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6 minutes de terreur

Six minutes de terreur cosmique : la périlleuse descente d'InSight vers la surface martienne

Le 26 novembre à 20h47 heure française, la sonde martienne InSight va entamer la phase la plus dangereuse de sa mission : un plongeon vertigineux d'environ 6 minutes qui va la conduire du haut de l'atmosphère martienne, à 125 kilomètres d'altitude, jusqu'à la surface. Pour survivre à cette période très risquée, la sonde va devoir accomplir une chorégraphie technique extrêmement complexe, et ce de façon totalement automatique, sans aucun contrôle depuis la Terre. Baptisée EDL (un acronyme signifiant Entrée, Descente et Atterrissage), la séquence d'atterrissage comporte des dizaines d'étapes critiques, donc chacune peut mettre un terme à la mission.

Vue d'artiste de l'atterrissage d'InSight sur Mars (© IPGP/Manchu/Bureau 21).InSight entre ciel et terre : une vue d'artiste de la phase finale propulsée de l'atterrissage qui aura lieu le 26 novembre 2018 (© IPGP/Manchu/Bureau 21).

Pour l'instant, la NASA est la seule agence spatiale dans le monde capable de réussir un atterrissage sur Mars. Cependant, bien qu'ayant déjà un certain nombre de succès à son actif (Viking en 1976, Pathfinder en 1997, les rovers Spirit et Opportunity en 2004, la sonde Phoenix en 2008 et le rover Curiosity en 2012), il est totalement impossible de qualifier un atterrissage sur la planète rouge de routine.

Chaque tentative est effectivement difficile et délicate, et met les nerfs à vif des équipes impliquées. Pour les membres de la mission, c'est des années de travail, parfois des décennies, qui vont se jouer en quelques minutes. Même le fait que l'atterrisseur Phoenix, pratiquement similaire à celui d'InSight, se soit posé sans encombre le 25 mai 2008 sur la région polaire nord, n'est pas une garantie. Contrairement à Phoenix, InSight pèse effectivement plus lourd, et va atterrir dans une région à l'altitude plus élevée. La colonne d'air disponible pour le freinage sous parachute sera donc moins importante. Enfin, InSight arrive durant une saison propice aux tempêtes de poussière, un phénomène qui peut faire varier énormément les conditions atmosphériques (comme les vents ou la densité de l'air), et donc compliquer les manœuvres.

Séparation de l'étage de croisière

L'atterrissage d'InSight commence avant le contact avec l'atmosphère martienne, avec la séparation entre le module de croisière, qui avait pour mission d'amener la sonde à bon port depuis le lancement le 5 mai 2018, et le véhicule d'entrée, qui doit à présent rejoindre la surface martienne.

Vue d'artiste de la séparation de l'étage de croisière, qui finira sa course en se désintégrant dans l'atmosphère (© NASA/JPL)Vue d'artiste de la séparation de l'étage de croisière, qui finira sa course en se désintégrant dans l'atmosphère martienne. La séparation intervient 7 minutes avant l'entrée atmosphérique (© NASA/JPL). 

Pendant la phase de croisière, qui a duré six mois et demi, l'étage de croisière maintenait ses panneaux solaires pointés vers le soleil, et son antenne radio dirigée vers la Terre. Mais lorsque le contact avec la planète Mars devient imminent, son travail s'achève. Il lui reste une ultime manœuvre à effectuer, 7 minutes avant la phase d'atterrissage proprement dite : la mise à feu de boulons pyrotechniques pour se séparer définitivement d'InSight, qui est alors désormais seule sur sa lancée, et son destin.

Trente secondes après la séparation, InSight bascule lentement sur elle-même pour pointer son bouclier thermique conique vers l'avant. Cette manœuvre d'une durée de 2 minutes permet également à la sonde d'éviter d'éventuels impacts en provenance de l'étage de croisière. Celui-ci va effectivement se désintégrer dans l'atmosphère, juste dans le sillage d'InSight. Les ingénieurs ont fait en sorte que si d'éventuels shrapnels à haute vélocité arrivent droit vers la sonde, ils termineront leur trajectoire mortelle plusieurs centaines de mètres derrière elle.

