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L'installation de SEIS à la surface de Mars (III)

L'installation du premier sismomètre à la surface de Mars par la sonde InSight (partie III)

Dans les deux premières parties de cette série d'articles sur l'installation du sismomètre SEIS à la surface de Mars, nous avons successivement abordé le nivellement de l'instrument, le recentrage des capteurs VBB, et toutes les étapes de l'installation du ruban plat qui relie l'appareil à la sonde InSight. Cette troisième et dernière partie est dédiée à la dépose cruciale du bouclier de protection éolien et thermique, le WTS, qui a eu lieu avec succès le 2 février 2019 au cours du sol 66.

De l'esthétique d'un bouclier éolien et thermique

Si l’instrument SEIS possède une présence particulière, à cause de la forme hexagonale et de la couleur cuivrée de son enceinte thermique RWEB (qui se marie particulièrement bien avec les tons ocres de Mars), le bouclier de protection thermique et éolien WTS n’est pas en reste d’un point de vue artistique. Les budgets nécessaires au développement de matériel spatial ne laissent bien entendu pas la place aux considérations esthétiques, mais dans le cas du WTS, la réponse à une série d’impératifs pratiques a abouti à la réalisation d’un objet doté d’une austère beauté.

L'austère beauté de la jupe extensible du WTS, avec l'isolant thermique doré, et rien de moins que de la cotte de mailles (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).L'élégance médiévale de la jupe extensible du WTS, avec l'isolant thermique doré alourdi par un anneau de cotte de mailles (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

D'un poids d'environ 10 kg, composé d’un dôme blanc en aluminium alvéolaire de 70 centimètres de diamètre équipé de trois pieds rétractables, le WTS possède également une jupe extensible dont l’objectif est d’épouser du mieux possible les accidents de la surface, pour isoler complètement le sismomètre de l’environnement hostile de Mars, en particulier des variations de la température et des vents.

C’est cette jupe d’étanchéité qui confère au WTS son aspect unique : du haut vers le bas, cette dernière est formée d’une bande plissée de matériau isolant couleur or, puis d’un anneau de cotte de mailles, totalement identique à celle utilisée par les chevaliers du moyen âge. Celle-ci comporte une partie écailleuse (lorica squamata), composée de petites plaquettes en acier qui se recouvrent partiellement à la façon de la peau d'un serpent, et d'un ruban de cotte de mailles plus classique. Combinée avec le cadran solaire du sismomètre qui remonte à l'époque babylonienne, cette cotte de mailles confère un côté symbolique à l'expérimentation SEIS, qui parvient ainsi à unir d'une manière particulièrement frappante la technologie spatiale et le passé mythique de l'humanité.

Préparation du déploiement : libération du grappin et capture du WTS

Séquence animée montrant la capture du bouclier de protection éolien et thermique lors du sol 65 (© NASA/JPL-Caltech).Séquence animée montrant la capture du bouclier de protection éolien et thermique (WTS) de l'expérience SEIS lors du sol 65 (© NASA/JPL-Caltech).Sur Mars, les opérations de déploiement du bouclier de protection éolien et thermique ont commencé juste après l'ouverture complète de la boucle de service du sismomètre SEIS au cours du sol 61.

Durant le sol 62, la caméra IDC a collecté un certain nombre d'images stéréo de SEIS, ainsi que de la zone de dépose du WTS. L'objectif était de pouvoir caractériser en détails la position dans l'espace des deux objets, et permettre la modélisation précise et en 3-D des mouvements du bras robotique, qui opère ici en aveugle (aucune adaptation temps réel des mouvements du bras par rapport aux images des caméras ne pouvant avoir lieu). Un grand nombre d'images de la boucle de service ont également été acquise tout au long de la journée pour détecter le moindre déplacement du câble.

Au cours du même sol, le grappin, qui avait été rangé le long du bras robotique lors du sol 50 pour dégager la pelle et permettre son utilisation pour tirer le câble, a été libéré pour la seconde fois depuis l'atterrissage. Durant cette étape, quelques particules de poussière se sont décrochées du grappin ou de son support, et sont tombées sur la lentille de la caméra IDC du bras, un peu comme des flocons de neige. Elles ne posent pas de problème particulier, et elles seront sans doute facilement ôtées par les vents ou les vibrations liées aux mouvements du bras robotique.

Désormais à nouveau opérationnel, le grappin a ensuite été positionné avec précision durant le sol 63 au-dessus de la poignée de capture du bouclier éolien et thermique, situé sur le pont de l'atterrisseur et solidement fixé par un frangibolt. Après une vérification poussée des données de localisation du grappin, la capture proprement dite du bouclier a eu lieu avec succès lors du sol 65, ce qui a permis d'engager l'étape la plus critique de la séquence de déploiement, la dépose proprement dite du bouclier au-dessus de SEIS.

