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Le programme Discovery de la NASA

L'exploration du système solaire à moindre coût

Le programme Discovery de la NASA regroupe des missions à moindre coût orientées vers l'exploration du système solaire (© NASA)Le programme Discovery de la NASA regroupe des missions à moindre coût orientées vers l'exploration du système solaire (© NASA)La mission InSight est réalisée sous l'égide du programme Discovery de l'agence spatiale américaine, la NASA. Mis sur pied au début des années 1990, Discovery se veut une alternative à d'autres programmes américains plus coûteux et lourds, comme le programme New Frontiers (budget de 750 millions à 1 milliard de dollars) où le programme Flagship (budget de 1,5 milliard à 2 milliards de dollars).

Pour l'exploration robotique du système solaire, la philosophie habituelle de la NASA était de concevoir des sondes complexes, qui embarquaient un grand nombre d'instruments pour répondre à des objectifs scientifiques multiples et variés. Il n'était pas rare qu'au cours du développement, les attentes des scientifiques conduisent à l'ajout d'équipements additionnels, qui avaient pour conséquence d'augmenter la taille et le poids des satellites, et de provoquer une envolée non seulement de la complexité, mais aussi des coûts. Les dépassements budgétaires pouvaient parfois prendre de telles proportions qu'ils devaient incontrôlables, tandis que les plannings de développement se prolongeaient inexorablement. L'immense effort fourni pouvait certes aboutir à des découvertes majeures, mais revers de la médaille, toute perte avait des conséquences catastrophiques. Et malheureusement, malgré la grande attention portée à la gestion des risques, ces dernières pouvaient encore occasionnellement se produire.

Discovery et la philosophie du "plus rapide, mieux et moins cher"

En 1992, la disparition brutale de la sonde martienne Mars Observer, juste avant sa mise en orbite, conduisit la NASA à supporter une initiative qui devait permettre de révolutionner la manière dont l'exploration spatiale était menée. Baptisée faster, better and cheaper (plus vite, mieux et moins cher), son objectif était clair : réduire les coûts, diminuer les temps de développement et obtenir de meilleurs résultats. Pour le prix d'une grosse mission unique, il allait être possible d'en lancer plusieurs petites, pour maximiser le retour scientifique, mais également répartir les risques.

Le programme Discovery s'inscrivait directement dans l'initiative faster, better and cheaper. Il finance des missions peu onéreuses (450 millions de dollars hors frais de lancement), dont le coût est fixé à l'avance et ne peut-être changé, et qui sont focalisées sur une thématique scientifique bien précise. Le report de la mission InSight, de 2016 à 2018, et ses conséquences, est l'une des très rares exceptions à cette règle.

Le cycle de développement est court, et la mission doit être développée en trois années seulement. Placée sous la direction d'un investigateur principal (PI), qui a la responsabilité de sélectionner les instruments et de veiller à respecter les contraintes budgétaires, les missions du programme Discovery répondent à trois critères principaux : améliorer notre connaissance du système solaire, mettre au point des technologies nouvelles permettant de pousser plus avant l'exploration spatiale, et enfin susciter des vocations dans les domaines scientifiques et techniques auprès des étudiants et du public.

Initialement, la NASA prévoyait de lancer une mission Discovery tous les deux ans, mais les contraintes budgétaires finirent par la forcer à adopter un planning plus souple.

Mars Pathfinder, un éclaireur martien sous la bannière du programme Discovery

Dessin d'artiste du petit rover Sojourner de la mission Pathfinder, en pleine exploration d'Ares Vallis (© Manchu)Dessin d'artiste du petit rover Sojourner de la mission Pathfinder, en pleine exploration d'Ares Vallis (© Manchu/Ciel & Espace).

En 1996, la seconde mission du programme Discovery, Mars Pathfinder, décolla en direction de Mars, presque 40 ans après les sondes Viking.

Principalement technologique, cette mission devait permettre de tester une méthode à faible coût permettant de déposer à la surface de la planète rouge des instruments ainsi qu'un mini-rover.

Son succès, considérable, à la fois d'un point de vue technique mais aussi public (les premières images du site d'atterrissage furent transmises presque immédiatement grâce à Internet) semblait valider le virage pris par la NASA.

Hélas, deux années plus tard, la perte coup sur coup d'un orbiteur et d'un atterrisseur martien appartenant au programme Mars Surveyor (Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander) mis un frein sérieux à la philosophie low-cost prônée par l'agence spatiale américaine, et abouti à une réorganisation complète du programme d'exploration martien.

Suite à ces revers, plusieurs commissions d'enquête furent formées et rendirent leur verdict : en voulant accélérer exagérément le cycle de développement des engins spatiaux et réduire les coûts au maximum, des manquements avaient eu lieu dans certains domaines critiques, en particulier dans l'effort de documentation ainsi qu'au niveau de la phase de tests, absolument essentielle à la réussite d'une mission. Cependant, la philosophie symbolisée par le programme Discovery continuait d'être suffisamment pertinente pour recevoir du soutien.

InSight, 12eme mission du programme Discovery

InSight est la douzième mission du programme Discovery à être lancée. Elle fut sélectionnée en mai 2011 avec deux autres finalistes, Titan Mare Explorer (TIME) et Comet Hopper, et obtint un financement qui permis de débuter la phase A du projet, c'est à dire l'étude de design préliminaire.

A l'issue d'une commission de sélection, elle fut définitivement retenue en août 2012 pour faire partie du programme Discovery. A l'époque, la mission s'appelait encore GEMS (Geophysical Monitoring Station pour Station de surveillance géophysique), mais le nom fut modifié pour éviter toute confusion avec un observatoire fonctionnant dans les rayons X et développé par l'agence spatiale américaine. InSight était né.

Si l'euphorie déclenchée par l'atterrissage spectaculaire du rover Curiosity sur Mars en août 2012 a sans doute fait pencher un peu la balance en faveur d'InSight, il est important de rappeler que les objectifs scientifiques adressés par cette mission sont de tout premier ordre, et qu'à l'heure actuelle, nous ne connaissons presque rien des profondeurs de la planète rouge, faute d'avoir pu conduire des investigations sismiques sur place. Notons qu'idéalement, les géophysiciens auraient souhaité déployer un réseau de sismomètres autour de Mars, mais ce genre de mission n'est clairement envisageable dans le cadre d'un programme comme Discovery, ce qui explique qu'InSight n'ait qu'une station de mesures sismiques.

Un second facteur qui a peut-être joué en faveur d'InSight est lié au fait que ses deux concurrents, Time Mare Explorer et Comet Hopper, nécessitaient l'usage d'un générateur thermoélectrique radioisotopique de nouvelle génération (ASRG) comme source d'énergie.

Time Mare Explorer avait pour objectif d'amerrir et de flotter sur une mer d'hydrocarbure du satellite Titan, qui orbite autour de Saturne et qui avait déjà reçu la visite de la sonde européenne Huygens en janvier 2005. La mission Comet Hopper proposait quant à elle d'atterrir à plusieurs reprises sur la comète Wirtanen pour effectuer des mesures scientifiques et étudier l'interaction de la comète avec le soleil. Dans les deux cas, l'utilisation de panneaux solaires n'aurait pas permis une alimentation en énergie suffisante, d'où l'emport d'un dispositif capable de générer du courant électrique grâce à la chaleur émise par la décomposition d'un matériel radioactif (RTG).

La NASA avait mis en place un programme permettant de remplacer la génération actuelle de RTG (MMRTG) par un équivalent plus léger, possédant un rendement plus efficace, et capable de générer plus de puissance pour une quantité moindre de plutonium 238. Dénommé ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator), ce projet fut annulé après la sélection d'InSight pour des raisons de coût.

La sonde InSight peut tirer toute l'énergie qui lui est nécessaire de panneaux solaires, et n'a pas l'utilité d'un RTG, contrairement à d'autres sondes martiennes où ce dispositif s'est révélé indispensable (Viking en 1976 et l'imposant rover Curiosity en 2012).

Dernière mise à jour : 31 juillet 2017

Croisière & Orbite

Un voyage de six mois pour atteindre Mars

Orbite suivie par la sonde InSight entre la Terre et Mars (© NASA)Orbite suivie par la sonde InSight entre la Terre et Mars (© NASA)

Après son lancement, InSight va effectuer un voyage de six mois et demi dans l'espace interplanétaire avant d'atteindre son objectif, la planète rouge. La trajectoire que va suivre la sonde est un arc de cercle, dont l'une des extrémités touche la Terre, tandis que l'autre atteint Mars. Cette orbite de transfert est dite de type I, car elle décrit autour du soleil un parcours qui reste inférieur à 180°, d'où une durée de transit relativement faible.

La sonde InSight en configuration de croisière (© NASA)La sonde InSight en configuration de croisière (© NASA)Contrairement à ce que l'on pourrait penser, la fusée utilisée pour InSight n'est pas pointée directement vers Mars, bien au contraire. Les règles de protection planétaire, qui stipulent que dans l'exploration martienne, tout doit être fait pour éviter de contaminer la planète rouge avec des germes terrestres, ont ici une conséquence étonnante. Les engins robotiques martiens sont effectivement lancés de manière à rater leur cible, ceci pour empêcher l'étage supérieur du lanceur, qui suit les sondes sur leur lancée, de s'écraser sur Mars.

InSight n'étant pas tiré précisément en direction de Mars, des manoeuvres de correction de trajectoire sont programmées tout au long de son voyage pour éliminer la dérive placée volontairement au départ, et ramener la sonde sur le droit chemin.

Baptisés TCM, ces manoeuvres sont au nombre de six. La première a lieu assez tôt après le lancement, et enlève le plus gros de la déviation, tout en corrigeant les éventuelles erreurs d'injection, tandis que la seconde a lieu à mi parcours. Toutes les autres manoeuvres de correction de trajectoire prennent place durant la phase d'approche, qui débute 60 jours avant l'atterrissage. Leur rôle est d'ajuster très finement la trajectoire d'InSight pour lui permettre de rentrer dans l'atmosphère martienne avec la précision voulue. L'angle d'attaque du cône d'entrée n'est en effet que de - 12,5°. Si la sonde pénètre l'atmosphère avec un angle inférieur, elle rebondira sur cette dernière pour se perdre dans l'espace, tandis que si elle aborde Mars avec un angle plus fort, les forces de friction seront telles que l'atterrisseur sera calciné. Le maximum de précision est également nécessaire pour pouvoir se poser exactement ou presque sur le site prévu pour l'atterrissage, la plaine équatoriale d'Elysium.

Si l'on met de côté les manoeuvres de correction de trajectoire, indispensables pour délivrer la sonde à son point d'entrée dans le système martien, la phase de croisière est une période assez calme de la mission.

L'étage de croisière d'InSight en vol (© NASA)L'étage de croisière d'InSight en vol (© NASA).

Les instruments, ainsi que les différents sous-systèmes de la sonde, sont vérifiés à de multiples reprises par les ingénieurs, tandis que les navigateurs interplanétaires surveillent la trajectoire. Durant la phase de croisière, seuls les sismomètres SP horizontaux pourront fonctionner et être testés. Les capteurs VBB et le capteur SP vertical seront eux saturés en raison d'absence de pesanteur.

Sur Terre, alors qu'InSight navigue dans l'obscurité de l'espace, les différentes équipes continuent d'oeuvrer d'arrache pied pour assurer le succès de la mission, et préparer l'atterrissage ainsi que les mesures scientifiques, qui seront effectuées une fois l'engin posé sain et sauf sur le sol de Mars.

Dernière mise à jour : 26 février 2018

Navigation interplanétaire

Cheminer dans l'obscurité profonde de l'espace

Antennes du réseau d'écoute Deep Space Network (DSN) de la NASA (© NASA/JPL)Antennes du réseau d'écoute Deep Space Network (DSN) de la NASA (© NASA/JPL)

Pour guider InSight dans l'espace interplanétaire entre la Terre et Mars, les navigateurs s'appuient sur l'analyse des signaux radios émis par la sonde et reçus sur Terre.

Au sol, les communications radio s'effectuent grâce aux antennes du réseau d'écoute de l'espace profond, le Deep Space Network (DSN) de la NASA. Dans l'espace, la sonde InSight dispose de plusieurs antennes radio.

Trois stations d'écoute ont été installées à des endroits stratégiques de la planète : Goldstone (Californie, Etats-Unis), Canberra (Australie) et Madrid (Espagne). Ce positionnement assure qu'à tout instant, au moins l'une des stations possède une visibilité sur Mars. Les échanges radio entre la Terre et la sonde InSight ont lieu dans la bande X, une gamme de très hautes fréquences située aux alentours de 10 Ghz, et qui convient bien aux communications longue portée dans l'espace.