Entrée

La séquence d'atterrissage EDL débute véritablement avec la phase d'entrée, durant laquelle la sonde va perdre 99 % de sa vitesse grâce à la friction de son bouclier thermique contre la fine couche d'atmosphère qui entoure la planète Mars, et dont l'effet se fait graduellement sentir dès 125 kilomètres d'altitude.

Vue d'artiste de la phase d'entrée. La sonde est protégé de l'échauffement par un large bouclier thermique (© NASA/JPL).Vue d'artiste de la phase d'entrée. La sonde est protégée de l'échauffement par un large bouclier thermique. Les tuiles réfractaires du bouclier, en subissant une ablation, dissipent l'énergie qui sans cela consumerait la sonde (© NASA/JPL).

L'entrée exige des navigateurs interplanétaires qu'ils dirigent InSight vers une cible extrêmement petite, un rectangle de seulement 10 km de large pour 24 kilomètres de longueur, et qui constitue la porte d'un corridor virtuel que la sonde devra ensuite suivre. Cette interface d'entrée n'est pas située à l'aplomb du site d'atterrissage sur Elysium Planitia, mais 700 kilomètres plus à l'ouest. Au vu des distances immenses franchies par InSight depuis son lancement, atteindre une cible aussi petite tient de l'exploit.

En arrivant sur l'interface d'entrée InSight possède une vitesse effrayante : environ 20 000 km/h. Mais contrairement à ce que l'on pourrait penser, pour une entrée atmosphérique, le paramètre vitesse n'est pas véritablement essentiel. C'est plutôt la valeur de l'angle d'attaque, c'est à dire l'angle formé entre le plan horizontal local et la trajectoire de la sonde, dont tout va dépendre. Pour InSight, l'angle d'attaque doit impérativement être de 12,5°. Si sa valeur atteinte est plus importante, la sonde va se désintégrer en une boule de feu. Si l'angle est au contraire inférieur, InSight va rebondir sur l'atmosphère, et se perdre à jamais dans le système solaire.

Tandis que la sonde pénètre dans l'atmosphère martienne et que cette dernière devient de plus en plus épaisse, la chaleur dégagée par le frottement de l'air sur le bouclier thermique va porter la température de ce dernier à plus d'un millier et demi de degrés. Un échauffement infernal, capable de fondre de l'acier. Le bouclier thermique, une coupole de 2,65 mètres de diamètre, est revêtu de tuiles réfractaires, dont le rôle est fondamental. Sous l'effet de la chaleur, les tuiles font subir une ablation, et du même coup dissiper l'immense quantité d'énergie cinétique transportée par la sonde. Dans ces conditions, on comprend que si le bouclier thermique présente le moindre défaut de conception, la mission est perdue. Durant l'entrée, la décélération subie par la sonde est également considérable : environ 7,5 G. Le sismomètre SEIS, par définition ultra-sensible, a été conçu pour y résister. Pour compliquer le tout, l'ionisation des gaz, et la formation d'un plasma autour du vaisseau, vont créer temporairement un blackout au niveau des communications radio.

Contrairement au rover Curiosity, InSight va effectuer une entrée balistique non guidée. Ce terme signifie que la sonde ne va pas tenter de surfer sur l'atmosphère durant le freinage sous bouclier thermique, une technique avancée très complexe qui permet de réduire de façon drastique la taille de la zone elliptique (appelée ellipse d'incertitude), c'est à dire le secteur où la sonde à 99 % de chance de se poser. Si Curiosity devait atterrir dans un secteur très limité en taille à l'intérieur du cratère d'impact Gale, InSight n'a pas cette contrainte. La sonde peut effectivement se poser n'importe où dans une ellipse de 130 kilomètres de longueur pour 27 kilomètres de hauteur qui s'étend sur l'immense plaine d'Elysium, et remplir néanmoins sa mission.