Lors de cette phase, l'objectif le plus important que les ingénieurs cherchaient à atteindre était de faire en sorte que le WTS ne touche absolument pas le sismomètre SEIS. Un espace moyen d'au moins 5 centimètres devait être respecté entre l'instrument et son dôme de protection. Les erreurs de positionnement (conditionnées par la précision des moteurs du bras, par les incertitudes dans les données de localisation de SEIS, etc.) ont été estimées à 3 cm environ. Si un contact devait avoir lieu avec l'instrument, il était préférable qu'il se situe du côté de la boucle de service (LSA), plutôt qu'au niveau de l'enceinte thermique RWEB.

La dépose du WTS : une soucoupe volante dans les airs

Réalisée au cours du sol 66 (samedi 2 février 2019) de manière entièrement automatique, sans aucun contrôle en temps réel depuis la Terre, la dépose du WTS était attendue avec une grande impatience par les sismologues travaillant sur la mission. En protégeant le sismomètre des variations de température et des vents, le bouclier est absolument essentiel pour atteindre un niveau de bruit compatible avec l'enregistrement des plus infimes tressautements de la surface martienne.

Le WTS constitue la dernière barrière d'une série de protections conçues pour neutraliser du mieux possible les perturbations de l'environnement martien : il vient s'ajouter à la protection thermique RWEB, à l'enceinte sous vide sphérique des capteurs VBB et à d'autres dispositifs situés au niveau des pendules eux-mêmes. C'est également une étape emblématique. Si, en étant soulevé du pont de l'atterrisseur par le bras robotique, le WTS va exposer pour la première fois à l'air libre le capteur de pression ultra-sensible de la station météorologique APSS d'InSight, il va aussi faire définitivement disparaître le sismomètre SEIS aux yeux du monde, et empêcher toute nouvelle utilisation de la boussole solaire située au sommet du RWEB.

Les dernières secondes de visibilité du sismomètre SEIS avant sa disparition définitive sous la cloche protectrice du WTS lors d'un test de déploiement au Jet Propulsion Laboratory avec le frère jumeau d'InSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).Les dernières secondes de visibilité du sismomètre SEIS avant sa disparition définitive sous la cloche protectrice du WTS lors d'un test de déploiement au Jet Propulsion Laboratory avec le frère jumeau d'InSight, l'atterrisseur ForeSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

Les opérations de déploiement du WTS ont débuté avec l'envoi vers Mars de la séquence de commande le 1er février 2019 à environ 22h30. Sur la planète rouge, la sonde InSight était programmée pour débuter l'exécution des instructions à partir de 09h50 heure locale (sol 66), avec l'activation du frangibolt qui rivetait jusqu'à présent le WTS au pont de l'atterrisseur. La dépose proprement dite du WTS avec le bras robotique s'est déclenchée vers 10h00 (2 février 2019, 03h00 heure californienne), et a duré environ une heure.

Par mesure de sécurité, SEIS avait été totalement éteint pour la dépose du WTS. Cependant, contrairement à ce qui s'était passé lors de son déploiement le 19 décembre 2018 (sol 22), il a été rallumé presque immédiatement après la mise en place du WTS. L'objectif était de pouvoir vérifier très rapidement des changements d'inclinaison et de position du sismomètre, et d'acquérir des données sismiques avec les capteurs SP et VBB pour caractériser le niveau de bruit sous la cloche protectrice. Pendant la phase d'analyse des performances d'isolation thermique du bouclier, SEIS était programmé pour ne fonctionner que quelques heures par jour, et ce pour au moins deux sols. La présence du WTS a pour effet d'empêcher les rayons du soleil de chauffer le RWEB, comme il le faisait jusqu'à présent, et l'instrument a donc mis plus longtemps à se réchauffer. D'un autre côté, les pertes thermiques sont devenues bien moins importantes la nuit. Comme les ingénieurs ne savaient pas quand le sismomètre serait parfaitement stabilisé thermiquement à l'intérieur du WTS, ce dernier ne pouvait pas être allumé tout de suite en continu.

Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'opération de déploiement du WTS au cours du sol 66 (© NASA/JPL-Caltech).Séquence animée d'images obtenues par la caméra ICC montrant l'opération de déploiement du WTS au cours du sol 66 (© NASA/JPL-Caltech).Etant donné le planning du déploiement sur Mars, l'heure de survol des différents satellites relais en orbite autour de la planète rouge et la bande passante disponible, les ingénieurs responsables du système de déploiement d'InSight ont du patienter jusqu'au samedi 2 février 2019 à 11h35 (heure californienne) pour recevoir les premières images.