Mesure de la distance

Pour vérifier la trajectoire suivie par InSight, les navigateurs déterminent traditionnellement la distance qui sépare la sonde de notre planète en mesurant très précisément le temps mis par les signaux pour parvenir à l'engin spatial puis revenir vers la Terre. Connaissant la vitesse de la Lumière (300 000 kilomètres par seconde), le délai de transit aller/retour permet d'accéder assez facilement à la distance.

Mesure de la vitesse par effet Doppler

Une seconde technique très utile est basée sur une mesure Doppler, qui offre la possibilité de déterminer la vitesse relative de la sonde par rapport à la Terre, en calculant le décalage de fréquence, par rapport à la fréquence initiale, des signaux radio émis par InSight.

Un exemple couramment utilisé pour décrire l'effet Doppler est celui d'un voyageur, assis sur un banc dans une gare, à une petite distance d'un rail. A un moment donné, un train arrive par la gauche en sifflant. Durant toute la période où le train s'approche du voyageur, la fréquence du sifflement augmente, et ce dernier devient de plus en plus strident. Ensuite, lorsque le train finit par dépasser le voyageur pour s'éloigner, le phénomène inverse se produit : la fréquence baisse graduellement, et le son émit par le train se fait plus grave. La même technique est mise en oeuvre dans l'espace, pour mesurer la vitesse avec laquelle la sonde InSight se déplace par rapport à la Terre.

Mesure Delta DOR

Grande antenne de la station espagnole Cebreros de l'Agence Spatiale Européenne (© ESA)Grande antenne de la station espagnole Cebreros de l'Agence Spatiale Européenne (© ESA)

Enfin, une troisième technique plus récente a été mise au point pour obtenir des informations sur la position de la sonde dans les directions qui sont non pas parallèles, mais perpendiculaires à la ligne de visée Terre - sonde.

Baptisée Delta DOR (mesure différentielle du delta dans un seul sens), elle repose sur l'utilisation d'antennes séparées par une distance significative (idéalement situées sur deux continents), pour écouter simultanément les signaux émis par le vaisseau spatial.

Dans ce cas de figure, des antennes de deux sites différents du DSN de la NASA sont pointées vers InSight. Une fois la session d'écoute de la sonde terminée, les antennes utilisées sont dirigées vers un point de référence céleste, dont la position dans le ciel est connue avec précision. Les quasars, qui sont des balises radio naturelles particulièrement puissantes, sont alors des cibles de choix.

Les quasars permettent de corriger les imprécisions de la mesure, dues par exemple à l'activité solaire, aux perturbations de l'ionosphère (la couche d'air ionisée qui entoure la Terre), ou encore la dérive infime des horloges utilisées au sol. Pour une mesure donnée, le quasar choisi doit être situé dans une région du ciel proche de celle ou se déplace la sonde.

A l'heure actuelle, les ingénieurs sont obligés d'écouter le quasar puis la sonde, ou vice versa. Il n'est pas possible de recueillir en même temps les ondes radio du quasar et du satellite à suivre.

Délivrer la sonde à son point d'entrée

Grâce aux trois techniques que nous venons de citer, les navigateurs interplanétaires peuvent déterminer, à un instant donné, la position quasi-exacte d'InSight dans les trois dimensions de l'espace, ainsi que sa direction et sa vitesse. Si nécessaire, des manoeuvres de correction de trajectoire sont effectuées, pour affiner le trajet de la sonde, et faire en sorte qu'elle puisse entrer, au terme de son voyage, dans le système martien avec la bonne vitesse et le bon angle.

Tout au long de la phase de croisière, les navigateurs vérifient donc périodiquement l'évolution du satellite dans l'espace, et se penchent immédiatement sur la moindre anomalie ou déviation pour en déterminer la cause. De l'exactitude de la trajectoire suivie dépend la réussite de la phase critique d'atterrissage, et donc le succès de la mission.

Dernière mise à jour : 7 août 2017

Atterrissage

La phase d'atterrissage est l'étape la plus spectaculaire, mais aussi la plus critique de la mission

EDL 1
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EDL 7

La phase d'atterrissage d'InSight, la plus critique de toute la mission, débute exactement trois heures avant le contact avec les couches les plus hautes de l'atmosphère martienne, à environ 125 kilomètres de la surface.

Basée sur l'atterrisseur polaire Phoenix, qui s'est posé avec succès le 26 mai 2008 sur les plaines glacées boréales de Mars, la sonde InSight bénéficie de tout le retour d'expérience acquis lors de cette mission. La seule grande différence concerne finalement le site d'atterrissage : InSight se posera à l'équateur, tandis que Phoenix avait été envoyé vers les terres arctiques martiennes.

Séparation de l'étage de croisière

Sept minutes avant de frapper la bulle d'air qui entoure Mars, grâce à la mise à feu de boulons pyrotechniques, l'atterrisseur InSight se sépare de l'étage de croisière , qui avait la responsabilité de conduire la sonde à bon port, dans la proche banlieue martienne.

Pendant une minute et demie, la capsule renfermant InSight va lentement tourner sur elle-même pour pointer son bouclier thermique vers l'avant, en direction de sa cible planétaire. Sa vitesse est alors très importante, puis qu'elle fonce en direction du sol martien à une vitesse hypersonique, environ 5,5 km/s.

Telle une balle de fusil, elle va aborder l'atmosphère sur une trajectoire balistique, avec un angle d'entrée de 12,5°. Lors des atterrissages, sur Terre comme sur Mars, l'angle d'entrée joue un rôle essentiel, bien plus que la vitesse. Trop petit, et la sonde rebondirait sur l'atmosphère pour se perdre dans l'espace. Trop prononcé, et les forces de friction qui s'exerceraient sur la capsule deviendraient trop importantes, consumant l'engin dans une boule de feu.

Entrée atmosphérique

Pour survivre aux forces de friction intenses qui caractérise l'entrée dans l'atmosphère, la sonde InSight est protégée par un bouclier thermique de grand diamètre. Ce dernier est recouvert de tuiles fabriquées dans un matériau ablatif, qui, en se décomposant lentement sous l'effet de la chaleur, permet d'absorber l'impressionnante quantité d'énergie due à la résistance de l'atmosphère au passage d'InSight.

Au moment du pic de décélération, la sonde encaissera un facteur de charge de plus de 9G, une valeur que l'être humain ne serait pas capable de supporter. Les masses mobiles des pendules VBB appuieront alors sur leurs butées avec un poids équivalent à deux kilogrammes sur Terre, et ces dernières ne devront absolument pas se déformer.

Le véhicule d'entrée, constitué d'un bouclier thermique et d'un bouclier arrière, et à l'intérieur duquel se trouve l'atterrisseur, recroquevillé sur lui-même, est stabilisée durant cette étape, turbulente par nature, par de petites rétrofusées. La capsule a cependant été conçue pour être globalement stable d'un point de vue aérodynamique.

Aucun guidage à proprement parlé n'a lieu durant la phase d'entrée, ce qui explique que la taille de l'ellipse d'atterrissage, qui délimite la zone dans laquelle InSight a toute les chances de se poser, soit bien plus grande (130 km sur 27 km) que celle du rover Curiosity.

Lorsqu'InSight se posera sur Mars le 26 novembre 2018, ce sera l'automne dans l'hémisphère nord, et la saison des tempêtes de poussière aura débuté. Le soulèvement par les vents de grandes quantités de particules très fines de poussière pourra changer de manière significative les propriétés de l'atmosphère, et la météorologie martienne sera donc suivie avec attention dans les semaines précédant l'atterrissage. De nombreuses simulations numériques ont cependant montré que la sonde devrait pouvoir s'adapter à une large gamme de situations, même difficiles.

Descente sous parachute

Après l'entrée atmosphérique, la seconde étape de l'atterrissage d'InSight consiste en une descente sous parachute. Ce dernier, d'un diamètre de 12 mètres, se déploiera à environ 9 kilomètres d'altitude. Situé à 2,7 kilomètres sous le niveau moyen de la planète Mars (une sorte de niveau de la mer virtuel), le site d'atterrissage d'InSight permet un freinage efficace sous parachute, la colonne d'air disponible étant effectivement suffisamment grande.

Au moment de l'ouverture du parachute, et bien qu'ayant été ralentie durant la phase d'entrée, la sonde évolue encore à une vitesse supersonique (environ 1,5 mach, soit un peu plus de la vitesse du son, environ 350 m/s), ce qui complique quelque peu le déploiement de ce dernier. Les contraintes qui vont s'exercer sur la toile et les suspentes seront très fortes, et le parachute a été spécifiquement conçu pour pouvoir s'ouvrir complètement à grande vitesse, sans se déchirer ou partir en torche. A cause de la faible pression atmosphérique martienne et d'un besoin de vitesse, aucun parachute extracteur ne ferait l'affaire pour le déploiement du parachute principal. Cette étape s'effectue donc grâce à l'énergie fournie par un mortier.

Quinze secondes après le déploiement du parachute, à environ 7,2 kilomètres d'altitude et une vitesse de 443 kilomètres/heure (123 m/s, soit environ mach 0,5 sur Mars), le bouclier thermique devenu inutile est éjecté, et chute librement vers la surface martienne. Le largage n'a pas lieu immédiatement après l'ouverture du parachute, pour donner le temps aux oscillations de ce dernier de s'atténuer.

Dix secondes après le départ du bouclier thermique, les trois pieds télescopiques de l'atterrisseur ont alors suffisamment d'espace pour pouvoir se déployer de manière sure. Ils se déplient rapidement l'un après l'autre, à 0,5 seconde d'intervalle.

Cinq secondes plus tard, à une altitude d'environ 6 km, le radar de descente s'initialise et cherche à acquérir la surface martienne. Son rôle est de permettre à la sonde InSight de connaître précisément son altitude et sa vitesse par rapport au sol. L'accrochage de la surface martienne par le radar aura lieu à une altitude d'environ 2400 mètres. Les données fournies par le radar seront utilisées jusqu'à 30 mètres, altitude à partir de laquelle des réflexions parasites de la surface brouilleront les données de navigation, rendant ces dernières inutilisables.

Croquis montrant la sonde InSight durant l'étape finale (propulsée) de l'atterrissage sur la plaine équatoriale d'Elysium. Pour freiner sa descente, l'engin dispose de trois grappes de rétrofusées à pulses, qui développent chacune une poussée d'environ 300 newtons. Bien que par définition très sensible à la moindre vibration, le sismomètre SEIS a été conçu pour résister aux chocs très violents qui caractérisent tout atterrissage sur Mars (© IPGP/Manchu/Bureau 21).Croquis montrant la sonde InSight durant l'étape finale (propulsée) de l'atterrissage sur la plaine équatoriale d'Elysium. Pour freiner sa descente, l'engin dispose de trois grappes de rétrofusées à pulses, qui développent chacune une poussée d'environ 300 newtons. Bien que par définition très sensible à la moindre vibration, le sismomètre SEIS a été conçu pour résister aux chocs très violents qui caractérisent tout atterrissage sur Mars (© IPGP/Manchu/Bureau 21).

Phase finale propulsée

A une altitude d'environ 1,3 kilomètre, alors qu'elle évolue encore à une vitesse de 224 kilomètres/heure, InSight se sépare de son parachute, pour se retrouver en vol libre, chutant comme une pierre vers la surface rouillée de Mars et s'éloignant rapidement du bouclier arrière qu'elle a laissé derrière elle (et auquel est resté accroché le parachute).

Mais très rapidement, une demi-seconde après cet événement, l'atterrisseur allume ses rétrofusées, trois grappes de quatre moteur consommant de l'hydrazine et délivrant chacun une poussée de 300 newtons, pour freiner et se stabiliser. L'intelligence de bord, qui contrôle les moteurs, va chercher à réduire la vitesse horizontale et à rendre constante la vitesse verticale. Selon les cas, la sonde effectuera également une manoeuvre d'évitement du bouclier arrière, pour éviter que la toile du parachute ne vienne la recouvrir par un affreux coup du sort une fois posée au sol.

A 50 mètres du sol, alors que la vitesse verticale n'est plus que de 30 kilomètres/heure, les capteurs de contact situés au niveau des pieds sont activés. Le sol martien est désormais très proche. Lorsqu'InSight touche finalement la surface (un événement enregistré par les capteurs des pieds), après un voyage de plusieurs centaines de millions de kilomètres dans l'espace, sa vitesse verticale moyenne n'est plus que de 8 kilomètres/heure environ (soit un peu plus de 2 m/s), pour une vitesse horizontale presque trois fois inférieure. Sur la plaine d'Elysium, il est un peu plus de 2 heures de l'après-midi en cette belle et froide journée d'hiver.

