Pendule VBB interactif

La page suivante donne accès à un modèle 3-D interactif d'un pendule très large bande VBB, sous la forme d'un simple fichier PDF à télécharger. Vous pourrez ainsi très facilement découvrir les capteurs sismiques qui sont au cœur du sismomètre SEIS de la sonde InSight :

• Le fichier PDF interactif contient un modèle 3-D léger mais réaliste des pendules VBB d'InSight. Grâce à la souris, il est possible d'effectuer des mouvements de rotation (clic gauche), de translation (clic simultané gauche & droite) et de zoom avant / arrière (avec la molette).

• Le menu de droite permet de découvrir les différents composants du pendule. En cliquant sur un composant donné, celui-ci est non seulement mis en évidence (les parties non essentielles apparaissant alors en transparence), mais également décrit via un petit texte explicatif (qui s'affiche dans un encadré beige situé en bas de page). Il est également possible de lancer les animations spécifiques au mécanisme d'équilibrage du pendule (BM) et au mécanisme de compensation thermique (TCDM).

• Le menu de gauche donne accès à des animations globales qui permettent de mieux comprendre le rôle de deux mécanismes qui équipent le pendule VBB (moteur d'équilibrage et dispositif de compensation thermique), et surtout d'observer la façon dont le pendule vibre suite à une excitation sismique. Là encore, des petits textes descriptifs sont disponibles.

 Découverte interactive de la structure et du fonctionnement d'un pendule VBB (fichier PDF interactif) (© IPGP/David Ducros).

 Pour pouvoir utiliser le fichier PDF interactif dans de bonnes conditions, il est nécessaire de :

• Télécharger et installer la version la plus récente d'Adobe Acrobat Reader DC (les autres visionneuses de fichiers PDF ne sont pas recommandées et supportées).

• Télécharger le fichier PDF "InSight SEIS pendule VBB Interactif FR v1.3.pdf" en cliquant ici (version actuelle : 11-06-2018 / juin 2018).

• Ouvrir le fichier avec Adobe Acrobat Reader DC. Une alerte de sécurité apparaît suite à la présence de contenu 3-D dans le fichier, par défaut désactivé. Cliquez sur le menu "Options" de la barre d'alerte jaune, et choisissez "Toujours approuver ce document".

• Passer si possible en mode plein écran via le menu "Affichage"/"Mode Plein Ecran" (raccourci clavier CTRL-L).

• Vous voilà aux commandes de l'un des premiers capteurs sismiques très large bande jamais envoyé vers Mars !

Date de dernière mise à jour : 12 juin 2018

Une enceinte en titane étanche et sous vide

Les sismomètres sont des appareils qui sont très sensibles à la moindre variation de température. Sur Terre, ils sont généralement installés dans des environnements où la température est très stable, comme des caves ou des galeries de mines. Sur Mars, il est impossible de creuser, et l'instrument va donc être soumis à des contrastes thermiques particulièrement importants, journaliers et saisonniers. Ainsi, même sur le site d'atterrissage d'InSight, la plaine équatoriale d'Elysium, la différence de température entre le jour et la nuit sera en moyenne de 70°C.

Sphère ouverte, montrant les deux demi-coques ainsi que les pendules très large bande (© IPGP/SODERN).

Pour atténuer au maximum les contrastes de température, les pendules très large bande du sismomètre sont placés dans une sphère en titane où règne un vide poussé.

D'un volume de 3 litres environ (soit approximativement la taille d'un melon), cette enceinte réalisée par le Jet Propulsion Laboratory à Pasadena est constituée de deux demi-coques en titane très légères, qui ont été soudées par laser autour d'une couronne circulaire sur laquelle les trois pendules, un pour chaque direction de l'espace, ont été solidement fixés.

La couronne accueille aussi une série de connecteurs passe vide permettant le passage de câbles électriques. C'est également à son niveau que se trouve le queusot, un petit tube de cuivre dont le rôle est de permettre l'aspiration de l'air de la sphère pour la mettre sous vide.

Lors de l'étape cruciale de la mise sous vide, la sphère est d'abord étuvée, pour favoriser au maximum la vaporisation des composés qui ont pu se condenser à l'intérieur. L'air est ensuite aspiré grâce à des pompes très puissantes. Une fois la totalité du contenu gazeux évacué, le queusot est écrasé par une pince spécifiquement adaptée, ce qui a pour effet de sceller définitivement le caisson.

La sphère est enfin équipée de capteurs de température, qui serviront pour les opérations de surveillance et de diagnostic.

Protection des pendules

L'un des rôles de la sphère sous vide est de permettre aux pendules de fonctionner dans un environnement qui soit le plus propre possible. Effectivement, en se glissant dans certains endroits, comme le pivot ou les électrodes du capteur de mouvement, une particule micrométrique, ou un film collant de molécules organiques pourrait enrayer les délicats mécanismes d'un pendule et paralyser le sismomètre.

Représentation en 3D de la sphère protectrice du sismomètre SEIS (© IPGP).Le vide qui règne à l'intérieur de la sphère permet d'éliminer le mouvement brownien, qui parasiterait énormément les mesures sismiques. Lorsqu'elles sont soumises à la chaleur, les innombrables particules (atomes et molécules) qui composent l'atmosphère se mettent à bouger de manière aléatoire mais incessante, à la manière de danseurs dans une boite de nuit. C'est ce que les physiciens appellent le mouvement brownien.

Inévitablement, certaines particules viendraient cogner contre la masse mobile des pendules, déclenchant alors un signal au niveau du sismomètre. Il semble donc vital de pouvoir annuler au maximum cette source de perturbation, et la seule façon d'y parvenir est de vider la sphère de son contenu.

Si l'atmosphère martienne est environ 100 fois plus ténue que celle de la Terre (moins de 10 mbars pour Mars contre 1 bar pour notre planète), elle est encore trop dense pour les pendules. La technique qui aurait consistée à équiper la sphère d'une valve filtrante (pour empêcher les poussières de rentrer), de manière à équilibrer les pressions entre l'intérieur de l'enceinte et le milieu martien extérieur n'aurait donc pas été suffisante.

Plus important encore, l'absence d'air dans la sphère en titane permet également d'isoler du mieux possible les pendules des variations de température extérieures, ce qui est absolument fondamental pour la qualité des mesures sismiques, surtout lorsqu'il s'agit d'enregistrer des ondes à longue période. Ce point explique également pourquoi le nombre de protections thermiques est aussi important autour du sismomètre SEIS.

La sphère de vol du sismomètre SEIS (© IPGP/SODERN/CNES/Piraud).

Non contente d'offrir un environnement sous vide aux pendules, la surface de la sphère est effectivement revêtue sur sa face intérieure d'une couche très fine d'isolant thermique. La sphère est elle-même enfermée dans une coque externe isolante (RWEB), et cet ensemble, une fois au sol, sera lui même recouvert par un imposant bouclier éolien et thermique, le WTS.

Une pression aussi basse que possible

Au fil du temps, la pression à l'intérieur de la sphère en titane finira inévitablement par augmenter. Pour suivre l'évolution de la pression à l'intérieur de la sphère, cette dernière ne dispose pas de baromètres internes. Ce sont les sondes de température, placées sur les pendules, qui permettront aux ingénieurs d'évaluer la qualité de l'isolation thermique à un moment donné, et d'en déduire le niveau du vide existant dans la sphère.

Au début de la mission d'InSight, juste après l'atterrissage, la pression dans la sphère avoisinera les 0,01 millibars. Deux années terrestres plus tard, en fin de mission et si aucune fuite majeur ne s'est produite entre temps, le vide ne sera plus que de 0,1 millibars, une valeur néanmoins suffisante pour continuer à effectuer des mesures sismiques en cas d'extension de la mission.

Les trois pendules VBB à l'intérieur de l'enceinte de confinement en titane (© SODERN).

Afin de pouvoir garantir la persistance de très basses pressions à l'intérieur de la sphère, celle-ci est également équipée de sortes d'éponges à gaz. Le rôle de ces dispositifs est de piéger des gaz qui pourraient encore être présent dans la sphère, après son étuvage et sa mise sous vide. Ils absorberont également le gaz carbonique martien si une micro-fuite apparaissait sur Mars.

Dernière mise à jour : 26 février 2018

Un instrument ultrasensible et ultrarésistant, déployé robotiquement 

Un pendule VBB à côté de la sphère de confinement sous vide (© IPGP/SODERN/CNES).Le sismomètre très large bande qui équipe la sonde InSight est un instrument extrêmement sophistiqué, qui a demandé plus de deux décennies de développement aux ingénieurs. Il bénéficie de tout le travail réalisé sur des missions précédentes, en particulier Mars 96 et NetLander, qui n'ont malheureusement pas aboutis.

Au coeur de l'appareil se trouvent trois pendules ultra-sensibles, qui détecteront les plus infimes mouvements de la surface martienne. Le déplacement de la partie mobile du pendule sera mesuré avec une grande précision de manière électronique. Un mécanisme de contre-réaction ramènera en permanence la partie mobile sur sa position d'équilibre, ce qui permettra d'accroitre encore les performances de la mesure.

A ce stade, nous disposons déjà d'un pendule parfaitement fonctionnel. Mais plusieurs perfectionnements ont été nécessaires pour adapter l'ensemble aux conditions martiennes.

Pour ajuster très finement les pendules à la gravité martienne, un dispositif motorisé d'équilibrage a ainsi été conçu par les ingénieurs. De plus, chaque pendule est aussi équipé d'un mécanisme spécifique de compensation thermique, qui va permettre de contrer les sautes de température, très importantes sur la planète Mars.

Sur Mars, le facteur le plus hostile aux sismomètres est sans nul doute les énormes variations de température qui ont lieu entre le jour et la nuit, et au cours des saisons. Le sismomètre SEIS possède donc plusieurs barrières thermiques.

Le sismomètre SEIS : de l'extérieur vers le centre, on distingue le bouclier thermique et éolien WTS, l'enveloppe de protection thermique RWEB, puis l'enceinte de confinement sphérique qui protège les pendules VBB. Le berceau de mise à niveau motorisé ainsi que les capteurs de courte période sont également visibles (© IPGP/David Ducros).

A l'image d'une poupée russe, les trois pendules sont installés dans une sphère en titane ou règne un vide poussé. Cette sphère est recouverte par un couvercle de protection alvéolée qui utilise l'atmosphère martienne comme un isolant thermique supplémentaire. Enfin, l'ensemble est placé sous un lourd bouclier thermique et éolien, dont le rôle de minimiser les contrastes thermiques, et d'offrir une protection contre les rafales de vents.

Contrairement aux missions Viking, où les sismomètres étaient restés fixés sur le pont de l'atterrisseur, InSight dispose de la capacité à déposer le sismomètre au sol, grâce à un bras robotique muni d'un grappin. Dans un premier temps, le bras saisira le sismomètre pour le poser au sol. Un cordon ombilical semi-rigide relie le sismomètre à un boitier électronique situé à l'intérieur de l'atterrisseur InSight, et qui permet l'alimentation électrique, la numérisation des signaux et l'échange des données avec l'ordinateur de bord de l'atterrisseur.

La sphère contenant les pendules est montée sur un berceau métallique doté de trois pieds motorisés, qui permet une mise à niveau très précise par rapport à l'horizontale. La qualité de l'installation au sol est effectivement primordiale pour assurer un fonctionnement optimal du sismomètre.

Bruce Banerdt, le responsable scientifique de la mission InSight, pointe vers un sismomètre terrestre Wielandt-Streckeisen STS2, installé juste sous le sismomètre martien SEIS (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)

C'est seulement lorsque l'instrument sera parfaitement positionné que le bouclier thermique et éolien le recouvrira. Toutes les conditions seront alors réunies pour entamer les mesures, qui s'étaleront sur une période de deux années terrestres.

Dernière mise à jour : 2 février 2018

Un mécanisme d'horlogerie complexe et modulaire développé par l'Institut de Physique du Globe de Paris

Un sismomètre miniature usiné dans une puce de silicium

En plus de ses pendules à très large bande VBB, le sismomètre SEIS sera épaulé dans sa tâche par un jeu de trois capteurs à courte période (SP), qui sont sensibles à des ondes sismiques dont la fréquence dépasse le Hertz (1 vibration par seconde).

Le capteur courte période du sismomètre SEIS (© Imperial College London)Le rôle du sismomètre courte période, qui ne fait pas partie des instruments critiques de la mission, est d'offrir une redondance partielle en cas de défaillance du sismomètre très large bande. Sensible à une gamme de fréquence (les géophysiciens parlent de bande passante) qui s'étale de 0,1 Hz à 40 Hz, il recouvre effectivement partiellement celle étudiée par les pendules très large bande VBB.

Par définition conçu pour réagir à des fréquences plus hautes que celles exploitables par le sismomètre très large bande (jusqu'à 50 Hz), le sismomètre courte période étend également de manière sensible la bande passante des signaux sismiques auxquels la sonde InSight sera sensible.

Dit autrement et pour employer une métaphore, les capteurs du sismomètre SP peuvent être vus comme une seconde paire d'oreilles. Elles viendront au secours de la mission InSight si la paire d'oreille principale (VBB) vient à être frappée de surdité, tout en permettant d'entendre des signaux stridents qui seraient sinon inaudibles. 

