelle un matériau est frappé par un rayonnement non visible et réémet dans le rayonnement visible est le cas le plus vulgarisé[7].

Méthodes d'observation[modifier | modifier le code]

Les instruments sont rangés dans 4 grandes catégories en fonction de la méthode d'observation utilisée[8] :

  • Télédétection / Observation directe
  • La télédétection est l'observation d'un objet à distance. Les caméras permettent d'obtenir par cette méthode une image d'un objet lointain et un spectromètre mesure les longueurs d'onde du rayonnement émis par cet objet.
  • L'observation directe ou in situ est la mesure de phénomènes au contact des capteurs de l'instrument : un magnétomètre mesure le champ magnétique au voisinage immédiat de l'instrument et un détecteur de poussières mesure les particules qui viennent frapper directement son capteur.
  • Instrument passif / actif
Les instruments qui effectuent des observations directes comme ceux qui fonctionnent par télédétection sont soit passifs soit actifs.
  • Un instrument actif utilise de l'énergie pour sonder un objet ; c'est par exemple le cas d'un radar qui émet des ondes radio qui sont réfléchies par l'objet étudié ; ces dernières sont alors analysées. C'est également le cas du spectromètre à rayons X à particule alpha qui émet des particules de grande énergie à partir d'une source radioactive. Ces dernières viennent frapper l'objet mis à son contact (une roche) et l'instrument analyse les rayons X renvoyés par l'objet.
  • Un instrument passif se contente d'observer ce qui est déjà là sans fournir d'énergie pour sonder l'objet. C'est le cas d'une caméra sauf si un spot lumineux vient éclairer l'objet (cas de la caméra embarquée sur Huygens).

Les catégories d'instrument scientifiques[modifier | modifier le code]

Caméras et télescopes…[modifier | modifier le code]

Caméra haute résolution HiRISE de l'orbiteur martien MRO.

Radars[modifier | modifier le code]

Radiomètre et scattéromètre[modifier | modifier le code]

Spectromètre, spectrographe et spectroscope[modifier | modifier le code]

Spectromètre de masse[modifier | modifier le code]

SAM embarqué sur le rover Curiosity est le spectromètre de masse le plus sophistiqué embarque jusque là sur une sonde spatiale.

Certaines molécules, comme l'azote ou l'argon interagissent peu avec le rayonnement électromagnétique. Les molécules lourdes au contraire interagissent de manière complexe avec des émissions réparties sur toute la bande spectrale ce qui rend difficile leur interprétation et l'identification de la molécule d'origine. Le spectromètre de masse est un instrument utilisé pour identifier et quantifier les molécules de ce type. C'est un instrument qui est également bien adapté aux cas où la densité des molécules est faible[9]. Le spectromètre de masse fonctionne au contact de la matière utilisée ce qui limite son utilisation aux sondes atmosphériques et aux engins qui se posent à la surface des objets célestes étudiés (atterrisseur, rover). Son fonctionnement repose sur la mesure de la masse des molécules. Différentes techniques peuvent être utilisées. Après avoir été ionisé le matériau à analyser passe dans un détecteur qui peut être un analyseur quadripolaire, (analyse de la trajectoire dans un champ magnétique) ou un système de mesure de vitesseetc.

Spectromètre à rayons X[modifier | modifier le code]

Magnétomètre[modifier | modifier le code]

Détecteur d'ondes radio et plasma[modifier | modifier le code]

Détecteur de poussière[modifier | modifier le code]

Détecteur de particules chargées[modifier | modifier le code]

Déroulement d'une mission[modifier | modifier le code]

Lancement[modifier | modifier le code]

Transit[modifier | modifier le code]

Phase opérationnelle[modifier | modifier le code]

Sondes spatiales ayant donné lieu à des premières technologiques ou scientifiques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Liste des sondes spatiales.

Le tableau récapitulatif ci-dessous est une synthèse des missions de sondes spatiales ayant abouti à une avancée majeure sur le plan technique ou scientifique.