Contrairement au déploiement de SEIS, la réception de données télémétriques préliminaires utiles aux ingénieurs, comme les températures des frangibolts, ou encore le compteur de mouvements des articulations du bras n'a pas été possible. L'orbiteur qui aurait pu transmettre ces informations, Mars Reconnaissance Orbiter, était en effet trop bas sur l'horizon pour pouvoir jouer son rôle de relais radio dans de bonnes conditions (si la passe avait été déprogrammée, InSight aurait cependant pu ouvrir cette fenêtre de communication pour signaler le passage du bras en mode de sauvegarde suite à une anomalie).

Lorsque les images tant attendues sont arrivées, elles ont été immédiatement retransmises sur la totalité des écrans du centre de contrôle InSight, ceux de la salle de réception des données (downlink), où les ingénieurs du JPL étaient concentrés derrière leurs consoles, mais également ceux de la salle principale, où la plupart des réunions quotidiennes se déroulent, et où un grand nombre de membres de la mission s'étaient regroupés pour l'occasion.

D'innombrables tests de déploiement du WTS avaient eu lieu avec le frère jumeau d'InSight (ForeSight) sur Terre, mais malgré toutes les images acquises durant ces simulations, l'arrivée des clichés en provenance de Mars a été une sorte de choc. D'abord parce que l'opération de déploiement du WTS comportait des risques importants, comme ceux d'une collision avec SEIS. Mais c'est aussi l'impact visuel des photos qui a marqué les esprits. Contrairement au déploiement du sismomètre SEIS, qui a eu lieu dans l'obscurité crépusculaire naissante du sol 22, le bouclier WTS a été placé en surface en milieu de matinée, et la caméra ICC a donc bénéficié d'une bonne lumière et des ombres portées. De plus, il est venu se poser non seulement à la surface de Mars, mais également au-dessus d'un autre objet déjà présent au sol. Enfin, le fait que la jupe extensible ait été comprimée lors du déploiement a renforcé son aspect de soucoupe volante (l'effet n'aurait pas été le même avec la jupe totalement détendue).

Dès que le dôme blanc est apparu dans le champ de la première image de la caméra ICC, les ingénieurs ont compris que la jupe n'était pas déployée comme dans les simulations effectuées sur Terre. Cette situation n'était en soi pas surprenante. Comprimée sous le bouclier pendant les six mois et demi de la phase de croisière dans l'espace à des températures glaciales, puis sur Mars pendant plus de deux mois, la jupe s'est rigidifiée sur elle-même. La gravité martienne étant trois fois plus faible que celle de la Terre, le poids de l'anneau de cotte de mailles qui ceinture le bas de la jupe d'étanchéité n'a pas suffit pour que cette dernière se détende dès que le WTS a été soulevé du pont par le bras robotique.

La lente mise en place de la jupe extensible du WTS, chauffée par le soleil et alourdie par le bandeau de cotte de mailles, à partir du sol 66 (© NASA/JPL-Caltech).La lente mise en place de la jupe extensible du WTS, chauffée par le soleil et alourdie par le bandeau de cotte de mailles, à partir du sol 66 (© NASA/JPL-Caltech).Assez rapidement, l'anomalie a été jugée mineure par les ingénieurs responsables du déploiement de la charge utile d'InSight. Sur la dernière image ICC reçue le samedi 2 février au matin, on voit clairement que la cotte de mailles est déjà en train de se déplier. En dépouillant les premières données sismiques reçues par les capteurs SP, des sismologues et ingénieurs de la mission se sont aussi rendu compte que le niveau de bruit mesuré ne pouvait pas s'expliquer si la jupe était restée dans la situation des images du sol 66. Ils ont émis l'hypothèse qu'elle avait dû glisser de manière significative vers le bas, ce qui a effectivement été le cas.

Les clichés pris au cours du sol 67, puis lors du sol suivant, montrent que la jupe est bien descendue verticalement, chauffée par le soleil et alourdie par le bandeau de cotte de mailles. Par mesure de sécurité, le grappin n'avait pas été décroché, pour permettre éventuellement la réalisation de manœuvres capables d'améliorer la détente de la jupe (en soulevant le bouclier ou en secouant légèrement ce dernier). Seul inconvénient de cette situation temporaire : l'incapacité pour le bras robotique de bouger et de prendre avec la caméra IDC des images détaillées de la jupe avec un meilleur angle de vue.