Les moteurs-fusées sont coupés moins de 0,25 seconde après le contact avec la surface de Mars. L'altération du site d'atterrissage, due à l'interaction des puissants jets de gaz sortant des tuyères des fusées avec le sol sera cependant minimale, et confinée à la région située sous la plateforme d'atterrissage, qui pourrait être légèrement excavée.

Par mesure de sécurité, les panneaux solaires ne seront déployés que 16 minutes après l'arrivée d'InSight, de manière à minimiser l'influence de la retombée des particules de poussière soulevées suite au débarquement tonitruant de la sonde sur Mars. Le dépôt de poussière sur le pont de l'atterrisseur sera également limité.

Pour l'atterrisseur InSight, qui va maintenant débuter toute une série d'opérations de vérification, le voyage est terminé. Ce n'est cependant pas le cas du sismomètre SEIS, qui se trouve encore à un mètre du sol. L'objectif de la mission est effectivement de le poser lui aussi en douceur sur la surface poussiéreuse et rouillée de Mars. Ce n'est qu'une fois que ses trois pieds coniques seront solidement plantés dans la poussière, au terme d'une longue étape de déploiement, que l'atterrissage proprement dit sera réellement terminé.

Dernière mise à jour : 11 novembre 2018

Le site d'atterrissage

Destination finale : la plaine d'Elysium

Sur Mars, la sélection d'un site d'atterrissage obéit à deux contraintes principales. La première est d'ordre technique, et intéresse principalement les ingénieurs, dont l'objectif est de parvenir à tout prix à poser au sol la sonde dont ils sont responsables en un seul morceau. La seconde est d'ordre scientifique, et parle surtout aux scientifiques impliqués dans la mission. Pour eux, l'idéal est d'atterrir dans un endroit où les expérimentations scientifiques pourront avoir lieu dans de bonnes conditions, et où le potentiel de découverte est maximal.

Carte de Mars montrant les sites d'atterrissage des principales sondes martiennes (© NASA)Carte de Mars montrant les sites d'atterrissage des principales sondes martiennes (© NASA)

Contraintes d'ingénierie

En ce qui les concerne, les ingénieurs sont particulièrement intéressés par un ensemble de facteurs capables de diminuer le niveau de risque lors de l'atterrissage. L'atmosphère étant mise à profit pour ralentir la sonde lors de sa descente, un site situé à basse altitude est préférable à un site situé en hauteur. Pour bénéficier de la couche d'air la plus épaisse possible, les ingénieurs seront donc bien plus attirés par un bassin ou une plaine, plutôt que par le sommet d'un volcan. En surface, ils éviteront au maximum les pentes abruptes et glissantes, les sols jonchés de gros cailloux, les terrains accidentés, marqués par des crevasses ou des cratères d'impact.

Dans ce domaine, l'idéal est une surface naturelle aussi plate et dégagée qu'une place de parking. Une fois la sonde en place, il s'agit ensuite d'assurer sa survie dans un environnement martien hostile et exigeant. Les températures diurnes et nocturnes, ainsi que la qualité de l'ensoleillement sont de ce point de vue essentiels. Que le secteur soit monotone et ennuyeux d'un point de vue géologique, que les premiers affleurements rocheux intéressants soient hors de portée n'a pas la moindre importance pour les ingénieurs. Pour eux, il s'agit de poser la sonde, sachant que si l'atterrissage échoue, il ne pourra y avoir aucune activité scientifique. La sécurité avant tout, que ce soit pendant l'atterrissage ou après.

Contraintes scientifiques

Bien entendu, si la sonde, après un voyage de plusieurs centaines de millions de kilomètres dans l'espace, parvient à atteindre saine et sauf la surface de Mars, pour se retrouver dans un endroit décevant d'un point de vue scientifique, le jeu n'en vaut pas non plus la chandelle.

Les scientifiques bataillent donc fermement pour que les ingénieurs acceptent de prendre des risques, de façon à pouvoir avoir la chance de visiter les endroits les plus remarquables de la planète rouge.

Processus de sélection

Au vu de ce qui vient d'être dit, on comprend que la sélection d'un site d'atterrissage soit un processus long et complexe, au cours duquel ont lieu d'innombrables débats entre, d'un côté les ingénieurs, et de l'autre les scientifiques.

Le choix du site d'atterrissage de la sonde InSight a eu lieu en plusieurs étapes. En septembre 2010, le comité de sélection avait définitivement retenu la région  d'Elysium Planitia, et, une fois n'est pas coutume, toutes les zones cibles, identifiées par des ellipses, étaient dans ce secteur. Généralement, à ce stade peu avancé du processus de sélection, les ellipses sont disséminées un peu partout à la surface de Mars. Ici, ce ne fut pas le cas, ce qui reflète l'importance donnée aux contraintes d'ingénierie.

Contrairement aux précédentes sondes martiennes qui se sont posées sur Mars, depuis les sondes Viking en 1976 jusqu'au rover Curiosity en 2012, la sélection d'un site d'atterrissage pour InSight a été relativement simple. La principale raison tient au fait que cet atterrisseur est une station de mesures géophysiques, et que les scientifiques sont bien plus intéressés par ce qui se passe en profondeur, que par ce qui va se dérouler en surface.

Vue du site d'atterrissage d'InSight dans la plaine d'Elysium par la caméra HiRISE de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (© NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)Vue du site d'atterrissage d'InSight dans la plaine d'Elysium par la caméra HiRISE de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (zone centrale de l'ellipse d'incertitude). Le secteur d'Elysium est l'un des endroits les plus plats et les plus surs de la planète rouge. Cependant, les reliefs ne sont pas totalement absents. L'image ci-dessus montre un groupe de cratères d'impacts, dont certains pourraient être des retombées secondaires issus du cratère Corinto, situé au nord à environ 1000 kilomètres de là (© NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona)

Tout site plat et monotone faisait donc potentiellement l'affaire, pour la plus grande joie des ingénieurs. La consigne pour la sélection du site d'atterrissage d'InSight a donc été très simple : atterrir en sécurité.

Idéalement, si les géophysiciens avaient pu choisir en toute liberté, en s'affranchissant des contraintes liées à l'atterrissage, InSight aurait été envoyée dans le secteur de Mars que l'on estime le plus touché par les séismes, le dôme de Tharsis. Cet immense bombement de la croûte, qui supporte plusieurs volcans géants, semble avoir connu des phases d'intenses activités sismiques, mais son altitude est trop élevée pour permettre une descente sous parachute en toute sécurité.

En mai 2012, les sites potentiels étaient encore assez nombreux, autour de la vingtaine. En juillet 2013, les participants avaient réussi à se mettre d'accord sur une liste de finalistes comportant seulement 4 sites, et en janvier 2015, l'ellipse finale fut sélectionnée, ainsi qu'une zone de secours, au cas où le site retenu en première position se révèle finalement impraticable.

La plaine d'Elysium

Site d'atterrissage de la sonde InSight, avec l'ellipse d'incertitude (© NASA)Site d'atterrissage de la sonde InSight, avec l'ellipse d'incertitude (© NASA)

Le 26 novembre 2018, InSight va atterrir sur la plaine d'Elysium (Elysium Planitia), une région située à proximité de l'équateur, par 4° nord de latitude.

Elysium est un terme latin qui fait référence à l'Elysée, plaine de lumière de la mythologie grecque où les êtres humains étaient jugés après leur mort, et où les âmes vertueuses pouvaient résider et trouver enfin le repos. La prochaine fois que vous aurez l'occasion de marcher le long des Champs-Elysées à Paris, vous pourrez donc avoir une petite pensée pour Mars et InSight !

La surface du site, assez ancienne (âge hespérien, soit entre 4 et 3,5 milliard d'années), est plate et peu caillouteuse. Aucun relief ou pente escarpée capable de tromper le faisceau radar de l'altimètre de descente n'est présent.

La sonde devrait être capable de se poser bien droite sur ses pieds, sans risque de se retrouver penchée en équilibre instable, un patin sur un caillou. Les panneaux solaires en forme de pétales devraient pouvoir s'ouvrir sans rencontrer d'obstacles empêchant ou contrariant le déploiement. Les dépôts épais de poussière, sorte de sable mouvant où la sonde pourrait s'enfoncer, sont absents. La couche de poussière déposée à partir de l'atmosphère est effectivement très fine (moins d'un millimètre).

Le sol devrait parfaitement convenir pour la mission. La couche de régolite, terrain friable et concassé, est suffisamment épaisse et peu consolidé pour donner l'occasion au pénétrateur de l'instrument HP3 de s'enfoncer sans trop de difficulté.

Le site d'atterrissage d'InSight donnera peut-être l'occasion aux géologues d'étudier des rides de compression (wrinkle ridges) (© droits réservés)Le site d'atterrissage d'InSight donnera peut-être l'occasion aux géologues d'étudier des rides de compression (wrinkle ridges) (© droits réservés)

L'ensoleillement permettra aux panneaux solaires de fonctionner avec efficacité, tandis que la sonde bénéficiera aussi de températures relativement clémentes, en tout cas pour Mars. Enfin, l'altitude du site ainsi que la force des vents permettra au parachute de freiner correctement l'engin durant la descente, sans que celui-ci ne soit trop ballotté.

D'un point de vue sismique, la plaine d'Elysium est moins intéressante que le dôme de Tharsis, mais sa proximité avec le secteur accidenté qui sépare les hauts plateaux de l'hémisphère sud des basses plaines de l'hémisphère nord, la fameuse dichotomie martienne, lui confère toutefois un certain intérêt.

En surface, les géologues ont recensé quelques formations dont l'étude pourrait présenter un intérêt. On trouve ainsi des rides de compression, ainsi que des reliefs formés par l'activité hydrologique, éolienne et sédimentaire. Rappelons toutefois que l'objectif principal d'InSight est d'étudier les profondeurs de Mars, et non la géologie superficielle.

Ellipse d'incertitude

Quelque soit les progrès effectués dans l'exercice de haut vol qui consiste à poser une sonde robotique sur Mars, il existe toujours une certaine incertitude quant au lieu exact où les patins des engins toucheront la surface rouillée de la planète.

Cette incertitude est matérialisée dans le cas d'InSight par une ellipse, qui mesure 130 kilomètres de longueur pour 27 kilomètres de largeur, et couvre une superficie relativement importante. Cette ellipse représente la région où la sonde a 99% de chance de se poser.

Le centre de l'ellipse se situe précisément à 4° de latitude nord et 136° de longitude est. Le plus proche compagnon d'InSight sera le rover Curiosity, qui s'est posé à une longitude similaire, mais de l'autre côté de l'équateur, par 4,5° de latitude sud. Plus à l'est, à l'intérieur du cratère Gusev, se trouve le rover Spirit, dont la dernière transmission remonte au 22 mars 2010.

Reconnaissance orbitale

Le secteur d'atterrissage d'InSight a déjà été photographié à plusieurs reprises par la caméra espion embarquée sur le satellite américain Mars Reconnaissance Orbiter. Les images à haute résolution obtenues continuent pour l'instant d'être rassurantes.

L'étude des terrains à l'intérieur de l'ellipse se poursuivra néanmoins jusqu'au dernier moment, et si le moindre problème fait surface, le choix se portera alors sur un site de secours. La confirmation finale du site d'atterrissage d'InSight aura normalement lieu en novembre 2017.

Dernière mise à jour : 2 février 2018

Déploiement des instruments

Le sismomètre SEIS et le pénétrateur HP3 doivent être déposés au sol

Une fois posée saine et sauve sur les étendues monotones et poussiéreuses de la plaine d'Elysium, la sonde InSight va devoir s'atteler à une étape essentielle dans la déroulement de sa mission : celle consistant à déposer ses deux principaux instruments, le sismomètre SEIS et le capteur de flux thermique HP3 au sol.

Zone de dépose

La zone de déploiement des instruments SEIS et HP<sup>3</sup> mesure environ 3m<sup>2</sup> (© NASA)La zone de déploiement des instruments SEIS et HP3 mesure environ 3m2 (© NASA)Les limitations de déplacement du bras robotique IDA font que sismomètre et le capteur de flux thermique HP3 devront être positionnés au pied de l'atterrisseur, dans une zone en forme de croissant qui mesurera environ 3 mètres de longueur pour deux mètres de largueur. Le secteur qui autorise la dépose de l'instrument HP3 est sensiblement plus important en termes de superficie que celui attribué au sismomètre SEIS : 3,4 m2 pour le premier contre 3,1 m2 pour le second.