Contrairement à certaines missions précédentes (comme les sondes Viking ou Pathfinder, qui tournaient sur elles-mêmes durant l'entrée pour se stabiliser), Phoenix est suffisamment stable d'un point de vue aérodynamique pour réaliser une entrée de façon totalement passive. Cependant, si cela s'avère nécessaire, la sonde peut allumer ses petits moteurs de contrôle d'attitude pour corriger ou réajuster sa position durant sa traversée de l'atmosphère.

Descente

Vue d'artiste de la descente sous parachute. Le bouclier thermique a été largué, et les trois pieds amortisseurs sont déployés (© NASA/JPL).Vue d'artiste de la descente sous parachute. Le bouclier thermique a été largué, et les trois pieds à absorbeurs de chocs sont déployés. Le radar, dont le champ de vision a été dégagé par l'éjection du bouclier thermique, cherche maintenant à acquérir la surface (© NASA/JPL).La phase d'entrée permet d'ôter la plus grande partie de la vitesse de la sonde, mais ce n'est pas encore suffisant pour un atterrissage en douceur sur le sol de Mars. Lorsque la vitesse arrive à environ 1,5 mach (soit 1,5 fois la vitesse du son), à une altitude d'environ 11 kilomètres, InSight va déployer grâce à un mortier un parachute de 12 mètres de diamètre, qui reprend le design de celui des sondes Viking.

15 secondes après l'ouverture du parachute, grâce à la mise à feu de six boulons pyrotechniques, la sonde va larguer son bouclier thermique, devenu inutile. L'éjection de cette masse imposante dégage le champ de vision des antennes du radar, fixées sous l'atterrisseur. Conçu à partir de celui de l'avion de chasse américain F-16 Fighting Falcon, le radar joue un rôle critique pour la descente vers Mars. C'est grâce à lui que la sonde va pouvoir mesurer en permanence son altitude, mais aussi sa vitesse verticale et horizontale.

Une fois activé (à environ 6 kilomètres de hauteur), le radar va chercher à acquérir la surface martienne. Les ingénieurs doivent ici éviter un scénario catastrophique : celui dans lequel les ondes radars, au lieu de rebondir sur le sol martien plusieurs kilomètres en dessous, viendraient frapper le bouclier thermique qui tombe en chute libre juste sous la sonde. Dans ce cas de figure, InSight croirait que la surface martienne est beaucoup plus proche que prévue, ce qui aurait des conséquences dramatiques sur la suite des opérations. C'est pourquoi le radar n'est mis en marche que 15 secondes après le largage du bouclier thermique, et 5 secondes après le déploiement des trois pieds de la sonde. Les premiers échos de la surface sont détectés à une altitude d'environ 2,4 kilomètres.

L'altitude à laquelle le parachute doit se déployer n'est pas fixée dans le marbre. Dans les jours précédents l'atterrissage, en se basant sur les bulletins météorologiques quotidiens de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, les ingénieurs du JPL pourront effectuer tous les ajustements qu'ils jugeront nécessaires sur la séquence EDL.

Atterrissage

La phase finale de la séquence EDL, l'atterrissage proprement dit, débute avec le largage du parachute, à une altitude de 1,3 km. A ce moment là, la sonde InSight se désengage mécaniquement du bouclier de protection arrière, sur lequel est fixé le parachute, et entame une chute libre vertigineuse vers le sol.

Vue d'artiste de la phase finale propulsée de l'atterrissage (© NASA/JPL).Vue d'artiste de la phase finale propulsée de l'atterrissage. La surface martienne n'est plus qu'à quelques mètres (© NASA/JPL).Très rapidement, la chute de la sonde est stoppée par l'allumage de trois grappes de quatre rétrofusées, qui vont freiner l'engin. Comme nous l'avons vu, durant son plongeon vers Mars, InSight ne cesse d'abandonner derrière elle des éléments, comme l'étage de croisière ou le bouclier thermique, avec lesquels il y a toujours un risque de collision. Le parachute n'échappe pas à cette règle. Pour éviter de rentrer de nouveau en contact avec lui en plein ciel, la sonde va effectuer une manœuvre de dégagement sur le côté, avant de débuter une descente la plus stable possible, sous contrôle de l'ordinateur de bord. L'objectif est d'annuler dans un premier temps complètement les mouvements horizontaux, puis de parvenir à une vitesse verticale constante, 50 mètres avant le contact final avec la surface. La manœuvre d'évitement de collision permet également d'empêcher que le parachute ne retombe sur la sonde lorsque celle-ci est au sol, un scénario probable si les vents sont nuls, et qui serait consternant pour les ingénieurs.