L'analyse des données de localisation (réalisée grâce aux marqueurs noirs & blancs situés sur le RWEB et le WTS et qui servent de référence géométrique) a montré que le WTS a été placé presque parfaitement au-dessus du sismomètre SEIS, et que sa paroi interne ne touche pas l'instrument. L'espace entre les deux objets est d'au moins 4 cm. La position exacte du WTS par rapport au sismomètre sera affinée grâce à de nouvelles images acquises par la caméra IDC du bras robotique, une fois sa liberté retrouvée suite au décrochage du grappin.

Les inclinomètres du berceau de mise à niveau de l'instrument (ainsi que les pendules sismiques) n'ont montré aucun déplacement du sismomètre pendant la manœuvre de dépose du WTS. Les performances thermiques sont très bonnes, et l'impact sur les variations de température des différents composants du sismomètre est clairement visible. Enfin, la diminution du niveau de bruit est absolument spectaculaire. Satisfait par ces bilans techniques, les ingénieurs ont donné le feu vert pour la libération du grappin au cours du sol 70. Cette étape, qui marque la fin du déploiement physique de l'expérimentation SEIS à la surface de Mars, a également donné le départ des opérations de dépose du capteur de flux thermique HP3. L'un des premiers objectifs de SEIS sera d'enregistrer les vibrations générées par la pénétration de la taupe d'HP3 pour déterminer la structure du sous-sol.

Une partie de l'équipe SEIS après l'arrivée des images montrant le déploiement du WTS (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).Une partie de l'équipe SEIS, juste après l'arrivée des images montrant le déploiement du WTS dans la salle des opérations InSight au Jet Propulsion Laboratory. De gauche à droite : Tom Pike (Imperial College), responsable des capteurs à courte période SP, Ken Hurst (JPL), ingénieur systèmes et expert technique SEIS, Philippe Lognonné (IPGP), responsable scientifique (PI) de l'instrument et Eric Beucler (Université de Nantes), sismologue. Le WTS a diminué de manière spectaculaire le niveau de bruit enregistré par les capteurs sismiques de SEIS (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

Paramétrage final du sismomètre SEIS

Suite à la dépose du WTS, des opérations importantes sont programmées au niveau des capteurs sismiques VBB, situés au cœur de SEIS et enfermés à l'intérieur d'une sphère en titane sous vide. Le premier bénéfice de la présence du WTS était de pouvoir basculer ces capteurs en mode scientifique, bien plus adapté aux mesures sismiques que le mode ingénierie utilisé jusqu'à présent. Cependant, suite au retard pris avec l'installation du câble du sismomètre, le mode scientifique a en fait été enclenché avec succès dès le sol 58, alors que le WTS était encore situé sur le pont. La seconde opération va consister à calibrer les pendules pour la première fois grâce à une bobine faisant partie du dispositif de contre-réaction. Enfin, le dispositif TCDM sera mis en service pour diminuer la sensibilité des capteurs aux variations thermiques résiduelles qui affectent l'intérieur de la sphère sous vide. En ce qui concerne les capteurs à courte période SP, aucun paramétrage spécifique n'est requis suite au placement du WTS.

Sous son dôme protecteur, le sismomètre SEIS va pouvoir être utilisé au maximum de ses possibilités. Grâce à lui, la totalité des capteurs sismiques ont enfin pu être allumés en permanence le jour et la nuit, pour renvoyer des données continues, sans craindre des périodes où les températures deviennent trop extrêmes. Jusqu'à présent SEIS était effectivement éteint pendant les 10 heures les plus glacées de la nuit, et des réchauffeurs étaient régulièrement activés pour protéger l'instrument du froid. Depuis le sol 70, les capteurs sismiques de SEIS fonctionnent désormais en permanence. Les vents, dont l'activité a été très bien caractérisée lorsque le sismomètre était encore sur le pont de l'atterrisseur, sont aussi désormais contrés de façon très efficace.

Une fois que la phase finale de mise en service (commissioning) sera terminée, la campagne scientifique de SEIS pourra débuter. A ce moment-là, rien de ce qui bouge sur Mars ne pourra plus échapper au sismomètre de la sonde InSight, et les craquements les plus infimes de la planète rouge livreront enfin les secrets de son intérieur.

Une partie de l'équipe du système de déploiement d'InSight du Jet Propulsion Laboratory (JPL), lors d'un test de dépose du WTS au cours du sol 18. Plusieurs membres de la mission assistent à cette répétition grandeur nature depuis la galerie qui surplombe le banc de test (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).Une partie de l'équipe du système de déploiement d'InSight du Jet Propulsion Laboratory (JPL), lors d'un test de dépose du WTS au cours du sol 18. Plusieurs membres de la mission assistent à cette répétition grandeur nature depuis la galerie qui surplombe le banc de test (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

Pour aller plus loin :

Pasadena, le 6 février 2019

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