La zone de dépose des instruments sera photographiée en détail par les caméras techniques de la sonde InSight. Montée sur le bras, la caméra IDC est déplacée de manière à acquérir des images stéréo, qui se recouvriront à environ 80 % et assureront une couverture complète du sol. Le premier jeu de 8 images est pris avec le bras robotique au-dessus du pont de l'atterrisseur, de manière à s'assurer que la seconde prise de vue à un mètre au-dessus de la surface sera sûre. Ensuite, 24 images stéréo sont enregistrées, et serviront à produire un modèle numérique de terrain (DEM) avec une résolution presque centimétrique.

Toutes les phases du processus de dépose des instruments seront également photographiées : pré-positionnement du grappin, engagement du grappin, soulèvement de l'instrument, placement au sol, libération de la charge, etc.

Bac à sable

La totalité du processus de déploiement sera simulée sur Terre avant son exécution sur Mars, dans un bac à sable géant situé à l'intérieur d'un vaste hangar. A l'intérieur d'un enclos une maquette fonctionnelle de l'atterrisseur, équipée de caméras et d'un bras robotique en tout point similaire à la sonde réelle, sera installée. La maquette inclura également des instruments fictifs, mais identiques en terme de masse et de volume à ceux envoyés sur Mars.

Grâce aux images des caméras techniques et avec l'appui d'un modèle numérique de terrain, codage informatique en 3D du site d'atterrissage,  un terrain reproduisant dans ses moindres détails la surface martienne pourra être réalisé. Le bac à sable sera rempli d'un matériau rougeâtre simulant le sol concassé et pulvérulent que les spécialistes appellent régolite. Des roches de différentes tailles et formes seront alors ajoutées à l'ensemble. Contrairement à un jardin japonais, l'objectif visé ici ne sera pas esthétique. Il s'agira d'abord et avant tout de coller du mieux possible à la réalité !

Déploiement des instruments

Déploiement du sismomètre SEIS par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA)Déploiement du sismomètre SEIS par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA)Une fois que les quelques mètres carrés du site d'atterrissage d'Elysium auront été dupliqués sur Terre, les ingénieurs commenceront à effectuer des tests, qui aboutiront à la mise au point d'un jeu de commandes pour la première étape du processus de déploiement.

Une fois validées, les commandes seront envoyées vers Mars, charge à la sonde InSight de les exécuter. Etape par étape, ce processus sera répété, jusqu'à ce que les instruments soient correctement déployés au sol.

On l'a compris, hors de question pour l'équipe en charge du déploiement des instruments de travailler dans la précipitation. Un planning précis, rythmé en partie par les contraintes de la bande passante allouée aux télécommunications, a été mis au point. Après chaque étape du processus de déploiement, des vérifications, indispensables à la poursuite des opérations, seront effectuées. Les ingénieurs disposeront d'une marge confortable à chaque point clé, ainsi qu'à la fin du processus de déploiement, pour pouvoir faire face aux aléas inévitables à ce genre d'activité.

La phase critique des opérations de déploiement est découpée en six parties, et pourra s'étendre jusqu'à deux mois après l'atterrissage (dont 20 sols de marge). Durant cette période, les équipes seront sur le pont en permanence, et ce contrairement à la phase de mesures scientifique, où la sonde fonctionnera presque entièrement de façon autonome. Le cadencement des opérations est donné ci-dessous :

  • Sols 0 - 5 : initialisation de l'atterrisseur et préparation du déploiement des instruments.

  • Sols 6 - 18 : caractérisation de l'espace disponible pour le positionnement des instruments par les caméras et sélection des sites potentiels de dépose les plus intéressants.

  • Sol 7 (science) : début de l'acquisition des données RISE (géodésie).

  • Sols 19 - 31 : déploiement du sismomètre SEIS (voir détail ci-dessous). Début des mesures en mode ingénierie.

  • Sols 32 - 43 : déploiement du bouclier thermique et éolien WTS sur le sismomètre. Début des mesures scientifiques (monitoring) de SEIS à partir du sol 40.

  • Sols 44 - 58 : déploiement du capteur de flux thermique HP3. Devenu inutile, le bras robotique est parqué en position de repos sur l'atterrisseur.

  • Sols 59 - 69 : début des opérations de forage avec le pénétrateur HP3.

Déploiement de SEIS

Déploiement du bouclier de protection thermique et éolien WTS par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA)Déploiement du bouclier de protection thermique et éolien WTS par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA)Le sismomètre SEIS sera déposé de façon prioritaire. La rigidité du câble assurant les communications ainsi que l'alimentation en énergie empêchera de placer l'instrument dans certains secteurs de la zone de dépose.

En cas d'incident, il sera éventuellement possible de soulever à nouveau le sismomètre pour le repositionner un peu plus loin, mais certains mouvements seront proscrits, comme un retour en arrière, là aussi à cause du comportement du câble.

Une fois que le sismomètre reposera sur la surface martienne, bien ancré sur les trois pieds de son berceau de nivellement, la seconde étape consistera à le recouvrir du bouclier thermique et éolien (WTS), qui n'est autre qu'un imposant couvercle de protection. Les ingénieurs devront prendre garde à laisser un intervalle d'au moins 6 centimètres entre la paroi extérieure du sismomètre et le bord intérieur du WTS.

Viendra ensuite le tour du capteur de flux thermique HP3, qui, sans doute pour le remercier d'avoir ainsi patienté, sera autorisé à débuter les opérations de pénétration dans le sol martien juste après sa dépose à la surface de Mars.

Mise en marche du sismomètre SEIS

Déploiement du capteur de flux thermique HP<sup>3</sup> par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA)Déploiement du capteur de flux thermique HP3 par le bras robotique de la sonde InSight (© NASA).

La mise en service du sismomètre SEIS aura lieu en plusieurs étapes, dont le séquençage est présenté ci-dessous.

Dans un premier temps, SEIS sera posé au sol sans que le grappin ne soit retiré. Des mesures préliminaires seront alors effectuées dans cette configuration. Si la situation ne convient pas, le sismomètre pourra aisément être déplacé ailleurs, sans nécessité pour les ingénieurs d'avoir à se livrer à l'exercice délicat qui consiste à tenter d'attraper la poignée de transport de l'instrument avec le grappin du bras.

Le déploiement d'un sismomètre à la surface d'une autre planète est un défi qui ne doit pas être pris à la légère. Ici, SEIS doit absolument pouvoir être déposé sur une surface dont l'inclinaison est inférieure à 15°. Celle-ci doit également être plate, sans rochers, et capable de supporter le poids du sismomètre et de son lourd bouclier de protection thermique et éolien (WTS). Enfin, le couplage sismique, c'est à dire la qualité du contact entre le sol et les pieds du sismomètre, doit être excellent.

Jusqu'à présent, les seuls instruments déposés directement à la surface d'un autre astre que la Terre, la Lune, ont bénéficié de l'aide inestimable de la main de l'homme, et aucun n'a jamais été déployé par l'intermédiaire d'un robot. Il en est de même des rovers martiens, qui n'ont jamais réalisés de telles opérations, même s'ils ont parfois approchés des capteurs montés sur des bras robotiques près de roches ou du sol.

Une fois le sismomètre SEIS en contact avec le sol, le système de nivellement est activé pour aligner le sismomètre avec l'horizontal, et ce avec une précision de 0,3°. A l'intérieur de la sphère, les pendules très large bande sont alors recentrés grâce au dispositif d'équilibrage. Pour le lancement, le moteur de recentrage des pendules est placé dans sa position de stockage, avec la masselotte mobile située près de la butée en position haute. Une fois sur Mars, la masselotte est déplacée pour centrer précisément les pendules et trouver le juste équilibre entre la gravité martienne et la force de rappel exercée par le ressort des pendules. Une fois centrés, ceux-ci peuvent alors être calibrés.

La sonde InSight avec les instruments SEIS et HP<sup>3</sup> au sol (© NASA)La sonde InSight avec les instruments SEIS et HP3 au sol (© NASA)Pour vérifier la qualité du couplage et confirmer le choix du site de dépose, des mesures sont effectuées en mode ingénierie pendant une journée martienne (un sol). Le mode ingénierie est assez résistant aux variations de température (qui à ce stade ne sont pas encore corrigées), mais il n'offre pas des performances suffisantes pour conduire des mesures scientifiques. Dans ce mode, le sismomètre ne peut pas non plus subir une saturation, c'est à dire être submergé par l'ampleur des signaux enregistrés, ce qui est un avantage.

Si les données recueillies durant la première journée ne donnent pas satisfaction, le sismomètre, toujours accroché au grappin, est déplacé. Sinon, le bras robotique libère l'instrument, permettant ainsi la dépose du bouclier de protection thermique et éolien WTS.

Dans cette configuration, le dispositif de compensation thermique qui équipe chaque pendule (TCDM) peut alors être mis en action. Au lancement, le TCDM est aligné avec la verticale, position dans laquelle il n'a aucune action sur le pendule. Maintenant que le sismomètre est sur Mars, il faut modifier sa position pour amortir du mieux possible les variations de température.

En mode ingénierie, avec le TCDM en position verticale (0°), on observe les variations de température pendant une journée. Celles-ci prennent la forme d'une sinusoïde au niveau du signal sismique.

La journée suivante, le TCDM est tourné à 90°, position dans laquelle son efficacité est maximale. L'objectif est d'avoir une réduction efficace (par exemple d'un facteur 10), des effets des variations de la température. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, l'efficacité du TCDM ne dépend pas de l'amplitude des variations, mais de la valeur de la température moyenne. Il est toutefois possible que l'amortissement produit par le TCDM soit trop important.

Les jours suivants, une rotation du TCDM à un angle donné est éventuellement effectuée pour optimiser son fonctionnement par rapport a ce qui a été observé sur Mars au cours des journées précédentes.

Le sismomètre restera en mode ingénierie jusqu'au réglage final du TCDM. Ensuite, il sera basculé en mode scientifique. Ce mode, qui n'est pas compatible avec de fortes variations de température (qui sont maintenant compensées), est moins robuste que le mode ingénierie, et il présente un risque de saturation des capteurs dans certaines conditions. Cependant, il délivre un niveau de performances qui permet des mesures ayant la qualité attendue par la communauté scientifique internationale.

Dernière mise à jour : 7 août 2017

Le futur de la sismologie martienne

Sismomètres connectés en réseaux, pénétrateurs et capteurs optiques

Une science de réseau

Vue d'artiste de la rentrée atmosphérique des capsules NetLander (© CNES/david Ducros)Vue d'artiste de la rentrée atmosphérique des capsules NetLander (© CNES/David Ducros). La mission InSight a pour objectif de déposer un sismomètre sur la planète Mars. Si l'installation de l'instrument, très importante pour acquérir des données de qualité, a été particulièrement étudiée, depuis la dépose par un bras robotique jusqu'à la mise en place du bouclier de protection thermique et éolien WTS, en passant par une mise à niveau par l'intermédiaire d'un berceau motorisé, il n'en reste pas moins que SEIS va devoir travailler seul, ce qui n'est pas très agréable pour un sismomètre.

Il y a 40 ans, lorsque les scientifiques ont tenté au travers de la mission Viking de sonder les profondeurs de la planète Mars, les sismomètres étaient déjà au nombre de deux. Un couple d'appareils avaient également été placés dans les capsules autonomes de la mission russe Mars 96, qui n'est hélas pas parvenue à quitter l'orbite terrestre.

En sismologie, deux c'est mieux qu'un, mais le véritable objectif des géophysiciens apparaît clairement quand on regarde les projets sur lesquels ces derniers ont travaillé et rêvé : la mission NetLander aurait par exemple dû déployer 4 stations d'écoute, et l'ambitieux projet MESUR comportait le largage de pas moins de 16 sismomètres sur la totalité du globe martien, sans compter 4 stations supplémentaires qui auraient pu être apportées par l'Europe.

Les pénétrateurs Deep Space 2 de la mission Mars Surveyor 98 (© NASA/JPL).Les pénétrateurs Deep Space 2 de la mission Mars Surveyor 98 (© NASA/JPL).

On le voit, le désir des géophysiciens est d'enserrer le globe martien dans un réseau serré de stations d'écoute, disséminées sur toute la planète, pour constituer un équivalent, certes bien plus modeste, au réseau sismologique mondial terrestre, qui compte plusieurs dizaines de milliers de stations.