Miniaturisation : petit mais costaud

Contrairement aux pendules très large bande, qui occupent un volume conséquent et sont d'un poids important, les capteurs sismiques courte période ont été fortement miniaturisés. Usinés dans une galette de silicium par gravure ionique, ils sont très légers, et sont aussi petits qu'une pièce de monnaie de 1 euro. La masselotte mobile de chaque capteur pèse seulement 1 gramme, contre environ 190 grammes pour celle des pendules VBB.

La mise au point du micro-sismomètre SP et de ses trois capteurs a posé aux ingénieurs de nombreux challenges, dont celui de résister aux chocs très violents qui sont associés aux missions spatiales lors d'événements comme le lancement ou l'atterrissage. Durant ces événements, la sonde Insight va effectivement devoir encaisser des accélérations considérables de quelques centaines de g, voire des valeurs encore plus importantes durant des chocs qui seront cependant très brefs.

Représentation en 3D du capteur courte période du sismomètre SEIS (© Imperial College London)Or les sismomètres sont justement des instruments très sensibles, dont la raison d'être est de mesurer des accélérations très faibles, de seulement quelques nano-g. On comprend donc qu'ils supportent mal le fait d'être secoués violemment dans tous les sens.

Le sismomètre SP a néanmoins été conçu pour résister à de tels outrages. Comme celle des pendules VBB, la masselotte mobile n'a de plus pas besoin d'être verrouillée pendant le vol spatial (depuis le lancement jusqu'à l'atterrissage), car son débattement est limité par des butées.

Malgré son très faible encombrement et sa simplicité apparente, le sismomètre SP permet de détecter des vibrations dans les trois directions de l'espace, la verticale et les deux horizontales (contrairement à VBB, les pendules ne sont pas inclinés). Un ensemble d'électrodes permet la mesure du déplacement de la masselotte. Le système a été conçu de façon à pouvoir fonctionner même si la mise à niveau avec l'horizontale, grâce au dispositif de nivellement, n'a pas été réalisée de façon optimale.

Sous responsabilité anglaise, le sismomètre SP a été conçu et fabriqué par le Collège Impérial et l'Université d'Oxford.

Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

Une ingénieuse protection thermique qui utilise l'air martien

Sur Terre, les géophysiciens cherchent toujours à installer les sismomètres dans des endroits ou la température est très stable, l'idéal étant de pouvoir placer les appareils dans d'anciennes galeries ou puits de mines.

Ecorché de l'instrument SEIS, montrant la structure du RWEB (© IPGP/David Ducros).

Sur Mars, les contrastes journaliers extrêmes de température constituent un inconvénient majeur pour les mesures sismiques. Sur le site d'atterrissage de la sonde InSight, la plaine d'Elysium, les météorologues estiment que la différence de température entre le jour et la nuit pourrait atteindre 70 à 80°C. Une situation très inconfortable pour un sismomètre aussi sensible que SEIS, en particulier lorsqu'il s'agit de mesurer des signaux sismiques à longue période (ou basse fréquence). L'influence des fluctuations thermiques décroit effectivement très rapidement avec l'augmentation de la fréquence.

Les ingénieurs responsables du développement du sismomètre d'InSight ont donc cherché à multiplier les protections thermiques. C'est ainsi que les pendules, qui forment le coeur de l'instrument, sont enfermés dans une sphère ou règne un vide poussé, et dont l'intérieur est recouvert d'un écran thermique. Cependant, ces précautions ne sont pas suffisantes, et la sphère elle-même est placée à l'intérieur d'une protection thermique sophistiquée, appelée RWEB (Remote Warm Enclosure Box).

Des alvéoles pour piéger le gaz carbonique martien

Pesant 0,75 kilogramme et mesurant environ 42 centimètres de diamètre, ce couvercle hexagonal met à profit les propriétés isolantes exceptionnelles d'un allié insoupçonné : l'atmosphère martienne elle-même !

Le CO₂ qui constitue l'air martien possède en effet la propriété de stagner dans tout interstice pour peu que l'épaisseur entre la paroi chaude et la paroi froide soit plus faible que 2 centimètres, et ce quelque soit les différences de température entre l'intérieur et l'extérieur.

Une succession de couches de Mylar®, un autre matériel connu pour sa faible conductivité thermique et utilisé pour fabriquer des couvertures de survie, entoure donc la sphère. Chaque couche est espacée de la suivante par un espace mesurant moins de 2 centimètres d'épaisseur, pour piéger efficacement le dioxyde de carbone. L'intérieur de chaque couche est argenté, tandis que l'extérieur est au contraire doré, ce qui accentue encore l'isolation thermique.

Le sommet du RWEB est occupé par une petite tige terminée par une sphère qui permet sa préhension par le grappin à cinq doigts du bras robotique de l'atterrisseur InSight, et qui forme donc une sorte de poignée.

Cadran solaire

Autour de la poignée se trouve un petit cadran solaire. Il permettra aux géophysiciens d'estimer l'azimut, c'est à dire l'orientation du sismomètre par rapport au pôle nord de la planète rouge, à partir de la connaissance de la position du sismomètre sur Mars et de l'heure de la mesure de la direction de l'ombre.

Le cadran ne servira cependant pas bien longtemps. Une fois au sol, le couvercle thermique RWEB, qui renferme donc la sphère du sismomètre et ses trois pendules, sera effectivement vite recouvert par une autre cloche de protection contre la température et les vents, le WTS.

Dernière mise à jour : 18 septembre 2017

Un bouclier pour contrer les vents et la température

De part leur sensibilité, les sismomètres doivent idéalement être situés dans des environnements très calmes. Sur Terre, ils sont souvent placés dans des caves souterraines, comme d'anciens puits de mine abandonnés. Dans ces endroits, les températures sont étonnamment stables, et le niveau de silence est impressionnant. Toutes les perturbations liées à l'activité atmosphérique, comme les vents, sont de plus automatiquement éliminées.

Le bouclier thermique et éolien WTS (© CNES).

Sur Mars, il ne sera pas possible de creuser un trou et d'enterrer le sismomètre, et ce même si le bras robotique possède un godet, et pourrait très bien jouer le rôle de pelleteuse.

Les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory ont donc mis au point une cloche de protection, qui sera descendue sur le sismomètre une fois ce dernier posé au sol. Sous sa bulle high-tech, SEIS sera efficacement protégé des contrastes très importants de température qui existent sur Mars entre le jour et la nuit. Les sautes et rafales de vent seront également très atténuées. 

Le dispositif de protection éolien et thermique du sismomètre (WTS) est composé d'un couvercle d'aluminium alvéolé à la forme aérodynamique, au bord duquel a été fixée une jupe thermique dorée. L'ensemble repose sur trois pieds, qui se déploieront automatiquement dès que la cloche, placée sur la plateforme de l'atterrisseur, sera soulevée par le bras robotique pour être amenée au-dessus du sismomètre (déployé précédemment sur le sol), puis lentement descendue.

Représentation d'artiste illustrant le rôle de protection du WTS à la surface de Mars (© IPGP/David Ducros).

La jupe extensible est bordée sur son pourtour inférieur par une sorte bande de cotte de maille, similaire à celle qui équipaient les armures des chevaliers médiévaux. Par son simple poids, elle va permettre à la jupe de s'étendre. Sa structure en écaille offre également un second avantage : celui de pouvoir recouvrir efficacement tout obstacle comme des cailloux, en épousant la surface de ces derniers et en réalisant ainsi un contact étanche.

La cloche mesure 69 centimètres de diamètre (pour 35 cm de hauteur) et pèse 9,5 kilogrammes, soit un poids plus important que le sismomètre qu'elle protège. Elle devra idéalement recouvrir le plus symétriquement possible le sismomètre, qui mesure 36 centimètres dans son plus grand axe, sans le toucher. Un espace d'au moins six centimètres devra exister entre l'instrument et le bouclier thermique et éolien.

Malgré le soin apporté à sa conception, il n'est pas impossible que de violentes rafales de vent, ou le passage d'un tourbillon de poussière (dust devil) parvienne à déloger, soulever ou même faire s'envoler la cloche. Le bouclier a été développé pour pouvoir résister à des bourrasques de 60 m/s, et devrait même pouvoir survivre à des vents de 100 m/s.

Le bouclier de protection thermique et éolien a été mis au point par le centre Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Son efficacité a été testée sur le terrain avec un premier prototype dans le cratère du Piton de la Fournaise sur l'île de la Réunion, puis une seconde fois dans le désert du Mojave en Californie.

La jupe extensible du bouclier de protection éolien et thermique d'InSight, avec la cotte de mailles dans la partie inférieure (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

Dernière mise à jour : 2 janvier 2019

La ligne de vie du sismomètre d'InSight

Schéma montrant la connexion du cordon ombilical du sismomètre SEIS, avec notamment la boucle de service et le dispositif d'ouverture LSA (© NASA/JPL-Caltech).

Une fois posé au sol, le sismomètre SEIS continuera d'être en relation avec l'atterrisseur InSight par l'intermédiaire d'un cordon ombilical sophistiqué ayant la forme d'un câble plat semi-rigide.

Ce cordon, confiné dans un dévidoir (TSB, Tether Storage Box), se déroulera automatiquement lorsque le sismomètre sera pris en charge par le bras robotique.

D'une longueur de 3 mètres et de 4,5 centimètres de largeur, le câble relie l'instrument SEIS avec la  boîte électronique (eBOX) placée à l'intérieur de l'atterrisseur dans un compartiment thermique. Il assure à la fois l'alimentation électrique du sismomètre, ainsi que la circulation des signaux électriques, des mesures obtenues par l'instrument et des instructions de commandes.

Pour éviter que le cordon ne transmette au sismomètre des vibrations en provenance de l'atterrisseur (provoquées par exemple par les mouvements des panneaux solaires sous l'effet des vents), des dispositifs d'amortissements ont été mis en place.

L'un des plus importants est une boucle de relaxation (appelée aussi boucle de service). Une pièce mécanique fixée sur le sismomètre force le câble à effectuer une boucle, ce qui complique fortement la propagation d'éventuelles vibrations en provenance de la sonde. Cette astuce est couramment utilisée sur Terre, lorsque les géophysiciens déploient des sismomètres. Une fois l'instrument posé au sol, il est généralement recommandé de prendre le câble servant à l'acheminement de l'électricité et des données, et de lui faire faire un tour complet autour du capot de protection du sismomètre.

Le dérouleur du cordon ombilical du sismomètre SEIS (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin).D'autres améliorations subtiles ont été apportées au fur et à mesure des réflexions des ingénieurs. C'est ainsi que le cordon est équipé d'une tige terminée par une petite sphère, qui permet sa préhension par le grappin du bras robotique. Si la situation l'exige, il sera donc possible d'attraper le câble au sol pour modifier sa position.

Une plaque métallique de 300 grammes environ munie de picots (tether prong mass) est également fixée sur la partie inférieure du câble : elle va servir à améliorer  le contact avec le sol et à prévenir d'éventuels micro-déplacements.

Le cordon et ses différents accessoires ont été développés par le Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

Un niveau à bulles (très) sophistiqué

Représentation graphique 3D du système de nivellement. Ce dernier est composé d'un anneau sur lequel sont fixés trois pieds télescopiques, trois boitiers contenant l'électronique de proximité pour les pendules VBB, les trois capteurs à courte période, et enfin les dispositifs permettant la manipulation de l'ensemble par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA).

Pour pouvoir fonctionner dans les conditions les plus favorables, le sismomètre SEIS devrait idéalement pouvoir être déposé sur la surface la plus plate et horizontale possible.

Sur notre planète, une dalle de béton aurait été coulée, et SEIS aurait été nivelé avec des molettes à vis. Sur la Lune, et comme dans le cadre du programme Apollo, un astronaute aurait manuellement nivelé l'instrument avec un niveau à bulles, après avoir orienté l'un des axes vers la Terre. Sur Mars, rien de tout ceci n'est  évidemment possible.

Les ingénieurs ont donc conçu un mécanisme ingénieux en forme de berceau, à l'intérieur duquel la sphère renfermant les pendules VBB vient prendre place. Alimentée électriquement, cette structure dispose de trois pieds motorisés.

Une fois l'instrument déposé au sol par le bras robotique de l'atterrisseur InSight, des inclinomètres, placés sur la structure du berceau, vont mesurer l'inclinaison de ce dernier.

Pour atteindre un niveau de performance maximal, les pendules situés dans la sphère doivent être positionnés avec un certain angle par rapport à la direction de la gravité martienne (le vecteur de gravité étant parallèle à la verticale). A l'intérieur de la sphère, les pendules ont été montés inclinés, de manière à ce qu'ils forment avec l'horizontale un angle de 30,5°. Cet angle doit être respecté une fois sur Mars, et la seule manière de le faire est de s'assurer sur la sphère sera positionnée parfaitement à l'horizontale.

Il est fort probable qu'après son déploiement par le bras robotique, l'instrument SEIS se retrouve sur un terrain irrégulier légèrement en pente, ou que l'un de ses pieds s'appuie contre un caillou. Dans ce dernier cas de figure, les ingénieurs choisiront sans doute de repositionner le sismomètre, mais quelque soit les efforts qui seront fournis pour s'assurer que l'instrument finisse par reposer sur le secteur le plus plat possible,  la situation ne sera jamais parfaite.

Test du berceau de mise à niveau du sismomètre SEIS sur l'île éolienne de Vulcano en Italie en juin 2016. Le disque métallique visible au sommet de la plateforme ne sera pas présent sur l'instrument de vol. Il sert ici de support à un sismomètre terrestre, utilisé durant les tests en l'absence du sismomètre martien SEIS (© Brigitte Knapmeyer-Endrun).