Durant la descente finale, InSight va également tourner sur elle-même, de façon à ce qu'une fois au sol, les panneaux solaires soient orientées vers l'ouest et l'est, et que le secteur de déploiement des instruments situé devant le bras robotique fasse face au sud (une position dans laquelle l'ombre des panneaux solaires ne peut pas passer au-dessus, et donc affecter, les instruments).

Si tout ce qui vient d'être décrit plus haut s'est déroulé à la perfection, au terme de la phase terminale propulsée de descente, la sonde InSight termine sa course en plantant les patins de ses trois pieds amortisseurs sur le sol poussiéreux de la plaine équatoriale d'Elysium. Dès qu'un contact physique est capté par l'un des pieds, les moteurs doivent s'arrêter immédiatement, au risque d'entraîner le retournement de la sonde.

Une fois au sol, InSight va patienter environ une quinzaine de minutes, le temps que la poussière martienne soulevée par les jets de gaz des rétrofusées avec la surface retombe, puis va déployer lentement ses deux panneaux solaires, pour récupérer de l'énergie (la sonde utilisant des batteries durant la totalité de la séquence EDL). La caméra ICC, fixée sous le pont de l'atterrisseur et pointée vers la surface, va immédiatement prendre une photo à travers un capot de protection amovible, qui sera retiré plus tard. Cette première image sera attendue avec une impatience immense par les ingénieurs et scientifiques engagés sur la mission. Selon ce qui apparaîtra sur les écrans de la salle de contrôle, ils sauront si le déploiement des instruments au sol sera facile, où si au contraire les opérations de dépose seront un véritable casse-tête.

Stratégie de communication durant l'atterrissage

Le 26 novembre 2018, la distance entre Mars et la Terre sera de 146 millions de kilomètres. Pour franchir cet immense espace, les ondes radio, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, mettront environ 8 minutes. En conséquence, quand la phase d'entrée commencera pour les terriens (20h47 heure française), sur Mars l'atterrissage sera déjà terminé.

Jusqu'à la séparation de l'étage de croisière, InSight communiquera avec la Terre via une antenne à gain moyen montée sur ce dernier. Après cette étape, la sonde basculera sur une antenne omnidirectionnelle située sur le bouclier arrière. Lorsque le parachute sera à son tour éjecté, les communications seront prises en charge par l'antenne hélicoïdale UHF de l'atterrisseur.

Contrairement à Phoenix en mai 2008, InSight est moins avantagée du point de vue des communications en temps réel durant l’atterrissage. L’un des atouts les plus importants de la NASA, l'orbiteur Mars Odyssey, n’est effectivement pas du bon côté de la planète lorsque la sonde va débuter sa séquence EDL. Mars Odyssey possède un mode de fonctionnement très pratique, appelé "bent-pipe", qui lui permet d’enregistrer dans le domaine UHF des informations transmises par un engin donné, et de les retransmettre en temps réel en bande X vers la Terre.

Position de Mars Reconnaissance Orbiter et des MarCO durant l'atterrissage (© NASA/JPL).Position de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et des MarCO durant l'atterrissage. Les deux nano-satellites MarCO A et B volent en formation serrée aux côtés d'InSight, tandis que Mars Reconnaissance Orbiter passe au-dessus de l'horizon à l'est (© NASA/JPL).

Un autre satellite de la flottille de sondes américaines actuellement en orbite autour de la planète rouge, Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), jouera le rôle de relais de transmission radio durant l'EDL, mais uniquement en différé. Lorsque la sonde InSight entamera sa descente, MRO sera au-dessus de l’horizon. L’orbiteur sera donc aux premières loges pour enregistrer les données télémétriques émises par InSight, mais il ne pourra les rediriger vers la Terre que 3 heures après l’atterrissage. Comme il l’a fait pour Phoenix, MRO tentera également d’immortaliser InSight durant son plongeon grâce à la caméra espion HiRISE. En termes de pointage et de timing, l’exercice demande cependant aux opérateurs une précision incroyable, et le succès n’est donc pas garanti.