Jusqu'à présent, les projets qui consistaient à déployer un réseau de sismomètres planétaires ont tous été annulés à différents stades, principalement pour des questions de coût, mais également parce qu'en ce qui concerne la planète Mars, les investigations géophysiques n'ont pas reçues la priorité voulue, et ont dû plier l'échine devant les activités exobiologiques, destinées à rechercher des traces de vie, passées ou présentes. L'exploration de la planète rouge est en effet principalement motivée par la quête lancinante des origines de la vie.

Un challenge immense attend donc la mission InSight : non seulement celui d'effectuer les premières véritables mesures sismiques sur Mars, et aussi celui de sonder les profondeurs de Mars, depuis la croûte jusqu'au noyau. C'est une étape essentielle pour comprendre l'origine et l'évolution des planètes rocheuses de notre système solaire, et elle mérite à ce titre autant d'égards que les autres axes de recherche.

Malgré les nombreuses techniques que les géophysiciens vont déployer pour tirer le maximum du sismomètre unique d'InSight, SEIS sera inévitablement, à un moment donné, confronté à des limitations. C'est pourquoi les scientifiques et ingénieurs continuent d'étudier des projets qui consisteraient à déposer non pas un, mais de multiples sismomètres sur Mars. En montrant la voie, InSight devrait marquer le point de départ d'un renouveau dans l'étude géophysique de la planète rouge. En 2021, une seconde station sismique, embarquée dans l'atterrisseur Russe de la mission ExoMARS 2020, accompagnera le sismomètre SEIS d'InSight, et ce même si son installation ne sera pas forcément aussi optimale. Plus que jamais, l'avenir de la sismologie martienne, c'est le réseau.

De l'intérêt des pénétrateurs

Les pénétrateurs de la mission Mars 96 (© CNES/David Ducros)Les pénétrateurs de la mission Mars 96 (© CNES/David Ducros).

Dans les projets passés de missions en réseau, les sismomètres étaient généralement déployés au sol grâce à des petites capsules, qui embarquaient éventuellement d'autres instruments de géophysique, ainsi que l'indispensable station météorologique. C'est ainsi que la plateforme tétraédrique munie d'airbag qui a déposé le petit rover Sojourner sur Mars en juillet 1997 était à la base conçue pour disséminer des sismomètres dans le cadre de la mission MESUR. Bien qu'étant autonomes, à la fois d'un point de vue électrique et télécom, ces stations au sol ne sont cependant pas idéales pour placer un sismomètre au sol.

Effectivement, la qualité des signaux acquis par un sismomètre dépend entre autre de la manière dont l'installation a été effectuée, et de la qualité du couplage de l'instrument avec le sol. Une installation bancale, un couplage inadéquat, et le sismomètre peut se retrouver incapable de sentir correctement les mouvements sismiques du sol.

C'est pourquoi les géophysiciens ont souvent les yeux tournés vers une autre manière de déployer des sismomètres : des pénétrateurs. Un pénétrateur est une sorte de fléchette sophistiquée, généralement bardé d'instruments miniaturisés, qui est largué par un vaisseau mère depuis l'orbite, et dont l'objectif est d'aller s'enficher dans la surface rocheuse d'une planète.

Le pénétrateur de Mars 96 (© David Ducros)Un écorché du pénétrateur de Mars 96 enfiché dans le sol martien (© David Ducros).

La mission russe Mars 96, en plus des capsules dont nous avons déjà parlé, embarquaient également deux pénétrateurs, qui comportaient, en plus de différents instruments retenus pour étudier les propriétés mécaniques, magnétiques et chimiques du sol, un sismomètre courte période. Ceux-ci n'ont cependant malheureusement jamais quitté l'orbite terrestre et ont terminé, comme le reste de la mission, dans le Pacifique.

En 1998, la NASA avait également lancé vers Mars deux pénétrateurs. Baptisés Deep Space 2, ils avaient voyagé à bord de la sonde Mars Polar Lander, qui devait rallier le pôle sud de la planète rouge pour y conduire diverses investigations. Les pénétrateurs Deep Space 2 ne comportaient pas de sismomètres, et servaient principalement de démonstrateurs technologiques, pour valider cette méthode novatrice qui consiste à s'enfoncer à grande vitesse dans la surface de Mars, et non pas à se poser en douceur.

Hélas, les deux pénétrateurs Deep Space 2 ont disparu sans laisser de trace le 3 décembre 1999 lors de l'atterrissage, en même temps que leur vaisseau porteur, Mars Polar Lander. Aucune trace n'a jamais été retrouvée en surface, et encore aujourd'hui, nous ignorons ce qui les a frappés dans leur course vers Mars.

Malgré les échecs liés à ces premières tentatives, les pénétrateurs restent des dispositifs particulièrement prometteurs pour l'étude géophysique de la planète rouge. Ces sondes sont généralement conçues sur le même schéma : elles comportent deux parties, reliées l'une à l'autre par un ombilic flexible d'interconnexion.

Au moment du choc avec le sol, la partie supérieure, plus large, reste en contact avec la surface, tandis que la partie inférieure, plus étroite et pointue, se désolidarise pour s'enfoncer dans le sous-sol en déroulant derrière elle l'ombilic. La partie supérieure dispose d'une antenne radio pour les communications, et l'alimentation en énergie est assurée par une batterie, ou mieux, un générateur thermoélectrique radio-isotopique (l'énergie est alors fournie par la décomposition radioactive d'une petite pastille de matériel radioactif).

Il est fort probable que la première mission martienne géophysique de réseau déploie non pas des capsules ou des atterrisseurs miniatures, mais des pénétrateurs dotés de sismomètres ultra-sensibles, miniaturisés et à large bande. Installés dans la partie inférieure du pénétrateur, ils bénéficieront d'un excellent couplage avec le sol, et d'une protection relative contre les éléments perturbateurs de Mars, en particulier l'atmosphère. Si la profondeur de pénétration est suffisante, ils pourraient également se retrouver à l'abri des énormes variations de température de surface, qui compliquent fortement la collecte des signaux sismiques à longue période.

Une sensibilité bluffante

L'une des autres pistes suivies par les géophysiciens planétaires concerne l'amélioration de la sensibilité des sismomètres, en plus du travail réalisé sur la miniaturisation (réduction du poids, du volume et de la consommation électrique). Le sismomètre de la sonde InSight, SEIS, est déjà incroyablement sensible : il peut effectivement mesurer des déplacements du sol plus petits que les dimensions de l'atome d'hydrogène.

Si elle laisse rêveur, cette prouesse technologique n'est qu'une première étape sur la feuille de route des géophysiciens. Ceux-ci travaillent déjà en laboratoire sur des concepts et prototypes d'appareils encore plus sensibles. Contrairement à SEIS, qui utilise des électrodes pour mesurer les déplacements de la partie mobile du pendule, cette nouvelle génération de sismomètre s'appuierait sur des capteurs optiques interférométriques, similaires à ceux mis au point pour l'instrument terrestre Virgo ou la mission spatiale eLISA.

Les trois sondes de la mission spatiale eLISA (© ESA)Les trois sondes de la mission spatiale eLISA (© ESA).

eLISA

Prévue pour la période 2030-2040, eLISA va consister à déployer dans l'espace un gigantesque interféromètre optique, composé d'une constellation de trois satellites reliés les uns aux autres par un faisceau laser.

Situés à 1 million de kilomètres de distance l'un de l'autre, les satellites formeront les sommets d'un triangle dont les côtés seront symbolisés par les lasers, et qui vont permettre de contrôler à tout instant avec une précision incroyable la distance entre les trois satellites.

L'objectif de cet assemblage gigantesque est de tendre un piège aux ondes gravitationnelles. Lorsque ces rides qui déforment le tissu de l'espace temps viendront frapper eLISA, elles déplaceront de manière presque infime les satellites. Comme ces derniers vérifient en permanence leur position les uns par rapport aux autres, la modification de distance induite par le passage de l'onde, bien qu'infime, sera néanmoins détectée et mesurée.

Pour tester et valider les technologies qui seront nécessaire à eLISA, l'agence spatiale européenne a donc mis sur pied une mission précurseur, LISA Pathfinder.

Le démonstrateur technologique LISA Pathfinder, qui a effectué avec succès sa mission entre le mois de décembre 2015 et le mois de juillet 2017, abrite en son sein deux cubes métalliques, qui flottent librement dans une enceinte sans aucun contact avec le reste du satellite, et dont la position est en permanence mesurée par un interféromètre laser. Comme une bouée ballottée par le ressac, les deux cubes (que l'on appelle masse d'épreuve) vont osciller sous le passage des ondes gravitationnelles. Cependant, pour que ces fluctuations infimes puissent être détectées, il est impératif que toutes les sources possibles de perturbations soient correctement annulées ou contrecarrées.

Vue d'artiste de la sonde LISA Pathfinder (© ESA)Vue d'artiste de la sonde LISA Pathfinder (© ESA/C. Carreau).

Lancée avec succès le 3 décembre 2015, LISA Pathfinder a été envoyée en direction du point de Lagrange L1, une zone de l'espace située à 1,5 million de kilomètres de notre planète où les influences gravitationnelles du Soleil et de la Terre s'annulent. La tranquillité qui règne à cet endroit est clairement un avantage pour les mesures que doit conduire LISA Pathfinder, mais elle n'est pas encore suffisante, car d'autres forces rentrent en jeu.

C'est le cas de la pression solaire, qui va s'exercer sur la sonde et provoquer son déplacement. Pour contrebalancer la poussée des photons émanant de notre étoile, LISA Pathfinder est équipé de moteurs ioniques miniatures, qui vont permettre de contrôler la position du satellite à quelques nanomètres près.

Enfin, le satellite lui-même va perturber les cubes, d'un point de vue magnétique, électrique ou gravitationnel, et tout a été fait pour minimiser ou annuler ces forces internes, de manière à ce que les déplacements des masses d'épreuves ne reflètent que le passage des ondes gravitationnelles, et rien d'autre. Pour se faire, l'interféromètre laser qui surveille les cubes doit pouvoir déceler des mouvements extrêmement petits de l'ordre du picomètre (soit 1 / 1 000 000 000 000e de mètre).

Toutes les technologies nécessaires pour la mission LISA Pathfinder intéressent au plus haut point les géophysiciens planétaires, car un sismomètre capable de suivre les mouvements de la partie mobile (la masse d'épreuve) via un dispositif interférométrique permettrait d'atteindre des niveaux de sensibilité hors de portée des instruments actuels.

Pour suivre le déplacement du sol, le sismomètre d'InSight SEIS utilise un capteur électronique qui mesure la capacité électrique entre deux paires d'électrodes, l'une étant monté sur la partie fixe, l'autre étant fixé sur la partie mobile. La sensibilité offerte par un tel dispositif permet déjà de mesurer des mouvements de l'ordre de l'angström, soit 1 dixième de milliardième de mètre aux longues périodes.

Avec un capteur optique, des mesures cent fois plus précises pourraient avoir lieu, ce qui ouvrirait des perspectives entièrement nouvelles dans le domaine de la géophysique planétaire.

Sur Mars, les géophysiciens seraient en mesure de sentir les oscillations très subtiles de la planète, lorsque celle-ci se met à résonner suite à une excitation provoquée par un séisme, un impact de météorites ou même la circulation de l'atmosphère. Sur la Lune, ces sismomètres permettraient de détecter des signaux sismiques "exotiques", comme ceux générés par l'impact de noyaux atomiques massifs, voire les oscillations provoquées par le passage d'ondes gravitationnelles.

En décembre 1972, la mission Apollo 17 avait d'ailleurs tenté de détecter de telles ondes grâce à un gravimètre, mais la technologie disponible à l'époque n'avait pas permis d'effectuer les mesures souhaitées. Les ondes gravitationnelles furent finalement détectées 40 années plus tard, en février 2016, grâce à deux observatoires terrestres.

Dernière mise à jour : 7 août 2017

Lancement

Départ depuis Vandenberg, une première pour une sonde martienne

Une fois n'est pas coutume, la sonde InSight décollera depuis le centre de lancement de Vandenberg en Californie. Cette base militaire, qui appartient à l'Air Force, n'a pas pour habitude de servir de point de départ à des sondes martiennes, qui sont plutôt lancées depuis le centre spatial de Cap Canaveral en Floride. Là bas, les engins sont tirés en direction de l'est, dans le sens de la rotation de la Terre, pour bénéficier d'un effet de fronde.