C'est là que les pieds motorisés du berceau rentrent en jeu. Avec un débattement vertical maximal de 6 centimètres, les pieds sont capables de se rétracter ou au contraire de s'étirer pour ramener la sphère parfaitement à l'horizontale, et ce avec une précision de 0,1°. Ce mécanisme va permettre à l'instrument SEIS de s'accommoder de pentes pouvant aller jusqu'à 15°.

Le second rôle du berceau est d'assurer un contact optimal avec le sol, sachant qu'aucun signal sismique sensible ne pourra être enregistré sans un couplage correct et stable dans le temps avec la surface martienne.

Les pieds motorisés sont donc terminés par une pointe conique, qui facilitera la pénétration du sol et augmentera la stabilité de l'instrument. Un anneau métallique, situé un peu plus haut, empêchera de son côté un enfoncement trop important, et améliorera la surface de contact avec le sol. Enfin, des petites collerettes réalisées dans un matériau isolant serviront à protéger les moteurs de la poussière martienne et à isoler les pieds des variations de température.

Enfin, un mécanisme spécial de calibration va permettre d'ajouter une inclinaison très subtile et bien connue au berceau, qui va servir à la calibration des pendules pour que ces derniers soient ensuite capables de mesurer les marées de la lune Phobos.

Le mécanisme de nivellement a été mis au point par l'Institut Max Planck en Allemagne.

Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

Le cerveau électronique de SEIS

Carte électronique de rétroaction située dans la boîte électronique eBOX (© IPGP)

Si une petite partie de l'électronique qui contrôle le sismomètre SEIS a été installé à proximité de la sphère renfermant les pendules (l'électronique de proximité dont le rôle est de pré-amplifier les signaux), la majeure partie a été déportée sur l'atterrisseur InSight, à l'intérieur d'un boitier appelé eBOX.

D'un poids de 5 kilos et placée au chaud à l'intérieur d'un compartiment spécialement adapté où elle peut fonctionner sans être inquiétée des rigueurs du climat martien, l'eBOX protège neuf cartes électroniques, absolument vitales pour le fonctionnement de SEIS.

Carte D/C

La première carte électronique (D/C) contrôle l'alimentation en énergie de l'instrument SEIS. Elle reçoit de la part de l'atterrisseur une tension de 28 volts, qu'elle convertit en différentes tensions nécessaires au fonctionnement des différents composants du sismomètre. Etant donné son importance, cette carte est présente en deux exemplaires, pour des questions de redondance. Si un dysfonctionnement se produit sur la première carte, la seconde carte identique peut être utilisée en secours.

La plupart du temps, l'atterrisseur InSight sera en sommeil, et il n'est prévu de le réveiller que quelques heures par jour, en particulier pour transmettre les données recueillies par les instruments et activer des capteurs. Lors des phases de sommeil, SEIS sera totalement autonome, et la carte d'alimentation, branchée directement sur les batteries de l'atterrisseur, doit donc fonctionner avec une très grande fiabilité.

Carte A/C

Vue extérieure de la boite électronique eBox (© ETHZ)

La seconde carte (A/C) est responsable de l'acquisition des données et du contrôle de l'instrument. Elle est interfacée avec les cartes électroniques de rétroaction, ainsi que celles dédiées au système de mise à niveau et aux micro-capteurs SP.

C'est de cette carte que proviennent les ordres de démarrage d'un pendule VBB, ou que s'effectue la sélection des deux modes de fonctionnement de SEIS : le mode d'ingénierie (grâce auquel l'instrument peut être paramétré) et le mode scientifique, qui permet l'acquisition des signaux sismiques.

La carte A/C offre également d'autres fonctions, comme la détection de court-circuit, ou la collecte des données provenant des capteurs environnementaux, tel que les sondes de température et diverses tensions d'alimentation, y compris la puissance délivrée par l'atterrisseur à l'expérience SEIS. Elle est reliée au système de gestion des commandes et données de l'atterrisseur InSight (C&DH, Command and Data Handling), et, comme la carte D/C précédente, elle est également redondée.

Cartes de rétroaction

Le boitier électronique eBOX accueille ensuite trois cartes électroniques dites de rétroaction, une par pendule VBB.

Couplées au dispositif de rétroaction (composé d'un aimant et d'un ensemble de 3 bobines) qui équipe chaque pendule, ces cartes assurent la gestion de la boucle de contre-réaction. Cette dernière fait en sorte qu'à chaque instant, le moindre mouvement de la masse mobile soit contrebalancé par une force exactement opposée, les pendules étant ainsi assurés d'être en permanence ramenés à leur position d'équilibre.

Le mécanisme de rétroaction est essentiel, car c'est de lui que proviennent les mesures sismiques. Ce qui est véritablement lus par les cartes électroniques et envoyés sur Terre aux scientifiques n'est autre que la valeur de la force de rappel qui sert à tout instant à ramener la masse mobile à sa position d'équilibre. Le dispositif de contre-réaction a aussi pour avantage d'optimiser les performances des pendules VBB, et de réduire de plus d'un facteur 100 l'effet des variations de température sur les propriétés mécaniques de ces derniers.

Carte SP / LVL

Détail de la carte de contrôle de la boucle de contre-réaction (© IPGP)

Les deux dernières cartes qui sont enfichées au sein de la boîte électronique sont responsables de la gestion du sismomètre SP à courte période, lui aussi contre-réactionné, ainsi que du contrôle du mécanisme de mise à niveau.

Les trois pendules VBB à très longues périodes enfermés dans la sphère sont effectivement épaulés par trois micro-sismomètres sensibles aux courtes périodes. Etant un peu moins critique que les pendules VBB, des composants électroniques non spatiaux ont pu être utilisés, après avoir bien entendu subi un cycle drastique de qualification. D'un volume plus faible que celui des VBB, les trois sismomètres SP peuvent ainsi s'appuyer sur une seule carte électronique pour leurs trois circuits respectifs de contre-réaction.

Ni les capteurs VBB ou les capteurs SP ne sont redondés. Ils partagent cependant tout deux la même gamme de mesures entre 100 secondes et 0,02 secondes, avec de meilleures performances pour les SP sur des périodes plus faibles que 0,2 secondes, et à l'inverse, de meilleures performances pour les VBB sur des périodes plus grandes que 0,2 secondes. Si l'un des six axes venait à tomber en panne à cause d'un dysfonctionnement, il sera de fait remplacé par les survivants, et la mesure tri-axiale de l'accélération du sol martien sera donc maintenue.

Le mécanisme de  mise à niveau (LVL) dispose de sa propre carte électronique de contrôle. Ce dispositif va permettre, grâce à l'action de trois pieds motorisés, d'aligner avec une grande précision l'instrument SEIS avec l'horizontale, et donc la gravité martienne. Etant donné que ce mécanisme ne sera mis en oeuvre qu'au tout début de la mission, après la dépose au sol de l'instrument par le bras robotique, la carte électronique de contrôle n'a pas été redondée.

Un faible niveau de bruit électronique

L'une des caractéristiques de l'eBOX est d'être capable d'acquérir les signaux du sismomètre avec un très faible niveau de bruit. Etant donné l'impact qu'il peut avoir sur les performances des capteurs, le bruit électronique généré par les cartes a fait l'objet d'une attention toute particulière par les ingénieurs électroniciens. C'est ainsi que pour les cartes de rétroaction, des condensateurs de qualité spatiale et d'une très faible sensibilité thermique ont été conçus et fabriqués sur mesure.

L'eBOX est placée sous la responsabilité de l'Institut Fédéral Suisse de Technologie (ETHZ), qui a également réalisé les cartes d'acquisition (A/C), d'alimentation (D/C) ainsi que l'électronique de contrôle des sondes de température. De leur côté, les cartes de contre-réaction ont été conçues par les différentes équipes responsables des capteurs sismiques. Celles qui gèrent les pendules VBB ont été mises au point par l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) en France et réalisées par la société toulousaine EREMS. L'Angleterre a fourni la carte de contrôle des sismomètres SP, tandis que les allemands ont développé celle contrôlant le mécanisme de mise à niveau.

Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

Température, chocs et vibrations, vide, radiations et champs électromagnétiques, il faut tout tester !

Inspection de la sphère de vol du sismomètre SEIS (­© Hervé Piraud/IPGP/SODERN/CNES)

Dans le domaine spatial, les tests ont une importance absolument vitale. D'eux va dépendre le bon fonctionnement d'un instrument dans l'espace, et donc le succès de la mission.

Modèles de tests

La batterie de tests commence dès la conception de l'instrument, avec le modèle structural et thermique (STM), qui sert à valider deux aspects clés d'un instrument : la résistance de la structure, ainsi que son comportement sous un stress thermique.

Les ingénieurs élaborent ensuite un modèle de qualification (QM), déjà fonctionnel, et sur lequel toute une série de tests est conduite, dont des tests électriques. Si ces derniers donnent satisfaction dans leur ensemble, un modèle de vol, destiné à être envoyé dans l'espace, peut alors être construit, en même temps qu'un modèle de rechange, qui sera utilisé si le modèle de vol finit par présenter des défaillances. Modèle de vol et modèle de rechange sont bien entendu testés de la même manière que le modèle de qualification.

Le nombre de tests auquel est soumis un instrument spatial est impressionnant, et reflète les challenges qui jalonnent le chemin de sa mise au point. Les tests sont globalement découpés en deux grands groupes : les tests fonctionnels, et les tests environnementaux.

Tests fonctionnels : l'instrument fonctionne-t-il correctement ?

Instruments de mesure, cave sismique de St-Maur (­© Thierry Cantalupo/IPGP)

Première chose à vérifier, le bon fonctionnement de l'instrument dans l'environnement où il est sensé travailler.

Mettre au point un sismomètre martien sur notre planète n'a effectivement rien d'une partie de plaisir. Non seulement l'appareil doit correctement se comporter sur Terre, mais il doit aussi parfaitement fonctionner dans des conditions martiennes, c'est à dire à des températures glaciales (jusqu'à -65°C), et sous une atmosphère très ténue de dioxyde de carbone.

Le sismomètre est donc régulièrement enfermé dans des caissons étanches qui simulent l'environnement martien. Certains aspects sont cependant impossibles à répliquer, comme la gravité martienne, trois fois plus faible que la gravité terrestre.

Les ingénieurs utilisent alors des astuces pour tenter de coller au plus près de la réalité. Dans le cas du sismomètre SEIS, une petite masse est ajoutée au pendule au niveau du pivot, ou ce dernier est incliné d'un certain angle pour obtenir, perpendiculairement au plan incliné, la même valeur d'accélération que celle en vigueur sur Mars. Ce test n'est cependant pas sans conséquences, car la gravité terrestre continue malgré tout de s'exercer sur le pivot des pendules.

Performances

Les tests fonctionnels englobent également des notions de performance. L'instrument doit non seulement fonctionner, mais il doit également offrir un niveau de performance minimal, par exemple en termes de sensibilité, pour pouvoir répondre aux problématiques scientifiques pour lesquelles il a été conçu. De très nombreux tests adressent donc la question des performances, et les données collectées sont étudiées avec une grande minutie pour détecter tout comportement anormal ou décevant.

Malgré les efforts déployés pour vérifier le bon fonctionnement et le niveau de performance du sismomètre martien SEIS, des zones d'ombre subsistent obligatoirement. Elles ne seront levées qu'une fois sur Mars.

SEIS est effectivement un instrument ultra-sensible, car il est conçu pour une planète très calme d'un point de vue sismique. Sans le bruit incessant du ressac des mers et des océans, et sans la tumultueuse activité humaine, Mars est effectivement très silencieuse, quand on la compare à la Terre.

Lorsqu'il est allumé sur Terre, le sismomètre SEIS est immédiatement perturbé par un bruit de fond qui rend impossible la détermination exacte de ses caractéristiques réelles. Les ingénieurs responsables de sa conception ont pourtant placé des prototypes dans des environnements coupés du monde, comme le fond d'une galerie de mine abandonnée en plein coeur de la Forêt Noire, en vain. Même là bas, la Terre est encore trop bruyante pour lui pour des périodes inférieures à 20 secondes, et seules les comparaisons entre des signaux enregistrés à la fois par SEIS et des sismomètres terrestres de référence permettent de mettre en évidence le bruit de l'instrument.

Tests environnementaux : chocs et vibrations

Sortie de caisson de la sphère de vol du sismomètre SEIS (­© Hervé Piraud/IPGP/SODERN/CNES)

L'espace est un milieu qui ne pardonne pas, et c'est là que les choses se compliquent encore pour SEIS.

Car le sismomètre doit non seulement continuer à fonctionner, mais aussi garder son niveau de performance, c'est à dire sa grande sensibilité, après avoir traversé et subi des agressions qui détruiraient n'importe quel sismomètre sophistiqué conçu dans un but uniquement terrestre.

Dès son lancement, le sismomètre va effectivement encaisser des chocs brefs mais extrêmement violents, et être secoués dans tous les sens. La plus petite fragilité au niveau des mécanismes les plus délicats peut alors avoir des conséquences désastreuses. Sur Terre, la résistance aux vibrations et aux chocs (généralement causés par la mise à feu de dispositifs pyrotechniques au cours des différents stades de la mission) est donc testée sur des plateaux vibrants, qui peuvent être vus comme autant d'appareils de torture.