Les nanosatellites MarCO A et B (© NASA/JPL).Les nanosatellites MarCO A et B doivent jouer un rôle important de relais radio durant l'atterrissage d'InSight. C'est la première fois que des satellites de type CubeSat sont envoyés en mission dans l'espace interplanétaire (© NASA/JPL).En comptant uniquement sur Mars Reconnaissance Orbiter, il ne sera donc pas possible d’avoir beaucoup d’informations sur InSight durant l'atterrissage, à part une confirmation de l’arrivée de la sonde au sol. Lorsque les patins d'InSight vont toucher la surface poussiéreuse de Mars, la sonde est effectivement programmée pour envoyer deux bips, l'un via l'antenne UHF, et le second à l'aide des antennes en bande X. Sur Terre, plusieurs radiotélescopes seront tournés vers Mars pour écouter le signal émis en bande X. Quelques minutes après le moment correspondant à l'atterrissage théorique, il sera donc possible de savoir de façon assez claire si la sonde demeure fonctionnelle à la surface de mars. 

Deux radiotélescopes spécifiques vont également tenter d'accrocher le signal qu'InSight émettra en UHF (à destination principale de MRO) durant la descente, et après l'atterrissage : l'observatoire de Green Bank aux Etats-Unis et l'observatoire de l'Institut Max Planck à Effelsberg en Allemagne. Dans ce scénario, la réception des premières images des caméras IDC et ICC, qui demande une grande bande passante, n’aura cependant pas lieu avant plusieurs heures.

Pour pallier aux inconvénients de la situation précédente, InSight est accompagné dans son voyage vers Mars par deux anges gardiens : des nanosatellites de la taille d’une petite valise, les MarCO, qui volent en formation serrée de part et d’autre de la sonde, et qui vont retransmettre tout ce qu’ils entendent directement vers la Terre. Chaque MarCO dispose effectivement d’une antenne UHF pour écouter InSight, et d’une antenne rectangulaire à haut gain fonctionnant en bande X pour la ré-émission vers la Terre. Les MarCO pourraient permettre de suivre la totalité de la séquence EDL d'InSight en temps réel, et de recevoir une image de la caméra ICC (complète ou partielle) environ 10 à 20 minutes après l'atterrissage.

Une vision idéalisée du site d'atterrissage d'InSight (© NASA/JPL).Une vision idéalisée du site d'atterrissage d'InSight sur la plaine de lave d'Elysium. L'endroit n'est peut-être pas un paradis pour les géologues, mais il l'est clairement pour les ingénieurs, qui recherchent en premier lieu un endroit suffisant plat et pauvre en obstacles pour permettre un atterrissage et une dépose des instruments sans risque (© NASA/JPL).

Les deux MarCO sont cependant d'abord et avant tout des démonstrateurs technologiques (principalement sur les aspects communication et navigation). C’est effectivement la première fois dans l'histoire de l'exploration spatiale que des nano-satellites de type CubeSat sont envoyés dans l’espace profond interplanétaire. Même si pour l’instant les deux MarCO, EVE et Wall-E, donnent entière satisfaction à la NASA, un dysfonctionnement inattendu peut toujours compromettre leur rôle durant l'atterrissage.

Quoiqu'il arrive, l'arrivée d'InSight sur Mars le 26 novembre 2018 promet d'être un spectacle inoubliable. Sur Terre, l'arrivée de la sonde pourra être suivie en temps réel via le flux NASA TV. En France, plusieurs événements sont également organisés pour le public : les plus importants sont ceux mis en place à la Cité des sciences et de l’industrie à Paris, ainsi qu’à la Cité de l’Espace à Toulouse.

Pour aller plus loin :

Dernière mise à jour : 21 novembre 2018.

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