Contrairement à Vandenberg où les lancements vers l'est sont prohibés à cause de la présence de zones habitées, le spatioport de Cap Canaveral permet de tirer dans cette direction, et donc d'augmenter la vitesse de départ des sondes spatiales. La sonde InSight n'a pas besoin du supplément de poussée offert par la rotation de la Terre à cause de la puissance du lanceur Atlas V utilisé, d'où la décision de procéder au lancement depuis Vandenberg.

Base militaire depuis sa construction en 1941, Vandenberg sert entre autre de point de départ à des missiles balistiques logés dans de nombreux silos. Cependant, la zone autour des pas de tir étant totalement dégagée vers le sud, elle permet également de lancer des satellites, militaires ou civils, sur des orbites polaires terrestres. Vandenberg avait également été entièrement équipée pour lancer la navette spatiale américaine, mais les infrastructures spécifiques mises en place n'ont finalement jamais servi.

Bases spatiales de Vandenberg et Cap Canaveral (© droits réservés)Bases spatiales de Vandenberg et Cap Canaveral (© droits réservés).

Dernière mise à jour : 7 août 2017

Les autres instruments

La sonde InSight est un observatoire de géophysique complet

Outre son sismomètre SEIS, InSight dispose d'une station météo (APSS) entièrement équipée (capteurs de température, capteurs de vent) ainsi que de trois capteurs qui seront pour la première fois installés sur Mars : le capteur de flux thermique HP3, un magnétomètre (FluxGate), et un baromètre ultra-sensible pouvant détecter des infrasons. Pour couronner le tout, le système de télécommunication sera mis à profit pour suivre très précisément la rotation de la planète et les perturbations générées sur cette dernière par le noyau liquide.

  • Un pénétrateur pour mesurer le flux thermique

    L'expérimentation HP3 (prononcer HP cube) a pour objectif de mesurer le flux de chaleur qui s'échappe aujourd'hui de l'intérieur de la planète Mars. Proposée par l'Institut de Planétologie de Berlin de l'agence spatiale allemande, elle consiste à pénétrer le sol martien sur une profondeur de 5 mètres grâce à une taupe mécanique autopropulsée, et à mesurer les variations de température avec la profondeur. Comme le sismomètre SEIS, HP3 sera déposé au sol par le bras robotique IDA de l'atterrisseur InSight.

    L'instrument HP<sup>3</sup>, avec de gauche à droite le pénétrateur, le caisson principal déployable et enfin le câble scientifique (© DLR/HP<sup>3</sup> Team)L'instrument HP3, avec de gauche à droite le pénétrateur, le caisson principal déployable et enfin le câble technique (© DLR/HP3 Team)

    Une planète qui se refroidit

    Les planètes telluriques du système solaire, qui possèdent une surface solide, sont toutes des sphères chaudes qui, lentement mais inéluctablement, se refroidissent au contact du vide spatial. En plus de l'énergie thermique acquise lors de leur formation, la majorité de la chaleur interne des petites planètes est produite par la décomposition d'atomes radioactifs, essentiellement le thorium ou l'uranium, mais aussi le potassium.

    Comme en témoignent le déplacement des continents, les éruptions volcaniques et les tremblements de terre, la planète Terre a gardé une grande vigueur géologique, en dépit de son âge déjà honorable. Née au même moment, il y a 4,5 milliard d'années, Mars a connu un destin bien différent. Sur la planète rouge, le mécanisme de tectonique de plaques, qui découpe la croûte rocheuse en plaques mobiles, ne semble pas s'être initié. Si les impressionnants cônes volcaniques que l'on peut observer à la surface de la planète rouge sont la preuve d'un passé agité, aucune bouche n'est active aujourd'hui : les derniers lacs de lave nichés dans la caldera des grands volcans semblent avoir quelques centaines de millions d'années, et les plus récentes, et très rares, coulées de lave sont datées à moins de 10 millions d'années.

    Pour aider à l'interprétation des données de HP<sup>3</sup>, des simulations numériques 3-D sont effectuées sur Terre (© Ana Plesa/DLR).Pour aider à l'interprétation des données de HP3, des simulations numériques du refroidissement de la planète Mars en 3-D sont effectuées sur Terre (© Ana Plesa/DLR).

    Enfin, le champ magnétique, autrefois global, n'est plus que l'ombre de lui-même. Il aurait disparu depuis au moins 3 milliards d'années, et seules des traces de son existence subsistent encore dans la croûte la plus ancienne de la planète. Contrairement à la Terre, Mars semble avoir perdu une grande partie de sa chaleur interne. La planète n'est-elle plus qu'une sphère froide, ou possède-t-elle encore quelque part dans ses profondeurs des réservoirs de roches proches de la fusion, ultime trace du fonctionnement d'un moteur planétaire autrefois puissant, et désormais à bout de souffle ? La détermination du budget énergétique de Mars est un objectif prioritaire pour les planétologues, et c'est là qu'intervient HP3.

    HP3

    Pour mesurer le flux thermique actuel de la planète Mars, c'est à dire la quantité de chaleur qui continue de s'échapper de sa surface pour s'évanouir dans le froid de l'espace, la sonde InSight transporte avec elle un instrument original. Baptisé HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package), ce dernier n'est autre qu'un thermomètre très sophistiqué. Pesant environ 3 kilogrammes, HP3 est composé de plusieurs sous-systèmes :

    • Une structure métallique de support de 36 centimètres de longueur, reposant sur 4 pieds de 10 centimètres de diamètre, qui renferme la taupe ainsi que les deux cordons, rangés dans deux compartiments.

    • Une taupe capable de s'enfoncer d'elle-même dans le sol. Cette dernière possède :

      • Un dispositif électromécanique de percussion qui assure une pénétration par à-coup.

      • Un capteur d'inclinaison (STATIL), qui permettra de connaître la déviation de la taupe par rapport à la verticale durant les opérations de forage, et qui est protégé des chocs inévitables dus au mécanisme de percussion.

      • Une gaine chauffante (TEM-A) équipée de capteurs de température, qui permettra de déterminer la conductivité thermique du sol.

    • Un câble technique d'une longueur de 3 mètres, qui relie l'instrument au boîtier électronique, rangé confortablement au chaud dans un compartiment isolé thermiquement au sein de l'atterrisseur InSight.

    • Un câble scientifique de 5 mètres de long, qui connecte la taupe à la structure de support, et dont le rôle est d'acheminer à la fois l'électricité et les données. Un ensemble de quatorze capteurs de température passifs sont également soudés à intervalles réguliers sur le cordon. Enfin, des marqueurs sont positionnés de part et d'autre de l'ombilic pour permettre de suivre sa profondeur de pénétration grâce à un dispositif optique et électrique (TLM, Tether Length Monitor). La largeur de l'ombilic scientifique, 35 millimètres, est légèrement supérieure à celle du puits de forage de la taupe, ceci pour lui permettre d'épouser les parois et d'assurer un contact satisfaisant des capteurs de température avec le sol.

    • Un boîtier électronique, situé à l'intérieur de l'atterrisseur, au niveau d'un compartiment isolé de la rigueur du climat martien.

    La taupe de l'expérimentation HP<sup>3</sup> (© Max Planck Institute/DLR)La taupe de l'expérimentation HP3 (© Max Planck Institute/DLR)

    Déploiement

    Une fois la sonde InSight posée sur la plaine d'Elysium, l'instrument HP3, initialement fixé sur le pont de l'atterrisseur, sera soulevé par le bras robotique IDA IDA puis déposé à la surface de Mars, à un endroit spécifiquement choisi par les scientifiques comme convenant aux opérations de forage. Durant la manœuvre de déploiement, le câble technique se dévidera derrière l'instrument, qui restera donc connecté à l'atterrisseur InSight. Les opérations de dépose d'HP3 à la surface de Mars devraient commencer au cours du sol (journée martienne) n°44 après l'atterrissage et s'étaler jusqu'au sol 58. L'enfoncement proprement dit de la taupe dans le sol pourra alors ensuite débuter. L'instrument HP<sup>3</sup> (© DLR/HP<sup>3</sup> Team)L'instrument HP3 sera posé au sol par le bras robotique d'InSight une fois le sismomètre SEIS correctement déployé. La profondeur maximale de pénétration de la taupe, qui tire derrière elle un câble équipé de capteurs de température, est de 5 mètres (© DLR/HP3 Team)

    La profondeur maximale de pénétration d'HP3 est de 5 mètres. Théoriquement, il serait possible de tenter d'atteindre ce niveau en quelques heures, mais les ingénieurs et scientifiques vont en réalité travailler étape par étape et avancer avec une grande prudence, de manière à diminuer le plus possible les risques durant la phase cruciale du forage, et à maximiser la collecte des données scientifiques.

    La taupe sera programmée pour pénétrer le sol martien sur une profondeur de 50 centimètres avant de s'arrêter. Une pause de 48 heures sera alors effectuée pour permettre à la chaleur provoquée par la friction entre la taupe et le sol de se dégager. Des mesures de conductivité thermique auront alors lieu pendant sur une journée, avant que le forage ne puisse reprendre. A ce rythme, et dans des conditions idéales, si tout se déroule comme prévu, la limite de profondeur de 5 mètres sera normalement atteinte au bout d'un mois d'opération.

    Bien entendu, rien ne garanti que la taupe parvienne à s'enfoncer aussi loin sous la surface de Mars. Comme le savent tous ceux qui un jour ont essayé de planter des sardines avec un marteau pour dresser une toile de tente, le sol peut souvent se révéler récalcitrant. Le site d'atterrissage de la sonde InSight sur la vaste plaine d'Elysium a été choisi avec beaucoup de soin par les planétologues. De l'imagerie à haute résolution, mais également des mesures d'inertie thermique (capacité d'une surface à se refroidir plus ou moins vite) et des sondes radar ont permis de sélectionner une région ou la surface n'est ni trop meuble (pour éviter un enfoncement trop important de la sonde et des instruments) ni trop dur (ce qui empêcherait alors la pénétration d'HP3). Reste que si la progression de la taupe, pour quelques raisons que ce soit, devient très difficile, les opérations de forage seront arrêtées.

    La taupe, similaire à celle qui équipait la petite capsule britannique Beagle 2 perdue lors de son atterrissage durant la période de Noël 2003, est sans nul doute au cœur de l'instrument HP3. C'est de sa capacité à pouvoir s'enfoncer dans le sous-sol de Mars que va dépendre les retombées scientifiques de cette expérimentation. Plus la profondeur atteinte par la taupe sera importante, plus le temps de mesure nécessaire pour remplir les objectifs scientifiques assignés par la NASA sera court. La taupe d'HP<sup>3</sup> mesure environ 16 centimètres de longueur (© DLR/HP<sup>3</sup> Team)La taupe d'HP3 mesure environ 16 centimètres de longueur (© DLR/HP3 Team)

    Pour s'enfoncer dans le sol, la taupe d'HP3, qui ressemble à un stylo à bout pointu, ne va pas utiliser une vis sans fin rotative (tarière), mais un ingénieux dispositif de percussion. Une masselotte métallique, propulsée vers l'avant par un champ magnétique généré par une bobine, est ensuite ramenée en position de frappe par un ressort, et le cycle recommence. A chaque coup vers l'avant, la taupe enfoncera un peu plus son museau dans le régolite martien. Les vibrations liées aux opérations de pénétration seront bien entendues mesurées avec attention par le sismomètre SEIS, qui sera alors à l'écoute.

    En plus de son mécanisme de percussion, la taupe d'HP3 dispose d'un inclinomètre (STATIL) sensible aux changements de direction par rapport à l'horizontale. Combiné avec le dispositif de mesure de longueur du câble (Tether Length Monitor, ou TLM), l'inclinomètre va permettre de déterminer de façon absolue la profondeur de la taupe, une donnée indispensable à l'établissement des profils de température du sol. Le TLM est un capteur optique et électrique capable de compter le passage de marqueurs positionnés de part et d'autre du câble scientifique. La taupe est enfin recouverte d'une gaine chauffante (TEM-A), qui dispose de ses propres capteurs de température.

    Pour être complet, mentionnons le fait que l'expérimentation HP3 inclut un radiomètre, monté sous la plateforme de l'atterrisseur, et dirigé vers une parcelle de la surface non obstrué par les instruments déposés au sol, ou située à l'ombre de la sonde. Contrairement à ce que son nom pourrait laisser croire, le rôle de ce capteur n'est pas de mesurer les radiations qui frappent la croûte martienne, mais plus simplement le flux thermique (rayonnement infrarouge) émanant de la surface, et dont dépend sa température (les spécialistes parlent ici de température de brillance).