Comparé à d'autres instruments, le sismomètre pose un défi de taille, car par définition, il comporte une partie mobile devant librement se déplacer le long d'une partie fixe au moindre mouvement. Durant des phases critiques, comme le décollage ou l'atterrissage, il pourrait être intéressant de verrouiller la partie mobile, et de ne déverrouiller cette dernière qu'une fois au sol.

En 1976, l'incapacité de la sonde Viking 1 à ôter la goupille de son sismomètre fait que ce système est vue d'un mauvais oeil par les ingénieurs. Pour le sismomètre SEIS, aucun système de verrouillage n'a donc été utilisé. La résistance aux vibrations et aux chocs des pendules tient en partie au fait que la partie mobile ne possède que très peu de jeu. Son déplacement est effectivement limité à seulement quelques dizaines de microns, ce qui ne l'empêche pas de pouvoir mesurer des secousses de grande ampleur.

Températures et vide

Deuxième caractéristique du milieu spatial, les contrastes énormes de température. Durant le voyage entre la Terre et Mars, et une fois à la surface de la planète rouge, le sismomètre SEIS va expérimenter des sautes extrêmes de température. Sur Terre, pour vérifier son comportement thermique, l'appareil est donc successivement porté à des températures élevées dans des étuves (jusqu'à 60 °C), avant d'être placé dans des enceintes ou règnent des températures glaciales pouvant descendre jusqu'à -75°C. Des tests sur des prototypes ont même été réalisés à des températures inférieures à -100°C.

L'espace est par définition un milieu (presque) vide, et des tests sont donc effectués pour vérifier le bon fonctionnement du sismomètre en l'absence complète d'air. Grâce à des caissons martiens, les ingénieurs s'assurent également que l'instrument est capable de supporter l'atmosphère martienne, soit quelques millibars seulement de dioxyde de carbone. Cette atmosphère, bien différente de celle de notre planète, peut d'ailleurs avoir des conséquences surprenantes sur les systèmes électroniques, en favorisant par exemple les arcs électriques.

Radiations et champs électromagnétiques

Test d'un pendule VBB (© Patrice Latron/IPGP)En l'absence de champ magnétique déflecteur et d'une atmosphère, l'espace est baigné par des radiations délétères provenant du soleil ou du milieu galactique. Celles-ci sont composées de particules très énergétiques qui peuvent faire d'immenses dégâts sur les composants électroniques.

C'est ainsi que placé dans l'espace, l'ordinateur sur lequel vous lisez ce texte cesserait presque immédiatement de fonctionner, à cause de la corruption de la mémoire vive ou des registres du processeur central par les rayons cosmiques ou le vent solaire. Des batteries de tests doivent donc là encore être conduites pour vérifier la bonne tenue du sismomètre SEIS aux radiations, que ce soit durant le vol Terre - Mars, où une fois posé à la surface de la planète rouge (où il sera cependant relativement protégé par l'atmosphère de la planète).

Enfin, d'autres tests servent à valider le fonctionnement du sismomètre par rapport aux champs électromagnétiques environnants. Une fois à la surface de Mars, l'atterrisseur InSight va générer par sa propre activité des champs électromagnétiques. Dans ce domaine, l'exemple le plus parlant est sans doute celui des antennes radio, en particulier de l'antenne UHF, qui assurera les communications avec le satellite américain Mars Reconnaissance Orbiter. Des tests ont ainsi eu lieu sur Terre, au centre spatial Toulousain du CNES pour vérifier que l'antenne en question ne perturbe pas le sismomètre quand elle émet ou reçoit un signal radio.

Face à cette liste qui donne le tournis, il est possible de commencer à imaginer l'incroyable quantité de travail à laquelle les équipes techniques qui ont conçu et mis au point le sismomètre SEIS ont dû faire face. Des pièces entières peuvent facilement être remplies rien qu'avec les données brutes, les rapports de test, les listings d'anomalies techniques et les bilans et synthèses.

C'est pourtant à ce prix, et à ce prix seulement, que les scientifiques pourront bénéficier d'un instrument capable d'enregistrer et de caractériser les plus infimes tressautements d'un monde extraterrestre, située à des centaines de millions de kilomètres de la Terre.

Dernière mise à jour : 26 octobre 2016

Bruits et sources parasites externes

Le sismomètre SEIS qui équipe la sonde InSight est extrêmement sensible. Avec une sensibilité mille fois supérieure au sismomètre qui équipait les sondes Viking en 1976, il peut repérer des déplacements inférieurs à la distance qui sépare l'électron du noyau de l'atome d'hydrogène. Cette prouesse technique est indispensable, car Mars est beaucoup plus silencieuse que notre planète. Sur Terre, la source de perturbations la plus importante pour les sismomètres n'est autre que le ressac des océans et des mers. Le déferlement des vagues sur les côtes génère un bruit sismique continu, qui permet à toute station sismique terrestre de détecter les tempêtes maritimes de l'océan le plus proche.

Bien entendu, l'activité humaine produit également une pollution sonore très importante en surface. On conçoit aisément que le passage d'une rame de métro ou le staccato d'un marteau piqueur puissent venir s'imprimer sur un enregistrement sismique. Enfin, l'atmosphère terrestre, qui est en continuel mouvement, laisse aussi des traces. Les variations de température, de pression, ainsi que les vents peuvent perturber fortement les mesures sismiques, d'où l'intérêt d'enterrer les sismomètres dans des puits de mines quand cela est possible.

Sans étendues d'eau en constante agitation ni mégapoles, la planète rouge est un monde très calme. Seule l'activité météorologique pourra parfois, comme sur Terre, venir brouiller les enregistrements sismiques. Elle devra donc être mesurée indépendamment, grâce à une station météorologique sophistiquée, pour être ensuite décorrélée des signaux fournis par l'instrument.

Les vents

Un prototype du sismomètre SEIS a été testé dans les conditions exceptionnelles offertes par le site sismique le plus calme d'Europe : une ancienne mine située sous la forêt noire en Allemagne (© droits réservés).Même s'il n'est bien entendu pas possible d'enterrer le sismomètre SEIS dans le sous-sol, ou de le déposer dans une ancienne galerie de mine, les ingénieurs ont cherché à l'isoler au maximum des perturbations atmosphériques martiennes. Dans le domaine des longues périodes, très intéressant scientifiquement, les changements atmosphériques et les fluctuations dues aux vents et à la pression seront une source majeure de déplacement du sol, et ce indépendamment de toute activité sismique.

Pour parer à ce type de perturbation, l'instrument est protégé des vents par un bouclier éolien et thermique, le WTS, mais la protection n'est pas parfaite à 100 %. De plus,  des secousses liées à l'activité éolienne pourront atteindre le sismomètre par l'intermédiaire de la surface.

En fonction de la pression, la couche d'air située autour du site d'atterrissage appuiera effectivement plus ou moins fortement sur le sol, qui se déformera alors subtilement, un mouvement que ne pourra pas manquer d'enregistrer le sismomètre.

Les vibrations des panneaux solaires de l'atterrisseur, qui sont très fins et qui vibreront donc facilement sous l'effet des vents un peu comme les ailes d'un insecte, constitueront également une source de bruit parasite, tout comme la compaction du sol sous les trois pieds du bouclier WTS.

Précaution supplémentaire, les variations de pression seront surveillées continuellement par un baromètre ultra-sensible. Cependant, lorsque les rafales dépasseront la vitesse de 3à 5 m/s, le sismomètre commencera à voir un niveau de bruit appréciable, résultant de la déformation du sol par les fluctuations de pression générées par le vent. Ce bruit sera tout à la fois un obstacle pour détecter les petits séismes, mais aussi une nouvelle source de données pour les sismologues et les spécialistes de l'atmosphère du projet.

La température

Plus que les vents, l'ennemi n°1 du sismomètre SEIS sur Mars n'est autre que la température. Sur la planète rouge, les contrastes de température sont tels que les écarts thermiques doivent absolument être amenés à un minimum au niveau des pendules. Malgré les précautions prises, certains composants restent effectivement sensibles à la température, qui peut alors modifier le centre de gravité ou la raideur des ressorts et des pivots.

Pour contrer les variations de températures, les pendules sont placés à l'intérieur d'une sphère ou règne un vide poussée, sphère qui est ensuite positionnée derrière de multiples barrières isolantes, comme le bouclier thermique RWEB ou la cloche éolienne et thermique WTS. Un dispositif spécial, le TCDM, permettra de plus de minimiser la sensibilité des pendules aux changements de température.

Les modifications de température extérieures seront scrupuleusement suivies grâce à la station météo qui équipe l'atterrisseur InSight, ainsi que par des capteurs de température situés à l'intérieur de la sphère, sur le système de nivellement et au niveau du boitier électronique. Les données collectées serviront ensuite à corriger du mieux possible les signaux transmis par le sismomètre sur les très longues périodes.

Le très fort contraste de température existant entre le jour et la nuit (environ -60°C à -80°C) générera également des perturbations indirectes. La dilatation ou la contraction des matériaux de l'atterrisseur donneront effectivement lieu à des craquements, comme ceux qui animent parfois les maisons en hiver, lorsque la température descend brutalement et que la charpente se met à jouer.

Bruits et sources parasites internes

Les bruits internes des instruments spatiaux sont mesurés dans des environnements contrôlés, comme ici en salle blanche (© Lucile Fayon).Au sein du système solaire, il existe des astres encore plus silencieux que Mars. C'est le cas de la Lune, qui ne possède ni océans, ni atmosphères, ni villes bruyantes. Là bas, presque rien ne bouge depuis des milliards d'années, et les plus petits séismes, qui seraient totalement inaudibles sur Terre, peuvent être écoutés et analysés. Cependant, dans un silence quasi parfait, une autre source de bruit, plus sournoise que les bruits venant de l'extérieur (océans, atmosphère ou activité humaine) fait inévitablement son apparition.

Si l'on se contente d'amener sur la Lune un sismomètre terrestre et de le brancher durant la longue nuit sélène, quand la température est très stable, sans variation de plus de quelques millièmes de degré Celsius, on ne pourra que constater l'apparition de signaux parasites sur les enregistrements. Sur Terre, ces derniers seraient entièrement noyés dans le bruit de fond de notre planète, mais sur la Lune, ils ressortiraient avec une troublante netteté. D'où peuvent donc bien provenir ces bruits parasites ?

Il s'avère qu'un sismomètre placé dans un milieu totalement isolé de la moindre perturbation ne fournit pas un signal parfaitement plat, mais montre une activité subtile mais néanmoins bien réelle, qui prend naissance au coeur de l'instrument lui-même, par le biais de différents phénomènes, comme l'agitation thermique, la dérive mécanique ou les perturbations électromagnétiques.

Agitation thermique

Si l'on observe au microscope de minuscules particules d'huile placées en suspension dans l'eau, on sera surpris de voir les gouttelettes de graisse, qui devraient être totalement immobiles, vibrer et bouger de manière aléatoire dans toutes les directions. Ce mouvement particulier, qualifié de brownien en l'honneur de son découvreur, le botaniste Robert Brown,  est dû à l'agitation thermique des particules. A cause de son immense sensibilité, la partie mobile du pendule du sismomètre SEIS est impactée par l'agitation thermique, et va se mettre à osciller aléatoirement, indépendamment de tout mouvement du sol, sous l'effet des à-coups des rares molécules de gaz encore présentes dans la sphère sous vide.

L'isolation du sismomètre de l'environnement extérieur ne peut jamais éliminer le mouvement brownien : la seule façon de le réduire est de construire des sismomètres massifs, de réduire les frottements au niveau des parties mobiles ou d'abaisser leur température. Un bruit brownien semblable existe aussi dans les circuits des cartes électroniques, en particulier dès que ces dernières utilisent des résistances de grande valeur. L'agitation thermique, combinée au bruit thermique électronique, va constituer la principale source de bruit parasite pour des ondes sismiques d'une période de quelques secondes, qui sont justement celles qui intéressent le plus les scientifiques à cause du potentiel de découvertes qu'elles recèlent.

Perturbations électromagnétiques

Sur Mars, le sismomètre SEIS sera baigné par un champ électromagnétique émis par l'activité de l'atterrisseur, mais plus encore par l'ionosphère de la planète, cette partie de la très haute atmosphère ou certains atomes ou molécules sont ionisés.

Comme nous l'avons vu précédemment, une grande partie de la sensibilité de SEIS au champ magnétique vient du ressort des pendules VBB, usiné dans un alliage de fer et de nickel qui compense les variations de température par une modification de ses propriétés magnétiques. Le sismomètre SP, entièrement réalisé dans du silicium, n'est lui pas sensible au champ magnétique.

Là encore, comme pour les températures, les perturbations magnétiques pourront être enregistrées indépendamment grâce au magnétomètre FluxGate, puis extraites des signaux du sismomètre.

Autres sources parasites internes

D'autres sources de perturbations peuvent venir parasiter les mesures du sismomètre SEIS, comme le bruit électronique. Celui-ci est surtout présent au niveau du capteur DCS qui permet de mesurer le déplacement de la partie mobile du pendule par rapport à la partie fixe, mais il concerne également les circuits du dispositif de contre-réaction, les convertisseurs analogique/digital, etc. Des forces électrostatiques parasites peuvent également diminuer la sensibilité de l'instrument. Les parties mécaniques peuvent aussi subir une dérive, que la contre-réaction corrige, et à laquelle il est également possible de pallier en recentrant les pendules grâce au mécanisme d'équilibrage.