Mission Lancement Type Destination principale Principales réalisations
Drapeau de l'URSS Luna 2 ou Lunik 2 1959 Lune Premier objet artificiel entré en collision avec un autre corps du Système solaire.
Drapeau des États-Unis Pioneer 1 1958 Espace interplanétaire Première sonde spatiale américaine ayant réussi sa mission
Drapeau de l'URSS Luna 3 1959 Orbiteur Lune Première sonde spatiale soviétique ayant réussi sa mission
Premières photos de la face cachée de la Lune.
Drapeau des États-Unis Mariner 2 1962 Survol Vénus Première sonde spatiale stabilisée trois axes
Premier survol réussi de Vénus.
Drapeau des États-Unis Mariner 4 1964 Survol Mars Premier survol réussi de Mars.
Drapeau des États-Unis Surveyor 1 1966 Atterrisseur Lune Premier atterrissage en douceur sur un autre corps céleste.
Drapeau de l'URSSVenera 7 1970 Orbiteur Vénus Premier atterrissage en douceur sur le sol de Vénus.
Drapeau de l'URSSLuna 16 1970 Mission de retour d'échantillon Lune Première mission de retour d'échantillon
Drapeau de l'URSSLuna 17 1970 Rover Lune Premier rover télécommandé sur le sol d'un autre corps céleste
Drapeau de l'URSSMars 3 1971 Atterrisseur Mars Premier atterrissage en douceur d'une sonde spatiale sur Mars
Drapeau des États-Unis Mariner 10 1973 Survol Mercure Premier survol réussi de Mercure.
Première utilisation de l'assistance gravitationnelle d'une planète pour modifier la vitesse et la trajectoire d'une sonde spatiale.
Drapeau des États-Unis Pioneer 10 1972 Survol Planètes externes Première traversée de la ceinture d'astéroïdes
Premier survol de Jupiter
Première utilisation d'un générateur thermoélectrique à radioisotope
Drapeau des États-Unis Pioneer 11 1973 Survol Planètes externes Premier survol de Saturne
Drapeau des États-Unis Viking 1 et 2 1975 Atterrisseur Mars Première analyse détaillée in situ du sol martien
Première mise en œuvre d'une technique d'atterrissage contrôlée et de précision
Drapeau des États-Unis Voyager 1 & 2 1977 Survol Jupiter et Saturne, Uranus et Neptune (Voyager 2) Première observation des anneaux de Jupiter
Découverte du volcanisme d'Io
Découverte de la structure de la surface d'Europe
Composition de l'atmosphère de Titan
Structure des anneaux de Saturne
Premier survol de Titan (Voyager 1)
Premier (et seul en 2016) survol de Uranus et Neptune (Voyager 2)
Drapeau de l'URSS Vega 1 1984 Survol Vénus Première utilisation de ballons pour sonder l'atmosphère d'une autre planète
EuropeGiotto 1985 Survol Comète de Halley Premier survol du noyau d'une comète
Première mission interplanétaire de l'Agence spatiale européenne
Drapeau des États-UnisGalileo 1989 Orbiteur Jupiter et ses satellites Étude de l'atmosphère de Jupiter
Étude du volcanisme de Io
Première sonde atmosphérique dans l'atmosphère de Jupiter
Premier survol d'un astéroïde Gaspra (1991)
Drapeau des États-UnisMagellan 1989 Orbiteur Vénus Cartographie détaillée de la surface de Véhus avec une résolution élevée
Première utilisation d'un radar à synthèse d'ouverture pour cartographier une planète
Drapeau des États-Unis Mars Global Surveyor 1996 Orbiteur Mars Première utilisation de la technique de l'aérofreinage pour se placer en orbite autour d'une autre planète.
Drapeau des États-Unis Cassini-Huygens 1997 Orbiteur Saturne et Titan Analyse des atmosphères de Titan et de Saturne
Étude détaillée des satellites de Saturne
Étude détaillée des anneaux de Saturne
Huygens réalise la première analyse in situ de l'atmosphère de la lune Titan et effectue les premières photos de son sol.
Drapeau des États-UnisStardust 1999 Mission de retour d'échantillon Comète Wild Premier retour d'échantillon d'une comète sur Terre (2011)
Drapeau des États-Unis Near 2000 Orbiteur Éros Premier atterrissage en douceur sur un astéroïde
Drapeau des États-Unis 2001 Mars Odyssey 2001 Orbiteur Mars Découverte de grandes quantités d'eau sur Mars
Drapeau des États-Unis Genesis 2001 Mission de retour d'échantillon Point de Lagrange L1 du système Soleil-Terre Premier échantillon de vent solaire
Première sonde spatiale ayant ramené un échantillon de la matière d'au-delà de la Lune.
Drapeau des États-Unis Spirit 2003 Rover Mars Premier rover autonome sur le sol d'une autre planète.
Drapeau des États-UnisMESSENGER 2004 Orbiteur Mercure (planète) Première mise en orbite autour de Mercure (2011)
Europe Rosetta 2004 Orbiteur et Atterrisseur Comète Tchourioumov-Guerassimenko Première orbiteur autour d'une comète (2014)
Premier atterrisseur sur le sol d'une comète
Drapeau des États-Unis Deep impact 2005 Tempel 1 Survol Première utilisation d'un impacteur pour analyser le sol d'un autre corps céleste.
Drapeau du JaponHayabusa 2005 Mission de retour d'échantillon Itokawa Premier échantillon de sol d'un astéroïde ramené sur Terre
Drapeau des États-UnisNew Horizons 2006 Survol Pluton et son satellite Charon Premier survol de Pluton et de Charon (2015)
Drapeau des États-Unis Phoenix 2007 Atterrisseur Mars Première analyse in situ du sol des pôles martiens
Drapeau de la République populaire de Chine Chang'e 1 2007 Orbiteur Lune Orbiteur. Première sonde spatiale chinoise
Drapeau des États-UnisDawn 2011 Orbiteur Vesta, Cérès Première sonde spatiale à étudier Cérès et Vesta
Première utilisation de moteurs ioniques pour une mission scientifique interplanétaire
Première sonde spatiale à s'insérer successivement autour de deux corps célestes
Record capacité propulsion (delta-V > 10 km/s)
Drapeau de l'Inde Chandrayaan-1 2008 Orbiteur Lune Orbiteur. Première sonde spatiale indienne
Drapeau des États-UnisJuno 2011 Orbiteur Jupiter Première sonde spatiale à destination d'une planète externe utilisant des panneaux solaires
Drapeau des États-UnisMars Science Laboratory 2011 Rover Mars Recours à une technique d'atterrissage de grande précision
Masse record d'instrumentation scientifique sur le sol d'une autre planète
Première utilisation d'un RTG sur un rover