    Le radiomètre de l'expérimentation HP<sup>3</sup> (© NASA)Le radiomètre de l'expérimentation HP3 (© NASA)

    Premières mesures de flux thermique depuis les missions lunaires Apollo

    L'expérience HP3 va permettre d'effectuer les premières mesures de flux thermique sur une planète autre que la Terre. Pour l'instant, les seules données extraterrestres de flux thermique à notre disposition ont été obtenues sur la Lune, lors des missions Apollo 15 et Apollo 17 (les astronautes américains avaient alors manuellement utilisés des tarières pour forer la surface et pouvoir placer des sondes de température dans le sous-sol).

    En étudiant la facilité avec laquelle la vague de chaleur émanant de la gaine chauffante de la taupe va se propager dans le sol martien, les scientifiques pourront déterminer la conductivité thermique du régolite, c'est à dire la capacité plus ou moins grande du sol martien à conduire la chaleur. Les mesures devraient pouvoir s'effectuer avec une bonne précision, et cela même si la conductivité du sol s'avère très faible. L'atténuation quotidienne de la vague de température diurne fournira à HP3 une autre façon de caractériser la conductivité thermique du sol.

    La détermination des variations de température avec la profondeur, c'est à dire le gradient thermique, sera un autre paramètre important qu'HP3 va être amené à déterminer. En se frayant un chemin dans le régolite, la taupe va entraîner derrière elle un cordon ombilical, qui lui fournit du courant et lui permet de transmettre des données. Comme nous l'avons vu, ce dernier est équipé de plus d'une dizaine de capteurs de température, positionnés à intervalles réguliers, tous les 35 centimètres. Ces capteurs vont permettre de dresser un profil de l'évolution de la température avec la profondeur.

    Encore faut-il pour cela pouvoir mesurer précisément la profondeur de pénétration, sachant que la taupe peut très bien refuser de descendre de manière parfaitement verticale. Il est effectivement très probable qu'à un moment donné, elle se positionne de travers. L'inclinomètre qui équipe la taupe permettra de mesurer à tout instant son orientation dans le sous-sol, mais cela ne sera qu'une étape dans la détermination de la profondeur. Cette dernière ne pourra être connue avec précision que grâce à un second dispositif, le TLM. Ce capteur optique et électrique aura effectivement pour rôle de comptabiliser devant lui le passage de marqueurs fixés de part et d'autre de l'ombilic scientifique, au fur et à mesure que le câble se dévidera. Couplé à la connaissance de l'inclinaison, la longueur de câble déroulé derrière la taupe permettra de calculer de manière non équivoque la profondeur atteinte par cette dernière.

    Les mesures thermiques effectuées par HP3 vont permettre d'établir le flux thermique, c'est à dire la facilité avec laquelle la chaleur résiduelle de Mars parvient à quitter la planète pour aller se dissiper dans les abîmes noirs et froids de l'espace. Les théoriciens estiment que la puissance dissipée dans l'espace par la surface martienne devrait se situer entre 17 et 29 mW/m2 (à comparer au flux thermique moyen de 87 mW/m2 de notre planète la Terre). Grâce à cette information cruciale, les planétologues seront en mesure de sonder indirectement les profondeurs du globe martien. Ils pourront ainsi estimer la température du manteau martien, et placer des limites quant à l'abondance d'éléments radioactifs producteurs de chaleur que la planète rouge possède encore en son sein.

    Si le bon déroulement de l'expérimentation dépend surtout de la capacité de la taupe à se frayer un chemin dans le sol de Mars, les mesures thermiques d'HP3 seront néanmoins dans tous les cas de figure parasitées par un certain nombre de phénomènes inévitables, qui vont devoir être mesurés puis soustraits des données. L'un des plus évidents n'est autre que l'échauffement du sol avec l'arrivée du jour, puis son refroidissement durant la nuit. D'autres variations de température plus difficiles à quantifier, mais qui vont marquer de leur empreinte les informations collectées par HP3 existent, comme les variations thermiques annuelles dues au climat, ou celles liées aux variations de l'inclinaison de l'axe de rotation de la planète (variations d'obliquité, qui sont cependant moindres à l'équateur).

    Si la taupe d'HP3 parvient comme prévu à atteindre les 5 mètres de profondeur, elle ne ressentira la perturbation des températures de surface générées par les ombres de l'atterrisseur et du WTS de l'instrument SEIS qu'au bout d'une année.

    En plus des informations thermiques, la plus ou moins grande résistance du régolite face aux gesticulations de la taupe fournira d'importantes informations sur les propriétés physiques du sol martien. De nombreuses inconnues demeurent quant aux caractéristiques du sol martien, que ce soit en surface et à fortiori dans les profondeurs, où nous ne sommes encore jamais allés.

    Protection planétaire

    La planète Mars étant une cible prioritaire pour la recherche de traces de vie, passées ou présentes, les agences spatiales sont obligés de prendre un grand nombre de précautions pour éviter toute contamination avec des micro-organismes terrestres, dont les étonnantes capacités à résister aux affres d'un périple spatial ne sont plus à prouver. C'est le domaine de la protection planétaire. Desséchée, exposée au rayonnement ultraviolet nocif émis par le soleil et aux radiations cosmiques, chargée en composés toxiques comme les perchlorates, la surface martienne est un milieu par définition hostile à la vie, du moins tel que nous la connaissons. En comparaison, les profondeurs de la planète semblent plus amicales. Or c'est justement ces dernières que HP3 est censé explorer, même si ce n'est que sur quelques mètres.

    L'agence spatiale américaine a donc établi une liste de pré-requis auquel doit répondre HP3, pour réduire au maximum les risques de contamination du sous-sol de la planète rouge. Située à l'équateur, la plaine d'Elysium possède un régolite sec, libre de toute glace. Si cette dernière est présente là bas sous forme de lentilles ou de langues, c'est à des profondeurs inaccessibles à la taupe d'HP3 (bien qu'à d'autres endroits de la planète, comme dans les hautes latitudes, la glace vive peut affleurer à quelques centimètres de profondeur à peine).

    Reste que par son fonctionnement, la taupe d'HP3 va produire des bouffées temporaires de chaleur, que ce soit en forant, ou lors des mesures actives de conductivité thermique avec la gaine chauffante TEM-A. Les élévations de température devraient varier entre +10°C et +50°C, ce qui aura pour effet à certains moments de faire passer la température du sol (située initialement à environ -55°C) à une température proche de 0°C.

    L'absence de glace va empêcher HP3 de donner naissance à des poches microscopiques d'eau liquide qui pourraient remplir les pores du sol. Cependant, le sol martien du site d'atterrissage pourrait renfermer des minéraux hydratés, c'est à dire des édifices cristallins contenant dans leur structure des molécules d'eau. L'une des règles de protection planétaire édictée par la NASA stipule que l'eau éventuellement libérée par HP3 lors du forage ou des mesures actives de conductivité thermique ne doit pas permettre le déplacement de particules d'une taille égale ou supérieure à 50 nanomètres (un nanomètre étant égal à 10-9 mètre). Pour se conformer à cette contrainte, les ingénieurs ont déterminé le nombre de couches moléculaires libérées par le chauffage de la taupe, ainsi que leur évolution dans le temps. Ces films aqueux éphémères devraient s'écouler par capillarité dans toutes les directions de l'espace, mais leur épaisseur serait trop faible pour pouvoir déplacer des particules de sol aussi petites que 50 nanomètres. HP3 a donc reçu le feu vert de la part des officiers de protection planétaire.

    La taupe ne dispose pas de sa propre source d'énergie, et elle reçoit l'électricité nécessaire à son fonctionnement de l'ombilic scientifique. Il n'y a donc aucun risque qu'elle puisse se libérer d'elle-même pour s'enfoncer dans les profondeurs du sol de manière autonome. Cependant, les protocoles de protection planétaire qui seront appliqués durant l'expérimentation HP3 tentent de couvrir la totalité des cas de figure, y compris celle impliquant une rupture partielle ou totale de l'ombilic auquel est raccordée la taupe. C'est pourquoi, si durant les opérations de forage le câble scientifique qui relie la taupe à son compartiment vient à se rompre, l'alimentation de la taupe sera coupée automatiquement, et les opérations de forage cesseront immédiatement.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Le magnétomètre Fluxgate (© UCLA)Le magnétomètre Fluxgate (© UCLA)

    Le premier magnétomètre à la surface de Mars

    La sonde InSight dispose d'un package instrumental complet pour caractériser l'atmosphère ainsi que les bruits électromagnétiques de l'environnement au sein duquel le sismomètre ultrasensible SEIS va fonctionner. Cet ensemble de capteurs venant en support à la mission comporte un magnétomètre, fourni par l'Université de Californie basée à Los Angeles.

    Baptisé InSight Fluxgate (IFG), ce magnétomètre sera le premier à enregistrer des données magnétiques directement depuis la surface de Mars. Sa sensibilité est de 0,1 nano Tesla.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Une station météorologique complète

    Les capteurs TWINS de la station météorologique de la sonde InSight (© NASA)Les capteurs TWINS de la station météorologique de la sonde InSight (© NASA)

    Comme toute station géophysique qui se respecte, la sonde InSight est équipée d'une station météorologique complète (APSS, Auxiliary Payload Sensor Suite) dont l'objectif principal est d'aider à caractériser l'influence de l'environnement du site d'atterrissage sur les mesures effectuées par le sismomètre SEIS.

    Les sismomètres sont des appareils très sensibles, capables d'enregistrer avec une grande précision toute sorte de phénomène n'ayant rien à voir avec les tremblements du sol et la propagation des ondes sismiques. SEIS ne fait pas exception à la règle, et comme le sismomètre des sondes martiennes Viking avant lui, la moindre rafale de vent ou variation de température viendront le perturber.

    L'environnement du site d'atterrissage va donc être caractérisée de la manière la plus fine possible par une station météorologique sophistiquée, dotées de capteurs de température, d'anémomètres renseignant sur la vitesse et la direction des vents, et enfin d'un capteur de pression ultrasensible.

    TWINS

    Les capteurs TWINS (Temperature and Wind Sensors for InSight) sont très similaires aux capteurs REMS (Rover Environmental Monitoring Station) utilisées pour le rover Curiosity, qui roule depuis 2012 à l'intérieur du cratère d'impact Gale. L'un des capteurs est monté sur le pont, tandis que le second est fixé sur le bras robotique IDA derrière la caméra IDC. Deux fois par seconde, ils enregistreront la température de l'air, ainsi que la vitesse et la direction des vents, et ce durant la totalité de la durée de la mission, une année martienne soit deux années terrestres.

    Capteur de pression

    La prise d'air du capteur de pression ultrasensible de la station météorologique APSS (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).La prise d'air du capteur de pression ultrasensible de la station météorologique APSS sur le pont de l'atterrisseur InSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

    Un capteur de pression ultra-sensible, capable de réagir à des variations de pression de l'ordre de la dizaine de microPascal (soit 10-7 mbars) est monté sur le pont de l'atterrisseur, sous le bouclier éolien et thermique WTS (qui sera soulevé par le bras robotique pour être déposé au-dessus du sismomètre SEIS une fois ce dernier posé à la surface).

    Perturbations atmosphériques

    Les différents sous-systèmes de la station météorologique APSS (capteurs de température, girouette, anémomètre, baromètre et magnétomètre) vont jouer un rôle crucial dans l'interprétation des données fournies par le sismomètre SEIS. Effectivement, ce dernier va être parasité par l'activité incessante de l'atmosphère martienne. La moindre rafale de vent va transmettre de l'énergie au sol, et sera donc enregistrée par le sismomètre. De la même manière, des modifications continues et très subtiles de la pression de l'air se traduiront par un tambourinage très subtil de la surface.

    Le champ de pression, qui fluctue en permanence, a pour effet, à un instant donné et sur une zone donnée, d'appuyer sur le sol (charge), ou au contraire de relâcher très légèrement son emprise (décharge). Tout se passe comme si une multitude de doigts invisibles pianotaient sur la surface martienne comme sur le clavier d'un ordinateur, déformant d'autant le sol. Grâce au capteur de pression ultra-sensible d'InSight, ces variations de pression pourront être mesurées puis retirées du signal collecté par le sismomètre SEIS. Les variations de température, suivies par les capteurs de température, seront de la même manière soustraites (décorrélées) des informations fournies par le sismomètre.