Caractérisation du niveau de bruit interne

Les sources de bruit internes du sismomètre SEIS sont assez bien connues, et ont été caractérisées par les ingénieurs responsables du développement de l'instrument.

Prédit d'un point de vue théorique par des modèles analytiques, les sources et l'intensité du bruit interne ont été validées sur plusieurs générations de sismomètres. Bien qu'il soit impossible de mesurer directement le niveau de bruit des pendules du sismomètre, une estimation indirecte mais précise a pu être réalisée en comparant des mesures du bruit terrestre effectuée par SEIS avec des données obtenues au même moment par des sismomètres terrestres qui équipent les observatoires, matériel plus précis mais bien plus lourd, et intransportable sur Mars.

Dernière mise à jour : 08 février 2017

Une mécanique de précision implacable

Le sismomètre SEIS est composé de trois pendules sophistiqués solidement fixés dans une sphère en titane sous vide, et sensibles à une large gamme de vibrations. Ils sont pour cela qualifié de très large bande (VBB). Conçu en profondeur pour l'environnement martien, bien plus hostile que l'environnement terrestre, SEIS n'a cependant que peu à envier aux meilleurs sismomètres mis en oeuvre sur notre planète, même si ses performances sont cependant moindre que le meilleur instrument terrestre du marché, dix fois plus lourd, et très gourmand en puissance électrique.

Un pendule en deux parties, unies par un pivot

Représentation graphique d'un pendule VBB (© IPGP).

Comme tous les pendules des sismomètres terrestres, les pendules VBB possèdent une partie mobile, capable d'osciller par rapport à une partie fixe, ceci sous l'impulsion de secousses sismiques transmises par le sol à l'instrument. Un pivot à lamelles, dont le principe de fonctionnement est étonnant, permet l'articulation entre la partie mobile et la partie fixe, et constitue l'axe de rotation du pendule. Il a été conçu pour permettre des mouvements extrêmement petits (de très faibles amplitudes), qui puissent s'effectuer en toute liberté, sans qu'aucun frottement ne vienne les empêcher.

Pendule inversé : sensibilité et instabilité

Le sismomètre SEIS s'appuie sur le principe du pendule inversé. Contrairement à un pendule classique, ou la masse mobile est suspendue à la verticale par un ressort à un socle fixe, le pendule inversé est un système beaucoup plus instable.

Partie fixe (en rouge) et mobile (en vert) d'un pendule VBB (© IPGP/david Ducros).Imaginez une tige flexible, plantée dans sa partie inférieure à un socle fixe, et terminée à son extrémité supérieure par une masse. On conçoit sans mal qu'un tel dispositif en équilibre précaire soit sensible à la moindre vibration. On comprend également qu'à la moindre pichenette, la masse aura tendance à basculer à droite ou à gauche de manière définitive, si le système n'est pas conçu et équilibré avec suffisamment de soin.

L'instabilité inhérente au pendule inversé lui confère une plus grande sensibilité que celle d'un pendule classique, y compris avec des masses mobiles de faible poids, ce qui est un avantage immense dans le domaine spatial. Celle de SEIS ne pèse que 190 grammes, à comparer aux masses bien plus importantes des sismomètres terrestres, qui sont proche d'un kilogramme pour les meilleurs instruments.

Un ressort conçu sur mesure

Bien qu'instables par nature, les pendules inversés du sismomètre SEIS conservent leur équilibre à un ressort lamellaire, recourbé en demi-cercle, et qui applique en permanence une force de rappel à la masse mobile, empêchant cette dernière se céder définitivement à la force de gravité.

Chaque ressort est unique, et entre les trois pendules de SEIS, ces derniers ne sont pas interchangeables. Ils sont effectivement fabriqués sur mesure, en tenant compte des caractéristiques des pivots, elles-aussi uniques.

Aucun pendule n'est donc identique à un autre, et chacun d'eux possède sa propre personnalité. Les ingénieurs responsables de la conception et de la fabrication de ces bijoux de technologie ont donc réellement effectué un travail de haute couture.

Vue de profil d'un pendule VBB très large bande (© IPGP).

Capteurs de déplacement

Grâce à un jeu d'électrodes fixées sur la partie mobile et la partie fixe, chaque pendule peut mesurer à chaque instant, et très précisément, les mouvements du sol au travers des mouvements de la partie mobile.

Un dispositif de contre-réaction, qui ramène à tout moment le pendule sur sa position d'équilibre, grâce à une bobine électromagnétique, augmente encore les performances du sismomètre, en particulier pour les déplacements très lents du sol. 

Trois axes pour les trois directions de l'espace

Pour un pendule donné, la partie mobile ne peut se déplacer que dans une seule direction de l'espace, celle-ci étant définie par l'axe de rotation du pivot. Le sismomètre d'InSight est un sismomètre trois axes, c'est à dire qu'il comporte un pendule pour chaque direction de l'espace, soit trois au total.

Il serait logique de penser que l'un des pendules est positionné verticalement, tandis que les deux autres sont orientés horizontalement. En réalité, bien que les trois pendules forment entre eux un angle de 90°, ils sont inclinés obliquement, de 32,5° par rapport à l'horizontal. Cette disposition, qui peut paraître étrange, permet de répartir le bruit sur les trois axes, et d'augmenter en retour le rapport signal sur bruit.

Avec une géométrie oblique, n'importe quelle secousse ou vibration fait réagir les trois axes, avec des intensités variables. Prenons le cas d'une secousse purement verticale, qui s'exerce sur un sismomètre trois axes dont les capteurs sont orientés exactement selon les trois directions de l'espace : un pendule vertical, et deux pendules horizontaux. On voit que dans ce cas, seul le capteur vertical est sollicité : la secousse, n'ayant qu'une composante verticale, passe effectivement inaperçue aux yeux des pendules horizontaux.

Modèle 3-D d'un pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Au contraire, si on incline légèrement la grappe des trois capteurs, une secousse purement verticale va induire un signal dans chacun d'entre eux. Le signal le plus fort sera enregistré par le capteur qui sera le plus proche de la verticale, mais les deux autres vont également voir quelque chose. D'une certaine manière, on peut dire que dans le cas d'une configuration oblique, le niveau de bruit est réparti, et donc divisé, sur l'ensemble de trois capteurs, plutôt que d'être concentré sur un seul. Même si cette configuration oblique impose le fonctionnement des 3 capteurs pour une restitution des mouvements verticaux, elle a été retenue pour InSight tout simplement parce qu'elle permettait de réaliser un instrument 3 axes avec le même type de capteurs.

Un instrument martien

Si les pendules du sismomètre SEIS s'articulent autour de dispositifs qui se retrouvent dans la totalité des sismomètres terrestres (pivot, ressort, capteurs de déplacement, contre-réaction), d'autres ont été conçus spécifiquement pour les besoins de la mission, et rendent SEIS absolument unique, y compris au regard des meilleurs sismomètres terrestres.

Un mécanisme sophistiqué d'équilibrage permet ainsi d'adapter le pendule aux conditions martiennes, comme la gravité réduite, ou une inclinaison due à la surface sur laquelle le sismomètre sera posé, si celle-ci n'est pas corrigée par le système de nivellement. Un autre mécanisme de compensation thermique va donner la capacité aux pendules de s'accorder aux variations de température journalières et saisonnières.

Toute l'électronique de l'instrument est aussi conçue pour pouvoir résister aux rayonnements de particules durant le trajet entre la Terre et Mars (la phase de croisière), ainsi qu'aux températures de fonctionnement sur Mars, bien plus basses que celles des observatoires géophysiques terrestres, mis à part ceux déployés en Antarctique.

Détail d'un pendule (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN).

A cause des contrastes énormes de température propres à la météo martienne, les ingénieurs ont dû isoler au maximum les pendules de l'environnement extérieur, par le biais d'un nombre impressionnant de couches isolantes. On peut notamment citer la sphère sous vide, au sein de laquelle sont installés les pendules, le couvercle isolant RWEB, et le bouclier thermique et éolien WTS.

Cependant, malgré ces précautions, la température à l'intérieur de la sphère variera lentement mais inéluctablement au fil des heures et des jours, d'une vingtaine de degrés en été et d'une dizaine de degrés en hiver. Grâce au mécanisme de compensation thermique, la sensibilité thermique des pendules sera finement réglée, de façon à compenser les sautes de température et améliorer le mieux possible les performances des capteurs sismiques.

Dernière mise à jour : 19 janvier 2018

Etudier Mars sans la polluer

Dès le début de l'exploration spatiale, les scientifiques se sont interrogés sur les risques posés par l'envoi d'engins non stérilisés vers les autres planètes. Signé en 1967 par de nombreux acteurs de la conquête spatiale, le traité sur l'espace des Nations Unies stipulait que des précautions devaient être prises pour éviter la contamination des astres du système solaire par des germes terrestres. Ces derniers, en se développant dans un milieu favorable, pouvaient effectivement potentiellement éliminer d'éventuels micro-organismes extraterrestres, ou faire disparaître des indices chimiques d'une valeur scientifique inestimable pour la compréhension des origines du vivant.

Écouvillonnage de la sphère de vol (© Hervé Piraud/IPGP/SODERN/CNES)

Les agences spatiales doivent donc se conformer à un ensemble de règles et recommandations, dites de protection planétaire, et qui sont édictées par le Comité pour la Recherche Spatiale, le COSPAR, sous l'égide des Nations Unies.

Les précautions qui doivent être prises dépendent à la fois de l'astre visé, et du type de mission. Dans le cas d'un simple survol de la Lune, les  contraintes de protection planétaires sont très légères : le risque de crash à la surface est limité d'une part par le type de la mission (survol), et la surface sélène est aussi jugée très hostile à toutes formes de vie. Au contraire, le risque de contamination est majeur dans le cas de la planète Mars, surtout quand il s'agit de se poser à sa surface.

Une mission de catégorie IVA

Selon les règles de protection planétaire du COSPAR, la mission InSight appartient à la catégorie IVa. Cette catégorie est réservée pour les missions qui n'ont pas pour objectif de détecter des formes de vie, mais qui sont destinées à atterrir sur des surfaces planétaires présentant un potentiel significatif pour la recherche de traces de vie et l'étude des origines de la vie. Les contraintes en vue d'empêcher à tout prix une contamination sont drastiques, et ont un poids non négligeable dans le budget de la mission.

Décontamination du sismomètre

Ensachage de la sphère de vol avant la réalisation d'un test de fuite (© Thierry Cantalupo/IPGP)

Le sismomètre SEIS devant rentrer en contact avec le sol martien, l'instrument doit être le plus propre possible.

Durant leur fabrication, les différents composants de l'instrument ont donc été désinfectés régulièrement, par exemple par nettoyage des surfaces avec des produits antiseptiques, comme de l'alcool isopropylique.

L'activité autour de l'instrument a lieu impérativement en salles blanches, celles-ci devant respecter au minimum la norme ISO 7.

Dans ces environnements de travail ultra-propre, le nombre de particules par mètre cube d'air doit être inférieur à 10 000. Les salles sont en surpression, pour empêcher l'apport de polluants depuis l'extérieur, et les techniciens doivent porter des combinaisons intégrales antistatiques avec masque intégré. Tous les outils amenés de l'extérieur sont de plus obligatoirement désinfectés.

Une fois assemblé, le sismomètre doit encore être stérilisé, soit par un étuvage à sec (110°C pendant 50 heures), ou une exposition à un plasma gazeux d'eau oxygénée. De plus, tout au long du processus de fabrication, des prélèvements ont lieu périodiquement sur différents composants pour vérifier le degré de contamination des surfaces.

En tout et pour tout, le sismomètre SEIS ne doit pas servir de support à plus de 20 000 germes microbiens. Pour éviter toute recontamination après nettoyage ou stérilisation, par exemple durant le transport ou les manipulations, les ingénieurs utilisent des sacs spéciaux (Tyvek ®) permettant le passage de connecteurs.

Manoeuvre d'évitement du lanceur

Le sismomètre SEIS n'est pas le seul système à devoir se plier aux règles de protection planétaire. Ces dernières s'appliquent effectivement à l'ensemble de la mission, sonde et lanceur y compris.

Effectivement, la sonde InSight n'est pas la seule à voyager vers Mars. L'étage supérieur Centaur de la fusée Atlas-V, qui fournit la poussée nécessaire pour arracher la sonde à l'emprise de l'attraction terrestre, part également vers Mars. Etant donné qu'il n'est pas envisageable de stériliser un engin aussi volumineux qu'un étage de lanceur, il faut trouver un moyen pour s'assurer que la trajectoire suivie par l'étage Centaur ne croise pas celle de Mars.

Les règles de protection planétaire stipulent que la probabilité de crash du Centaur sur Mars doit être inférieure à 10^-4 sur une durée de 50 ans. Ainsi, lors de son lancement, et contrairement à ce que l'on pourrait croire, InSight et son lanceur ne sont pas pointés directement vers la planète rouge. Tout est fait au contraire pour que la fusée rate sa cible ! Ce n'est que par l'intermédiaire de manoeuvres de correction de trajectoire au cours de la phase de croisière que la sonde est remise progressivement sur le droit chemin.

De plus, à titre de précaution supplémentaire, juste après la séparation de la sonde InSight dans le voisinage de la Terre, l'étage Centaur effectue une manoeuvre d'évitement de collision et de contamination (CCAM), pour diminuer encore le risque de contamination de la planète rouge.