Missions en cours ou en développement[modifier | modifier le code]

Mission Statut Lancement Destination Type Principales caractéristiques
Drapeau des États-Unis Cassini-Huygens En cours 1997 Saturne et ses lunes Orbiteur et Atterrisseur
Drapeau des États-Unis 2001 Mars Odyssey En cours 2001 Mars Orbiteur
Drapeau des États-UnisMars Exploration Rover (Opportunity) En cours 2003 Mars Rover
EuropeMars Express En cours 2003 Mars Orbiteur
Europe Rosetta En cours 2004 Comète Tchourioumov-Guerassimenko Orbiteur et Atterrisseur
Drapeau des États-Unis Mars Reconnaissance Orbiter En cours 2005 Mars Orbiteur
Drapeau des États-Unis New Horizons En cours 2006 Pluton et ses lunes Survol
Drapeau des États-Unis Dawn En cours 2007 Astéroïdes Vesta et Cérès Orbiteur
Drapeau des États-Unis Lunar Reconnaissance Orbiter En cours 2009 Lune Orbiteur
Drapeau du Japon Akatsuki (PLANET C) En cours 2010 Vénus Orbiteur
Drapeau des États-Unis Mars Science Laboratory En cours 2011 Mars Rover
Drapeau des États-Unis Juno En cours 2011 Jupiter Orbiteur
Drapeau des États-Unis MAVEN En cours 2013 Mars Orbiteur
Drapeau de l'Inde Mars Orbiter Mission En cours 2013 Mars Orbiteur
Drapeau du Japon Hayabusa 2 En cours 2014 Ryugu retour d'échantillon
Europe ExoMars Trace Gas Orbiter En cours 2016 Mars Orbiteur
Europe Schiaparelli En cours 2016 Mars Atterrisseur
Drapeau des États-Unis OSIRIS-REx En développement 2016 retour d'échantillon
Europe Drapeau du JaponBepiColombo En développement 2017 Mercure Orbiteur
Drapeau de la République populaire de Chine Chang'e 5 En développement 2017 Lune retour d'échantillon
Drapeau des États-Unis InSight En développement 2018 Mars Atterrisseur
Europe Rover ExoMars En développement 2018 Mars Rover
Drapeau de l'Inde Chandrayaan-2 En développement 2018 Lune Orbiteur et Rover
Drapeau de la République populaire de ChineChang'e 4 En développement 2018 Lune Atterrisseur et Rover
Drapeau du Japon SLIM En développement 2019 Lune Atterrisseur
Drapeau des États-Unis Mars 2020 En développement 2020 Mars Rover
Drapeau de la Russie Luna-Glob En projet 2020 Lune Orbiteur
Drapeau de l'Inde Mangalyaan 2 En projet 2020 Lune Orbiteur, Atterrisseur et Rover
Drapeau de l'Inde Venus orbiter mission En projet 2020 Lune Orbiteur
Drapeau des États-Unis Mars 2022 orbiter En projet 2022 Mars Orbiteur Satellite de télécommunications
Europe JUICE En développement 2022 Europe , Ganymède Orbiteur
Drapeau du Japon MMX En projet 2022 Phobos et Deimos Orbiteur
Drapeau de la RussieVenera‑D En projet 2024 Lune Orbiteur, ballons et atterrisseur
Drapeau des États-Unis Europa Clipper En projet 202x Europe Orbiteur