Enfin, même le risque d'écrasement de la sonde InSight sur Mars, suite à une anomalie critique survenue durant le trajet Terre - Mars, est pris en compte. Les navigateurs interstellaires doivent prouver que la probabilité d'une collision avec la planète est minime, et de très nombreuses simulations sont effectuées pour pouvoir convaincre les officiers chargés de faire respecter les règles de protection planétaire.

On le voit, les principes de Protection Planétaire ont des conséquences non négligeables sur le déroulement d'une mission spatiale.

Décontamination et stérilisation de la sonde

Zones de prélèvement autorisées sur la sphère de vol SEIS (© droits réservés)

Comme le sismomètre, la sonde InSight a été assemblée et testée en salle blanche. Les composants ont été régulièrement nettoyés et/ou stérilisés, et de nombreuses précautions ont été prises pour éviter la recontamination.

Des prélèvements effectués à intervalles réguliers ont permis de quantifier le niveau de contamination. Sur la totalité de la sonde (étage de croisière compris), le nombre de spores (c'est ainsi que sont comptabilisés les germes) doit être inférieur à 500 000. Pour l'atterrisseur, destiné à rejoindre le sol de Mars, la valeur acceptée est plus basse : seulement 300 000 spores au maximum sont autorisées. En moyenne, sur les surfaces du vaisseau, le nombre de spores doit être inférieur à 300 par m². A l'intérieur, la quantité de spores acceptée est un peu plus grande, sachant que pour que ces dernières soient libérées au niveau de l'environnement martien (surface, sub-surface et atmosphère), la sonde doit en effet s'écraser.

Tous les matériaux organiques employés pour la réalisation d'InSight sont de plus passés en revue. Selon le poids qui est envoyé vers Mars, chaque matériau est soit simplement documenté, soit inventorié (avec prélèvement d'un échantillon qui est ensuite conservé).

Même si InSight ne conduit aucune expérience de détection de vie, les scientifiques surveillent attentivement l'envoi de molécules contenant des atomes de carbone sur Mars. Le risque que ces dernières viennent un jour perturber des analyses chimiques effectuées dans le futur par d'autres missions n'est effectivement pas nul, d'où l'importance de tenir à jour un registre de ce que l'on dépose sur Mars.

Mentionnons pour terminer que le site d'atterrissage ou la sonde InSight va se poser n'est pas une région spéciale, c'est à dire un secteur de la planète Mars ou des formes de vie terrestres auraient de fortes chances de pouvoir se propager, suite à la présence de glace ou de film d'eau liquide à proximité de la surface.

Située à l'équateur, le sol de la plaine d'Elysium est desséché, et c'est pourquoi le pénétrateur de l'instrument HP³, qui doit forer jusqu'à une profondeur de 5 mètres, a reçu l'aval de la part des officiers de protection planétaire. Si des lentilles de glace avaient affleuré en surface, et à cause de la chaleur dégagée par l'enfoncement de la taupe, la situation aurait été radicalement différente.

Dernière mise à jour : 26 octobre 2016

La sismologie, parent pauvre de l'exploration martienne

Mars est sans nul doute la planète la plus étudié de tout le système solaire. Depuis le début de la conquête spatiale, pas loin de 50 sondes ont été lancées depuis la Terre en direction de notre voisine cosmique. La plupart d'entre elles ne sont pas parvenues à destination, ou n'ont pas fonctionné comme prévu, mais au fil des décennies, l'Homme est malgré tout parvenu à lever le voile sur bien des aspects de ce globe rouillé et désertique.

Les premiers survols par les sondes américaines Mariner, dans les années 1960, permirent d'obtenir les premières vues rapprochées de la surface martienne, ainsi que des données essentielles sur la pression et la composition de l'atmosphère, très ténue et irrespirable. En 1971, la sonde Mariner 9 parvient à s'insérer en orbite, une position privilégiée qui autorisa une étude globale de l'astre. La mise en évidence de volcans géants, de canyons gigantesques et d'anciens lits de rivière était la promesse de découvertes plus extraordinaires encore, et la mission Viking fut alors mise sur pied. Son objectif avoué : la recherche de traces de vie.

Les sondes Viking, deux orbiteurs et deux atterrisseurs, atteignirent Mars en 1976. A ce jour, la mission Viking demeure l'un des efforts d'exploration les plus ambitieux jamais entrepris par l'homme. Cette mission révolutionna notre connaissance de Mars, mais paradoxalement, mis aussi un terme à la fièvre martienne, du moins provisoirement : les expériences biologiques embarquées sur les atterrisseurs ne retournèrent effectivement aucun résultat concluant.

Caractéristique unique dans l'histoire de l'exploration martienne, les deux atterrisseurs Viking comportaient chacun un sismomètre. Celui de la sonde Viking 1 ne put être déverrouillé et demeurera donc inutilisable, mais celui de Viking 2 fut capable d'enregistrer des données. Hélas, les vents perturbaient tellement l'instrument que les géophysiciens restèrent sur leur faim. Malgré des mois d'observation, aucun signal sismique véritable ne ressortait avec certitude des données collectées.

L'exploration martienne redémarra vraiment en 1996, vingt ans après l'exploit des Viking. Ce fut une année particulièrement faste pour l'agence spatiale américaine. La NASA lança deux missions qui connurent un succès éclatant : la sonde Mars Global Surveyor, qui se plaça en orbite, et la sonde Mars Pathfinder, qui embarquait pour la première fois un rover miniature.

Largage de capsules dans le cadre d'une mission de réseau (© droits réservés)La mission Pathfinder fut en particulier marquée par un engouement médiatique sans précédent, qui prit même de court l'agence spatiale américaine. Grâce au réseau Internet, le monde entier put suivre les premiers tours de roue de la star de la mission, le rover Sojourner. Peu de personnes savent cependant que la mission Pathfinder n'était que la pointe d'un iceberg beaucoup plus ambitieux, MESUR. Ce projet pharaonique aurait du permettre de larguer sur Mars pas moins de 16 stations géophysiques, équipées notamment de capteurs sismiques. Pathfinder avait été à la base conçue comme un démonstrateur technologique pour le projet MESUR, et sa première raison d'être était de déposer non pas un microrover, mais un ... sismomètre.

A cette époque, le sismomètre Optimism, développé à l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), avait d'ailleurs été recommandé par un groupe de revue de sismologues américains. Cette recommandation resta cependant sans suite, en raison de difficultés techniques d'intégration.

Les russes, qui étaient également sur les rangs en 1996, eurent beaucoup moins de chance. L'ambitieuse mission Mars 96, qui comportait un orbiteur, deux stations au sol et deux pénétrateurs, et qui impliquait de nombreux laboratoires européens, retomba dans l'océan  pacifique peu après son lancement.

Ce fut un nouveau revers très sérieux pour la sismologie martienne, car les petites stations autonomes embarquaient notamment le sismomètre large bande Optimism développé à l'IPGP, sur lequel les géophysiciens comptaient beaucoup pour percer les secrets de la structure interne de Mars.

Au fil des ans, plusieurs projets furent mis sur pied pour tenter d'envoyer sur Mars des sismomètres. Le projet franco-américain NetLander, qui consistait à déposer quatre stations d'observation, fut annulé dans les années 2000 alors que les réflexions étaient déjà bien avancées et le projet en fin de phase B.

L'agence spatiale européenne envisagea de placer sur Mars un sismomètre dans le cadre du programme ExoMARS. Remanié à plusieurs reprises pour des raisons techniques et budgétaires, ses objectifs furent revus à la baisse, et les planétologues durent, là encore, se faire une raison avec l'annulation du package géophysique Humboldt.

Pourtant, tout le travail effectué au cours des différents projets, annulés en cours de route, ou des missions ayant échouées, comme Mars 96, ne fut pas perdu pour autant. Le sismomètre SEIS, embarqué sur la sonde InSight et dont le lancement est prévu pour 2018, n'est rien d'autre que le fruit d'un très long héritage, qui remonte des dizaines d'années en arrière.

Quarante années après la première tentative des atterrisseurs Viking, vingt années après l'échec au lancement de la sonde Mars 96, InSight va reprendre le flambeau, et permettre peut être enfin aux géophysiciens de se lancer à la quête des mystères qui gisent depuis des milliards d'années dans les profondeurs impénétrables de la planète rouge. Si l'on regarde en arrière, on s'aperçoit que dans le domaine de la sismologie martienne, nous avons une chance tous les 20 ans environ. C'est beaucoup, et à la fois très peu. Il s'agit de ne pas la rater.

Dernière mise à jour : 26 octobre 2016

Un ambitieux projet de réseau géophysique martien

Largage de capsules dans le cadre d'une mission planétaire de réseau (© droits réservés)

Dans les années 1990, l'agence spatiale américaine, la NASA, étudia un concept de mission appelé MESUR, pour Mars Environmental Survey.

Ce projet, initialement proposé par le centre Ames de la NASA était ambitieux, avec un coût situé entre 750 millions et 1 milliard de dollars, et des objectifs scientifiques variés : études de l'atmosphère, investigations géologiques et recherches de traces de vie. Il fut donc très bien accueilli par la communauté scientifique, qui voyait là une opportunité unique de pouvoir continuer à étudier la planète Mars après les sondes Viking de 1976.

MESUR consistait à déployer de multiples stations au sol (16 étaient prévues) à de nombreux endroits de la planète rouge, pôles y compris. Ces dernières auraient formées un réseau d'observation enserrant la planète rouge. Des disciplines nécessitant l'acquisition de données depuis des endroits multiples, comme la météorologie ou la sismologie, auraient donc pu être entreprises dans des conditions idéales. De part sa nature, un réseau est tolérant en cas de la perte d'un élément. Un avantage de taille, dans un domaine aussi risqué que celui de l'exploration spatiale.

Les stations du projet MESUR

Les sondes du projet MESUR avaient globalement la forme d'un disque. D'un poids d'environ 160 kilogrammes, elles étaient équipées d'airbags pour amortir le contact avec la surface martienne, durant la phase finale de l'atterrissage. Bardées d'instruments, elles étaient toutes construites sur le même modèle,  et embarquaient des capteurs pour étudier la structure de l'atmosphère au cours de la plongée vers le sol, une station météo, une caméra de descente et/ou de surface, un spectromètre pour analyser la composition élémentaire des roches et du sol, un sismomètre trois axes et des analyseurs de substances volatiles. Elles auraient tirées leur puissance de la décomposition d'éléments radioactifs.

Sismomètre

Parmi les instruments clés des stations MESUR se trouvait un sismomètre, qui devait impérativement être déployé au sol, de façon à être isolé des vibrations inévitables de l'atterrisseur (cette exigence n'avait pas été respectée lors de la mission Viking, avec les conséquences malheureuses que l'on sait : trop souvent perturbé par les vents frappant la plateforme de l'atterrisseur, le sismomètre de Viking 2 ne renverra pas de données utilisables).

Les ingénieurs se mirent alors à étudier des mécanismes de déploiement pour le sismomètre : éjection par un ressort, dépose grâce à un bras ou un mât flexible. Aucune des solutions envisagées n'emporta cependant l'adhésion des concepteurs, principalement à cause de leur brutalité, peu compatible avec la sensibilité de l'instrument à mettre en place. L'agilité toute relative du bras des atterrisseurs Viking, solution retenue dans le cadre de la mission InSight, joua également contre ce dispositif à l'époque. Les regards se tournèrent alors vers une alternative séduisante : un microrover.

A cette époque, un autre centre de la NASA, le Jet Propulsion Laboratory, s'intéressait beaucoup au potentiel des robots mobiles (rovers) pour l'exploration de la planète Mars. Or la nature immobile des stations scientifiques MESUR semblait antagoniste avec les caractéristiques de tels engins. Au vu des dimensions réduites des stations envisagées, si des robots mobiles devaient être embarqués, ils auraient forcément été de petite taille, alors que les machines envisagées étaient lourdes et volumineuses. Certains ingénieurs du JPL commencèrent néanmoins à réfléchir en aparté à la possibilité de développer un microrover.

Une mission aussi ambitieuse que complexe

Schéma des stations d'observation géophysiques du projet MESUR (© NASA)

Pour atteindre sa taille définitive, le réseau MESUR devait s'appuyer sur plusieurs lancements, espacés chacun de deux années, mécanique céleste oblige. Cet étalement dans le temps permettait aussi de réduire les coûts.

Les premières stations devaient donc posséder une longévité importante, pour pouvoir être encore actives lors de l'entrée en action des dernières. Leur durée de vie devait être d'au moins 8 ans : six années d'attente et deux années supplémentaires pour l'acquisition de données avec un réseau fonctionnant à plein régime.

Il fallu ensuite déterminer les sites d'atterrissage. Les stations focalisées sur la météorologie auraient été disséminées partout autour de Mars, de l'équateur aux pôles en passant par les latitudes moyennes, tandis que les stations sismiques auraient été placées en triangle.

Malgré cela, le choix des sites ne permettait pas de contenter tous les scientifiques, les exigences des géologues étant différentes de celles des météorologues, des géophysiciens ou des exobiologistes.

Enfin, à cette époque, aucune sonde capable de relayer les données vers la Terre n'était présente autour de Mars, et le rapatriement des mesures scientifiques posait donc un problème de taille aux concepteurs du projet. Pour faire face à l'absence d'infrastructures de communication en orbite martienne, un orbiteur télécom fut alors ajouté à la mission, ce qui augmenta en retour son coût de manière significative.

La naissance de Pathfinder et la fin de MESUR

La complexité galopante du projet et des restrictions budgétaires aboutirent à une révision drastique des ambitions initiales du projet MESUR. Contrairement au planning initial, la fenêtre de lancement de 1996 fut attribuée à un démonstrateur technologique appelé SLIM (Surface Lander Investigation of Mars). Cette station unique était sensée prouvée les mérites technologiques de MESUR, et convaincre les instances politiques du bien fondé de ce projet.

Les scientifiques, qui comptaient sur un réseau permettant d'étudier de manière globale la planète Mars, ne cachèrent pas leur déception à la vue de cette station solitaire qui ne laissait presque aucune place aux appareils de mesure. Pour sauver le projet, le JPL, partisan de la mobilité pour l'exploration de mars, promut l'idée d'utiliser un microrover pour de déployer des instruments, comme un sismomètre ou un spectromètre à rayons X permettant de recueillir des informations chimiques sur les roches martiennes. L'objectif était aussi de revaloriser la mission auprès du public, toujours friand de nouveautés technologiques.

Le projet MESUR, initialement géré par le centre Ames de la NASA, passa alors sous la responsabilité du JPL. A ce stade, il consistait toujours à déployer autour de Mars un réseau de 16 stations grâce aux fenêtres de tir de 1998/1999 (4 stations), 2001 (4 stations et un orbiteur télécom) et 2003 (les 8 dernières stations grâce à deux lanceurs).

Vue d'artiste de la sonde Pathfinder et de son petit robot Sojourner (© Manchu/Ciel & Espace).

Pour le JPL, le démonstrateur SLIM constituait aussi une bonne occasion de tester un nouveau concept de missions alors à l'étude et baptisé Discovery.

Peu coûteux, réalisés avec un planning serré et orientés vers une thématique précise, ces projets se posaient en alternative aux missions extrêmement lourdes et coûteuses d'exploration du système solaire qui faisaient le quotidien de la NASA.

Le démonstrateur SLIM, dont le décollage était toujours prévu pour 1996, fut alors renommé MESUR Pathfinder. Le sismomètre fut débarqué de la mission pour des raisons de coût. Et même s'il avait été gracieusement offert par un autre pays, son intégration au sein de l'atterrisseur aurait néanmoins augmenté les coûts. Son degré de priorité ayant été jugé inférieur au micro-rover, ainsi qu'à la caméra, il fut donc annulé.

A ce stade, Pathfinder s'éloignait de plus en plus de MESUR. Comparée aux stations initiales, sa durée de vie n'était plus que de 30 jours (contre plusieurs années martiennes de fonctionnement), des panneaux solaires avaient remplacé le générateur de courant utilisant l'énergie radioactive, le nombre d'instruments scientifique ne cessait de se réduire, et la sonde ne ressemblait plus à une soucoupe creuse, mais à un tétraèdre. Seule la philosophie d'un atterrissage à l'aide d'airbags avait été conservée. Comparée à l'ambitieuse mission Viking des années 1970, l'ensemble faisait piètre figure, le seul intérêt semblant être le microrover, Sojourner.

Pour des raisons budgétaires, MESUR finit par être abandonné. Après la perte dramatique de la sonde Mars Observer en 1993, la NASA ne souhaitait plus en effet d'investir dans des missions dépassant le milliard de dollars. La mission proposée par le JPL n'était donc plus un démonstrateur technologique pour le projet MESUR, et fut transformée en une mission qui inaugura l'ère du faster, better, cheaper, et qui initia le programme Discovery, auquel appartient InSight.

Le 4 juillet 1997, la sonde Pathfinder foule, vingt années après Viking, la surface rouillée de Mars. Pour la NASA, c'est un retour triomphal sur la planète rouge. La mission est non seulement un succès technique, en permettant de valider le système d'airbag, mais également un succès médiatique. Les déambulations du rover Sojourner sont suivies quotidiennement par des millions d'internautes, subjugués par l'aventure du petit explorateur, ainsi que par les magnifiques images en couleur des paysages martiens d'Ares Vallis.

Un bilan qui ne doit pas faire oublier que l'objectif initial de la petite station était de déposer un sismomètre sur Mars. Pour les géophysiciens, la façon dont le projet MESUR se terminait était décevante. Ces derniers ignoraient cependant encore que la route vers Mars allait être beaucoup plus longue que prévue ...

Dernière mise à jour : 08 février 2017

L'expérience Optimism de Mars 96 : un sismomètre sur Mars 20 ans après Viking

Le 16 novembre 1996, la Russie renoue avec l'une de ses anciennes obsessions, l'exploration martienne, en lançant une sonde particulièrement ambitieuse, Mars 96. Composé d'un orbiteur embarquant une liste impressionnante d'instruments scientifiques, la mission comportait aussi deux petites stations autonomes, capables de se poser en douceur sur le sol de Mars, ainsi que deux pénétrateurs, qui, lancés comme des fléchettes depuis l'orbite, devaient s'enficher dans la surface rocheuse pour étudier le sous-sol.

La séquence d'atterrissage des capsules de Mars 96 (© David Ducros).

Les enjeux de Mars 96 étaient multiples, à l'image de la taille du vaisseau, et du fait que la mission s'appuyait sur une importante collaboration internationale.

Des scientifiques de nombreux pays s'étaient impliqués dans ce grand projet, dont la France. Parmi les instruments proposés par les laboratoires français se trouvait un sismomètre, monté sur les petites stations de surface, et baptisé Optimism.

Le sismomètre large bande de Mars 96

L'acronyme, qui signifie Observatoire PlanéTologIque : MagnétIsme et Sismologie sur Mars, portait également une touche d'humour. Il rappelait la nécessite d'être optimiste, quand il s'agit de chercher à écouter des secousses sismiques sur une planète aussi calme que Mars.

Avant Mars 96, l'unique sismomètre ayant jamais pu fonctionner sur Mars, celui de l'atterrisseur Viking 2, laissait effectivement penser que les séismes étaient des événements rares sur la planète rouge. Sur 19 mois d'écoute, réalisée certes dans des conditions difficiles, un seul séisme fut peut-être détecté. Une certaine dose d'optimisme semblait donc être nécessaire à ceux décidés à chercher des tremblements martiens, d'autant que les petites stations de Mars 96 devaient fonctionner entièrement de façon automatique, car elles étaient incapables de recevoir des télécommandes de la Terre. Ce challenge, qui est toujours aujourd'hui d'actualité comme le montre la mission InSight, n'empêcha pas une équipe française de s'atteler à la tâche, et de développer un instrument bien plus sensible que celui lancé en 1975 avec la mission américaine Viking.

Conçu par l'Institut du Globe de Physique de Paris (IPGP/CNRS) en collaboration avec l'Institut National des Sciences de l'Univers (INSU/CNRS) et la société SODERN (EADS), Optimism était un sismomètre dont le développement a posé de nombreux défis. Comme pour tous les sismomètres spatiaux, l'appareil devait être de petite taille, léger (le poids étant une source de coût majeur pour les activités spatiales), peu gourmand en énergie, et très sensible tout en étant capable de résister aux chocs immenses du lancement et de l'atterrissage.

Le sismomètre Optimism de la mission Mars 96 (© Hervé Piraud/IPGP).

Le pari fut relevé par les équipes techniques. Pesant seulement 405 grammes, l'instrument tenait dans un cube de 9 cm environ de côté, et possédait une consommation électrique très basse : seulement 67,5 mW.

Optimism était un sismomètre sensible aux ondes sismiques de longue période (de 0,5 seconde à 10 secondes), sur l'axe vertical uniquement.

Les déplacements de la masse mobile, fixée sur un ressort, étaient enregistrés par deux capteurs, l'un permettant de mesurer la position du pendule, l'autre sa vitesse. La sensibilité était déjà très bonne, puisque Optimism pouvait réagir à des mouvements du sol de l'ordre du nanomètre à 2 secondes de période. Le sismomètre était alimenté par une pile d'une autonomie de un mois, tout en étant également branché sur l'alimentation de sa station porteuse.

Le pendule était enfermé à l'intérieur d'une demi-sphère en titane d'un volume de 1 litre environ, au sein de laquelle régnait un vide relativement poussé. Celui-ci était particulièrement important, car il permettait d'atténuer de façon efficace les variations de température présentes à l'intérieur de la sonde.

Optimism n'était pas en effet déployé sur le sol de Mars comme SEIS, mais conçu pour fonctionner à l'intérieur des stations, posées sur le sol après le largage des airbags. Une installation certes pas aussi performante que celle d'InSight, mais qui constituait néanmoins une forte amélioration par rapport aux atterrisseurs Viking. Ce progrès était rendu en grande partie possible par l'utilisation d'une structure rigide en fibre de carbone, intégrée à la petite station et fournie par la DT-INSU et l'IPGP au centre spatial de Babakine. Cette structure améliorait le couplage sismique de l'expérience Optimism.

La masse mobile pouvait être recentrée par un petit moteur, qui permettait aussi d'ajuster la position d'équilibre du pendule en fonction des incertitudes liées à la valeur de la gravité sur le site d'atterrissage. Une fois l'atterrissage des stations au sol effectué, le sismomètre était mis à niveau automatiquement par gravité, avec une précision de 1°. Pour obtenir des mesures les plus fiables possibles, Optimism était de plus épaulé par des capteurs de température et des inclinomètres.

Outre la sismologie, d'autres expérimentations de géophysique avaient été mise au programme de la mission Mars 96. C'est ainsi que les stations au sol embarquaient une station météorologique ainsi qu'un magnétomètre. Les pénétrateurs étaient également équipés d'un sismomètre à courte période, mais aussi d'un accéléromètre, d'un capteur de température et d'un magnétomètre, réalisé par l'Université de Brunswick en Allemagne, et dont les données étaient acquises par l'électronique d'Optimism.

Vue rotative du sismomètre Optimism de la mission Mars 96 (© IPGP).

L'orbiteur de Mars 96 largue les deux capsules contenant les petites stations autonomes de surface (© Manchu/Ciel & Espace).

La perte de Mars 96

L'exploration martienne est une entreprise très risquée, et le destin du sismomètre Optimism est là pour le rappeler. Malgré le soin, les efforts et les ressources allouées à son développement, les débris de l'instrument reposent aujourd'hui au fond du Pacifique.

Le 16 novembre 1996, environ une heure après son décollage, le quatrième étage du lanceur Proton subit un dysfonctionnement majeur, clouant définitivement la sonde Mars 96 sur une orbite terrestre basse. Sous l'effet des forces de friction de l'atmosphère, l'orbiteur martien voit sa trajectoire décliner rapidement, et disparaît sous les eaux de l'océan Pacifique le lendemain, engloutissant les rêves et les espoirs d'une armée entière de scientifiques et d'ingénieurs. Quant à la planète rouge, elle allait pouvoir continuer à garder pour elle les secrets de sa structure interne.

C'est à la sonde InSight qu'échoit désormais la tâche de marcher sur les traces des sondes Viking, 40 ans après leur atterrissage sur le sol de la planète rouge, et de succéder à Mars 96, 20 années après son dramatique lancement. Mars va-t-elle cette fois ci accepter de nous dévoiler ses secrets les plus intimes ? Hier comme aujourd'hui, l'optimisme est toujours de vigueur chez les sismologues planétaires.

Caractéristiques du sismomètre Optimism

• Sismomètre sur l'axe vertical seulement (BRBZ, Broad Band axe Z).

• Mesure du déplacement de la masse d'épreuve : capteur capacitif (position) et capteur inductif (vitesse).

• Bande passante : 0,02 à 2 Hz.

• Sensibilité : de l'ordre de à 10^-9 g entre 0,1 Hz et 1 Hz, soit un gain de 100 par rapport à celui des atterrisseurs Viking.

• Résistance au choc : 200 g pendant 10 millisecondes (à comparer à la sensibilité : 10^-9 g).

• Taux d'échantillonnage : entre 1 coup toutes les 4 secondes et 4 coups par seconde.

• Débit de données : 1 Mbits par jour (0,5 Mbits par vacation de télémesure).

• Dilatation thermique : déplacement de la masse mobile de 300 nm pour chaque °C.

L'équipe Optimism

Le logo du sismomètre Optimism (© IPGP).L'instrument Optimism fut financé par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES). L'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) avait la responsabilité scientifique de l'instrument, tandis que la responsabilité technique fut assurée par la direction technique de l'Institut National des Sciences de l'Univers (DT/INSU). La société SODERN (EADS) participa à la conception d'Optimism, et fut sélectionné pour sa réalisation. La société SOREP fut retenue quant à elle pour la partie électronique. Enfin, de nombreux autres partenaires collaborèrent au projet : AETA, Martin-Pfeil, VERELEC, l'Observatoire de Paris, Le Laboratoire de Physique du Solide de Meudon, TU-Braunschweig-IGM.

Dernière mise à jour : 18 septembre 2017

NetLander, première tentative réelle de déployer sur Mars un réseau de sismomètres

Historique

Vue d'artiste de l'orbiteur du programme franco-américain PREMIER de retour d'échantillons martiens sur Terre, avec les capsules NetLander (© CNES/David Ducros). Le projet international NetLander consistait à déployer sur Mars un réseau de quatre petites stations identiques, équipées chacun d'un ensemble d'instruments de mesure, dont deux sismomètres.