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Pour parvenir à lancer une sonde spatiale vers une planète externe il faut que la vitesse de départ soit très importante : il faut s'extraire presque complètement du puits gravitationnel du système solaire et il faut aller vite pour que le temps de temps de transit ne soit pas trop long. Le lanceur sera d'autant plus important que la masse de la sonde sera réduite. L'ergol nécessaire à une mise en orbite représente facilement la moitié de la masse d'une sonde. Dans le cas d'une sonde lancée vers une planète extérieure il faut encore plus d'ergols car la vitesse à l'arrivée est plus élevée.

Références[modifier | modifier le code]

  1. « Guide normatif simplifié », sur CNES, CNES,‎ .
  2. Dave Doody, op. cit. p. 243-246.
  3. a, b, c, d, e, f et g (en) « Basics of Space Flight - Chapter 9. Spacecraft Classification », sur NASA/JPL (consulté le 17 novembre 2013).
  4. a, b et c Dave Doody, op. cit. p. 144-148.
  5. a et b (en) « Basics of Space Flight - Chapter 11. Typical Onboard Systems CONTINUED », sur NASA/JPL (consulté le 17 août 2013).
  6. a et b (en) « Basics of Space Flight - Chapter 11. Typical Onboard Systems - Telecommunications Subsystems », sur NASA/JPL (consulté le 17 août 2013).
  7. Space Invaders : how robotics spacecraft explore the solar system, p. 118-122.
  8. Dave Doody, op. cit. p. 183-184.
  9. (en) Sarah Hörst, « Probing Titan's Atmosphere », The Planetary Society,‎ .

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Document utilisé pour la rédaction de l’article : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

  • (en) Graham Swinerd, How spacraft fly : spaceflight without formulae, Springer Praxis, (ISBN 978-0-387-76571-6)
  • (en) Michel van Pelt, Space Invaders : how robotics spacecraft explore the solar system, Praxis, (ISBN 978-0-387-33232-1)Document utilisé pour la rédaction de l’article
  • Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Cépaduès, (ISBN 2-8542-8662-6)
  • (en) Peter W. Fortescue, John Stark et Graham Swinerd, Spacecraft systems engineering, New York, J. Wiley, , 678 p. (ISBN 978-0-470-85102-9 et 978-0-471-61951-2, OCLC 50479241)
  • (en) Michael D Griffin et James R French, Space Vehicle Design 2e édition, AIAA Education series, (ISBN 978-1-56347-539-9)
  • (en) George P Sutton et Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements 8e édition, Wiley, (ISBN 978-0-470-08024-5)
  • (en) Dave Doody, Deep Space Craft : an overview of Interplenetary flight, Springer Praxis, (ISBN 978-3-540-89509-1)Document utilisé pour la rédaction de l’article
  • (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, (ISBN 978-0-521-12958-9)
  • (en) Miguel R. Aguirre, Introduction to Space Systems - Design and synthesis, Springer Space Technology Library, (ISBN 978-1-4614-3757-4)
  • (en) Asif A Siddiqui, Deep Space Chronicle : A Chronology of Deep Space and Planetary Probes 1958-2000 (SP-2002-4524), NASA, (lire en ligne)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]