Développé à la fin des années 1990, NetLander se caractérisait par une forte contribution internationale, puisqu'il fédérait à la fois la France, mais également les Etats-Unis, la Finlande, l'Allemagne, la Belgique, l'Italie, le Royaume Unis et la Suisse. Les modules NetLander devaient partir vers Mars sous la coiffe d'une fusée Ariane 5, dans le cadre d'un vaste programme franco-américain de retour d'échantillons martiens, initié peu après l'annonce de la découverte potentielle de micro-organismes fossiles dans la météorite martienne ALH84001.

La mission de retour d'échantillons prévoyait l'envoi de deux atterrisseurs vers Mars, en 2003 et 2005, chacun étant équipé d'un rover et d'un véhicule de remontée (MAV), c'est à dire une fusée miniature. Après avoir effectué de nombreux prélèvements de sols, de roches et d'atmosphère, les rovers devaient placer leur précieuse récolte à bord du MAV, qui se chargeait de monter en orbite martienne les containers d'échantillons.

En 2005, un orbiteur devait être lancé en même temps que l'atterrisseur par une fusée Ariane 5. Après s'être mis en orbite autour de la planète rouge grâce à une technique novatrice et risquée d'aérocapture, l'orbiteur avait pour objectif principal de récupérer les containers d'échantillons, puis de les ramener sur Terre dans une capsule de retour. Sa seconde mission était de déployer les modules NetLander, qui ne disposaient pas de leur propre système d'acheminement vers Mars.

Vue d'artiste du largage des modules NetLander par l'orbiteur PREMIER (© CNES/David Ducros).La mission de retour d'échantillons tel que nous venons brièvement de la décrire était très ambitieuse, et dès le début, les difficultés techniques firent leur apparition et menacèrent le projet. La perte coup sur coup en septembre 1999 par la NASA du satellite Mars Climate Orbiter, puis celle, trois mois plus tard, de l'atterrisseur Mars Polar Lander, qui était un prototype de l'engin prévu dans le cadre du retour d'échantillons, mis fin au projet.

Sans le support de la NASA, l'agence spatiale française, le CNES, estima que l'envoi seul de l'orbiteur pour larguer les NetLander et tester la manoeuvre d'aérocapture n'était pas réaliste d'un point de vue budgétaire, d'autant que des tensions politiques étaient entre temps apparues avec les Etats-Unis.

En conséquence, le projet NetLander, qui était rentré en phase B, fut annulé au début des années 2000, et avec lui l'espoir de pouvoir enfin déposer sur Mars des sismomètres.

Les modules NetLander

Transportés vers Mars en tant que passagers à bord de l'orbiteur français de la mission de retour d'échantillon, les modules NetLander partageaient de nombreux traits avec les soucoupes du projet MESUR, ce qui n'est pas étonnant étant donné que les deux missions avaient le même objectif : déposer sur la planète rouge un réseau d'observatoires géophysiques.

Séquence d'atterrissage des modules NetLander (© CNES/David Ducros).

Les NetLander disposaient d'un bouclier thermique, pour survivre à la traversée de l'atmosphère, ainsi que d'un parachute, qui permettait de freiner jusqu'à atteindre une vitesse suffisamment faible pour pouvoir survivre au contact avec la surface martienne. Deux airbags permettaient d'amortir le choc final, et après avoir rebondi un certain nombre de fois, les capsules, d'un diamètre de 47 centimètres, s'immobilisaient définitivement, avant de s'ouvrir comme une fleur. Les stations étaient alimentées en énergie par des panneaux solaires, et disposaient d'antennes de télécommunication.

D'un point de vue instrumental, les modules étaient particulièrement bien équipés : chacun comportait un mât équipé d'une caméra, une centrale météorologique complète, et un package géophysique composé de deux sismomètres, d'un magnétomètre, d'un radar, d'un capteur de champ électrique et de sondes thermiques. Le système de télécommunications était mis en oeuvre pour effectuer des mesures géodésiques, et un microphone, fourni par la Planetary Society dans le cadre d'une initiative pédagogique, était aussi embarqué.

Le sismomètre SEISM

L'un des principaux objectifs de la mission NetLander était de déterminer la structure interne de Mars. Pour cela, les quatre modules étaient dirigés en des points précis de la surface martienne pour constituer un réseau d'écoute permettant de trianguler des séismes. Trois stations étaient déployées à environ 1000 kilomètres l'une de l'autre, dans une configuration en triangle, tandis que la quatrième était envoyée aux antipodes.

La sphère du sismomètre SEISM de la mission NetLander. Cliquez sur l'image pour découvrir l'intérieur (© Hervé Piraud/IPGP).Les modules, identiques, étaient équipés de deux sismomètres, l'un sensible aux signaux sismiques à courte période (100 mHz à 50 Hz), l'autre capable de mesurer des signaux à longue période (10 mHz à 10 Hz), avec une sortie très longue période pour les marées. C'est ce dernier qui nous intéresse plus particulièrement ici, étant donné qu'il s'agissait d'un instrument dont SEIS, le sismomètre de la sonde InSight, a aujourd'hui hérité.

Baptisé SEISM, ce sismomètre comportait seulement deux axes (l'un horizontal, l'autre vertical) très large bande positionnés tête bêche, alors que SEIS en comporte trois. L'axe large bande manquant était remplacé par l'un des axes du sismomètre courte période, ce qui autorisait la localisation des séismes dans les trois dimensions de l'espace.

Les pendules étaient enfermés dans une sphère sous vide de 18 centimètre de diamètre, qui offrait une protection thermique contre les variations de température particulièrement importantes qui ont lieu à la surface de Mars. Des capteurs de température, mais aussi de pression et d'inclinaison accompagnaient l'ensemble.

La sensibilité des pendules de SEISM était déjà élevée et comparable à InSight, mais les conditions d'installation n'auraient pas permis d'atteindre la précision d'InSight. Effectivement, les modules NetLander ne disposaient pas d'un mécanisme de déploiement capable de déposer le sismomètre sur le sol de Mars. Ce dernier était donc déployé sur le sol via trois orifices percés dans le plancher de la sonde, et au travers desquels les pieds devaient descendre. L'instrument était ensuite désolidarisé de la structure de la capsule d'atterrissage. Si ce système sophistiqué connaissait un raté, le sismomètre était alors obligé de fonctionner tel quel, au sein de la capsule d'atterrissage, une situation qui ne favorisait pas un contact efficace avec le sol (le fameux couplage auquel les géophysiciens tiennent tant).

Dans sa mission, SEISM était épaulé par un sismomètre à courte période miniaturisé et doté de trois axes. Usiné dans une galette de silicium, ce dernier était sensible à des mouvements du sol caractérisés par des fréquences assez hautes (0,1 Hz à 100 Hz). Cette bande de fréquence n'est pas la plus intéressante pour les ondes de surface émises par des séismes lointains, mais est par contre optimale pour des séismes régionaux et locaux.

Comme SEISM pour l'instrument SEIS, le sismomètre courte période des NetLander a été un précurseur du sismomètre courte période (SP) qui équipe aujourd'hui la sonde InSight.

Dernière mise à jour : 26 octobre 2016

ExoMARS, l'ambitieux programme de l'Agence Spatiale Européenne

Le 16 octobre 2016, le satellite Trace Gas Orbiter largue vers Mars le module Schiaparelli (© ESA/David Ducros).Au début du 21^eme siècle, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) met sur pied un programme très ambitieux d'exploration du système solaire, conduits d'abord par des sondes automatiques, puis, à plus long terme, par des hommes.

Au sein de ce projet, la planète rouge joue un rôle majeur, et devient la cible de plusieurs missions, rassemblées sous le programme Aurora, qui affiche clairement la couleur. Pour l'ESA, il s'agit d'abord et avant tout de rechercher des traces de vie, fossiles ou actuelles sur Mars, avant de s'engager dans une mission de retour d'échantillons, puis de franchir la dernière étape, consistant à déposer des hommes sur l'astre rouge.

Au fil des ans, l'Agence Spatiale Européenne est progressivement amenée à revoir ses ambitions à la baisse, tandis que le programme Aurora ne cesse de se heurter à des restrictions budgétaires et des obstacles techniques, qui obligent à des remaniements fréquents.

Dans le domaine encore vierge de la sismologie planétaire martienne, l'une des options faisait particulièrement vibrer les géophysiciens. Il s'agissait de déployer sur Mars un réseau de petits modules similaires à la capsule Beagle 2, malheureusement larguée sans succès vers Mars par la première mission martienne de l'ESA en 2003, Mars Express. Chaque module de la mission BeagleNet devait embarquer un sismomètre hérité de celui équipant les stations NetLander.

ExoMARS

Finalement, c'est une autre mission, baptisée ExoMARS, qui va être favorisée. Plus orientée vers les investigations exobiologiques, elle n'ignore toutefois pas les autres disciplines, dont la sismologie.

C'est dans ce contexte que les géophysiciens proposent d'embarquer sur un module d'atterrissage une palette très complète d'instruments géophysiques. Prévue pour fonctionner pendant au moins deux ans, la station au sol devait être larguée depuis l'espace par un satellite, dont l'objectif était de se placer en orbite pour pouvoir étudier en détail l'atmosphère martienne. Le lancement était programmé pour 2013 à bord d'une fusée Ariane 5, et devait donc permettre aux planétologues de réaliser un vieux rêve : déposer un sismomètre sur Mars.

Humboldt, un ensemble de onze instruments

Connu auparavant sous le nom de GEP (Geophysical and Environmental Payload), le package statique Humboldt comportait onze instruments : outre le sismomètre, dont nous reparlerons dans un instant, on trouvait un dispositif permettant de mesurer le flux de chaleur (hérité du pénétrateur de la sonde Beagle 2 et très similaire à l'instrument HP³ d'InSight), un magnétomètre, une station météorologique complète (mesure des températures, de la pression, des vents et de l'humidité) et une expérience de géodésie qui utilisant le système de télécommunication radio.

Cette charge utile, identique à celle de la mission InSight, était en plus accompagnée de capteurs permettant la mesure des radiations et du rayonnement ultraviolet, de détecteurs de poussière, d'un instrument capable de mesurer la charge électrique de l'atmosphère, et enfin d'un radar pénétrant pour l'étude du sous-sol.

La séquence d'atterrissage du module Schiaparelli (© ESA).

Le sismomètre SEIS

Déjà nommé SEIS à l'époque, le sismomètre d'ExoMARS profitait du travail réalisé par les équipes de l'Institut de Physique du Globe de Paris sur la mission NetLander, et encore avant lui sur la mission Mars 96.

Il comportait deux pendules obliques inversés très large bande (VBB), placés dans une sphère sous vide, et similaires à ceux embarqués sur la sonde InSight. Un microsenseur large bande à courte période fait office de troisième axe, pour former un système hybride à trois axes (2 axes VBB et 1 axe SP).

D'un poids de 2,2 kilogrammes, ce sismomètre disposait d'un système de verrouillage, pour résister aux secousses violentes du lancement et de l'atterrissage.

L'annulation d'Humboldt

Le démonstrateur Schiaparelli de la mission ExoMARS 2016 (© ESA).

Pour l'Agence Spatiale Européenne, la feuille de route d'ExoMARS va s'avérer là encore difficile à suivre, et il devint nécessaire de réduire la voilure.  En 2009, avec la Preliminary Design Review (PDR) qui clôt la phase B, la mission ExoMARS est repoussée en 2016, et la charge utile Humboldt est abandonné, pour des questions techniques (en particulier des soucis de masse) et budgétaires.

Du vaste ensemble d'instruments prévu à l'origine, il ne reste plus qu'une petite station météorologique, accompagnée du capteur sensible à l'électrification de l'atmosphère martienne. Ces deux dispositifs ont pris place à bord d'une petite capsule baptisée Schiaparelli, à l'honneur du grand astronome italien Giovanni Schiaparelli, et qui a décollé en même temps que le satellite TGO au mois de mars 2016, à bord d'une fusée Proton. L'engin s'est malheureusement écrasé sur Mars le 19 octobre 2016, à cause d'un dysfonctionnement critique du logiciel de guidage.

Comme dans le cas du projet américain MESUR, qui du réseau de 16 stations bardées d'instruments initialement envisagé, s'est réduit à l'envoi d'un démonstrateur technologique où la science était pratiquement absente faute d'une capacité d'emport suffisante, les ambitions initiales du programme Aurora/ExoMARS ont du être revues de manière significative à la baisse.

Les missions qui ont la chance de partir vers Mars ont derrière elle un très long héritage, tissé de beaucoup d'amertume et d'espoirs déçus. Des objectifs, initialement planifiés pour le court terme, se voient repousser dans le futur à plusieurs décennies, sans que rien ne puisse être fait.

En décollant vers Mars avec à son bord un sismomètre, la sonde InSight va enfin accomplir un rêve prévu de longue date, qui animait déjà les géophysiciens impliqués dans les projets annulés MESUR et Netlander, ainsi que dans les missions Mars 96 (échec au lancement) et ExoMARS (retrait du sismomètre et crash du module à l'atterrissage). On le voit, la route qui conduit vers la planète rouge est tortueuse, accidentée et semée d'embûches. Ce qui rendra d'autant plus précieuses les premières données sismiques que l'on recevra de là-haut.

Dernière mise à jour : 26 octobre 2016