    Bien entendu, outre son rôle de support dans l'acquisition de données sismiques, la station météorologique APSS va également contribuer à améliorer notre connaissance de la météorologie et du climat martien actuel. En plus de l'étude des vents, InSight s'intéressera par exemple aux nuages d'altitude et aux brouillards de surface, au passage des tourbillons de poussière (dust devils), ou encore à l'opacité de l'atmosphère due aux particules de poussière en suspension. Sur ce sujet, la caméra IDC du bras robotique et les panneaux solaires, par l'intermédiaire de la baisse de puissance enregistrée suite à la dépose inévitable d'un film poussiéreux, seront également mis à contribution.

    Dernière mise à jour : 2 janvier 2019

  • L'expérimentation de géodésie de la sonde InSight, RISE, met à profit le système de télécommunications radio avec la Terre (© NASA)L'expérimentation de géodésie de la sonde InSight, RISE, met à profit le système de télécommunications radio avec la Terre (© NASA)

    Etudier la rotation de Mars pour en déduire son intérieur

    L'expérience de géodésie RISE ne fait pas appel à un instrument spécifique. Elle s'appuie sur le système de télécommunication de l'atterrisseur InSight, et va permettre, par ce biais, de mesurer très précisément les variations de distance entre la sonde et la Terre, dues à la rotation de la planète Mars sur elle-même.

    Mars, comme toutes les planètes du système solaire, tourne à l'image d'une toupie autour d'un axe de rotation qui passe par les pôles sud et nord. La planète rouge effectue un tour complet sur elle-même en 24 heures et 37 minutes, et son axe est incliné d'environ 25° par rapport au plan défini par son orbite autour du soleil. Rotation et inclinaison de l'axe de rotation sont donc assez semblables à ceux de notre planète, qui boucle un tour en 24 heures autour d'un axe incliné à un peu plus de 23°. D'autres planètes du système solaire s'écartent de ces valeurs et présentent des particularités étonnantes : Vénus tourne ainsi à l'envers de manière très lente (plus de 116 jours), et Uranus possède un axe de rotation qui est pratiquement parallèle au plan orbital : les pôles sont inclinés vers le Soleil, tandis que l'équateur est situé à 90° !

    La rotation des planètes est un phénomène bien connu, et même si certaines spécificités comme celles que nous venons d'évoquer dans le cas de Vénus et d'Uranus sont mal expliquées, il pourrait être tentant de le considérer comme banal. Continuer à étudier précisément la façon dont la planète Mars tourne autour de son axe de rotation a pourtant un intérêt majeur : celui de permettre d'en savoir plus sur les profondeurs de l'astre.

    Les planètes du système solaire, comme Mars et la Terre, ne sont effectivement pas des sphères rocheuses uniformes, des sortes de boules de billard cosmiques. Leur intérieur est structuré sous la forme de couches d'épaisseur et de composition différentes. Les trois plus importantes sont, depuis la surface vers le centre, la croûte, le manteau et enfin le noyau métallique.

    Si l'on prend deux sphères, l'une pleinement homogène, et l'autre possédant une structure en couches de densité différentes, et que nous les faisons tourner sur elle-même comme des toupies, nous observerons vite que les mouvements de rotation ne sont pas les mêmes. La façon dont la matière est répartie dans le volume des deux sphères (ce que les physiciens nomment le moment d'inertie) est différente, et cela rejaillit sur la rotation des objets. L'expérience peut aussi très facilement être réalisée avec un œuf dur et un œuf cru. Là encore, les deux objets ne vont pas évoluer dans l'espace de la même manière une fois mis en rotation, car la structure de l’œuf cru, qui combine liquide et solide, est différente de celle de l’œuf dur, entièrement solide.

    Précession et nutation

    L'étude fine du mouvement de rotation d'une planète sur son axe montre qu'au cours du temps, la position de ce dernier varie dans l'espace. L'axe décrit effectivement un cercle autour d'une position verticale fixe : c'est le phénomène de précession. Pour notre planète la Terre, l'axe de rotation effectue un tour complet dans le ciel tous les 25 770 ans en moyenne. C'est la valeur de la précession terrestre, dite précession des équinoxes, qui est directement liée à d'importants changement climatiques. Pour Mars, la dérive dans le ciel de l'axe de rotation est bien plus lente, et celui-ci ne parcourt un tour complet qu'au bout de 165 000 ans.

    Si l'on regarde très finement à la loupe le parcours dessiné par l'axe de rotation de la Terre ou de Mars, on s'aperçoit que celui-ci ne décrit pas un cercle parfait, mais évolue au contraire en oscillant régulièrement autour d'une position centrale. Ces très légères oscillations permettent de définir la nutation : pour parcourir complètement l'une des petites oscillations, la Terre met 18,6 années, contre moins d'une année martienne (deux années terrestres) pour la planète rouge.

    Précession et nutation de la planète Mars (© IPGP/David Ducros).En tournant sur elle-même comme une toupie, la planète Mars force son axe de rotation à décrire un cercle autour d'une position arbitraire. C'est le phénomène de précession. Ce cercle est lui-même soumis à des petites oscillations appelées nutation (© IPGP/David Ducros)

    En caractérisant très finement les paramètres de la rotation de la planète Mars sur elle-même (période de rotation, valeur de la précession et de la nutation), les géophysiciens vont pouvoir obtenir une vision plus précise de son intérieur. Pour cela, l'atterrisseur InSight a été équipé de deux antennes à gain moyen qui ressemblent un peu à des pots de yaourt évasés et qui sont fixées sur le pont. Ces antennes permettent d'établir des communications directes entre la Terre et Mars dans la bande radio X, sans passer par les satellites relais qui évoluent en orbite autour de la planète rouge (revers de la médaille, le débit devient plus faible).

    En plus d'offrir la possibilité de communiquer directement avec InSight, le signal radio émis par les antennes à gain moyen va permettre de mesurer avec une précision remarquable, à 10 centimètres près, la distance entre la Terre et Mars, grâce à la mesure de l'effet Doppler. En termes d'écoute, la sonde InSight devra simplement être suivie pendant au moins 2 heures par semaine pendant au moins une année terrestre à l'aide des antennes de 34 mètres de diamètre du réseau d'écoute de l'espace lointain (DSN) de la NASA.

    Si, entre un émetteur et un récepteur radio, la distance se met à changer, la fréquence du signal radio émis fait de même. Posée sur l'équateur martien et entraînée malgré elle par le mouvement de rotation de la planète, la sonde InSight va voir sa distance avec la Terre changer en permanence. L'expérience RISE (Rotation and Interior Structure Experiment), en suivant dans le temps l'évolution de la distance entre Mars et la Terre, va donc permettre d'étudier avec un grand luxe de détails la façon dont la planète rouge tourne sur elle-même, et les changements de direction de son axe de rotation au cours du temps (précession et nutation).

    En retour, les géophysiciens pourront en déduire ce qui se cache sous sa surface et qui est invisible aux regards, c'est à dire la répartition et la nature des masses à l'intérieur du globe planétaire (moment d'inertie). La taille et densité (donc la composition minéralogique) du noyau, ainsi que la densité du manteau pourront ainsi être approchées. La précession seule donnera accès au rayon et à la densité du noyau, mais ces deux paramètres resteront reliés, l'un évoluant en fonction de l'autre. Grâce à l'étude de la nutation, le rayon du noyau et sa densité pourront être séparées (les deux mesures devenant indépendantes l'une de l'autre). RISE devrait notamment permettre de réduire l'incertitude actuelle concernant la taille du noyau d'un facteur 10.

    La sonde InSight n'est pas la première à avoir mesuré la rotation de la planète Mars. Des expériences similaires ont été conduites en 1976 avec les sondes Viking, puis 20 années plus tard en 1997 avec la sonde Pathfinder. En 2011, une campagne de mesures a aussi été effectuée durant l'hivernage du rover Opportunity. Ces premières données ont permis de poser des limites concernant la taille du noyau métallique de Mars. Vingt ans après Pathfinder, InSight va reprendre le flambeau pour affiner notre vision de la structure interne de Mars. Les mesures de la précession seront dix fois meilleures que celles effectuées par les sondes Viking, et la durée des observations sera également étendue, d'où une amélioration de la précision.

    Dernière mise à jour : 02 mars 2018

  • Le réflecteur laser d'InSight LaRRI (Laser RetroReflector for InSight)

    L'expérimentation de géodésie LaRRI (© ASI)La sonde InSight est équipée d'un rétro-réflecteur laser léger et compact. Ce dôme de 5 centimètres de diamètre comporte 8 facettes de verre réfléchissantes (d'environ 1 cm de diamètre) permettant des mesures télémétriques par un futur orbiteur doté d'un laser (© ASI).

    Si, entre 2016 et 2018, suite au report du lancement de la mission, la sonde InSight n'a subi aucune modification majeure, un instrument a toutefois été ajouté à l'atterrisseur. Baptisé LaRRI (Laser RetroReflector for InSight), ce petit dispositif d'environ 5 centimètres de diamètre est un réflecteur laser passif composé d'une structure en aluminium sur laquelle sont serties 8 surfaces réfléchissantes en verre, usinées avec une grande précision. Le poids de ce passager supplémentaire n'est que de 25 grammes.

    En juillet 1969, les astronautes de la mission Apollo 11 avaient déposé sur la mer de la tranquillité un rétro-réflecteur pour réaliser des mesures très précises de la distance Terre - Lune, grâce à des télémètres laser basés sur Terre. D'autres dispositifs du même genre furent ensuite installés lors des missions Apollo suivantes, ainsi que par les sondes automatiques soviétiques. Ils sont toujours utilisés à l'heure actuelle.

    Le principe de ces réflecteurs est de pouvoir renvoyer un faisceau de lumière dans la même direction que celle où cette dernière est arrivée. Malgré le fait que de puissants lasers terrestres soient utilisés pour frapper ces cibles, la déperdition est très importante à cause des distances mises en jeu, de la présence de l'atmosphère terrestre et de la petite taille des réflecteurs, et en pratique, seuls quelques photons ayant réalisé l'aller-retour sont capturés sur Terre.

    Les astronomes souhaitent désormais disséminer dans tout le système solaire ce type de réflecteurs, pour former un réseau étendu. L'agence spatiale italienne (ASI) avait ainsi fourni à l'Agence Spatiale Européenne (ESA) un rétroréflecteur pour la capsule ExoMars (Schiaparelli), qui fut malheureusement perdue lors de sa descente vers la surface martienne en octobre 2016. Le report du lancement d'InSight, à la fin de cette même année, pour 2018, fut une bonne opportunité pour tenter une nouvelle dépose d'un rétro-réflecteur sur la planète rouge. Une collaboration fut signée en juillet 2017 entre l'Agence Spatiale Italienne et la NASA pour équiper l'atterrisseur InSight d'un dispositif en tout point similaire à celui de Schiaparelli. Le nouveau rétro-réflecteur fut intégré sur le pont de la sonde en août 2017, à proximité de la cible de calibration servant aux caméras techniques IDC/ICC, une place qui lui permet d'avoir une vue totalement dégagée sur le ciel.

    Le rétro-réflecteur d'InSight ne pourra réellement servir que si un satellite équipé d'un laser (altimètre laser ou laser de communication Terre - Mars) est envoyé dans le futur sur place. A ce moment-là, grâce à des tirs effectués depuis l'orbite martienne, il sera possible de connaître avec une très grande précision la position de l'atterrisseur InSight, qui servira alors de repère géodésique sur Mars. InSight permettra notamment d'améliorer sensiblement la définition du méridien 0 (l'équivalent de la ligne de Greenwich martienne), pour l'instant positionnée par convention au niveau du cratère d'impact Airy 0.

    Les rétro-réflecteurs laser offrent d'autres avantages que celui de fournir un repérage ultra-précis d'un objet déposé à la surface d'une planète. Des mesures atmosphériques (détection de composés présents à l'état de trace, étude de la teneur en poussière) sont par exemple possibles. Enfin, au-delà de ces mesures de planétologie, ces instruments permettent de réaliser des expériences de physique fondamentale, et en particulier de tester l'un des principes d'équivalence prévu dans le cadre de la relativité générale.

    Dernière mise à jour : 02 mars 2018

 

SEIS, une collaboration internationale

Partenaires & partenariats

InSight est une mission appartenant au programme Discovery de la NASA, qui embarque une instrumentation scientifique à très forte participation internationale.

Les pendules très large bande (VBB) qui sont au coeur de l'instrument SEIS ainsi que la sphère de confinement sous vide ont été développés en France par les équipes techniques et scientifiques du Centre National d'Etudes Spatial (CNES), de l’Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS/Université Paris Diderot), du Campus Spatial de l’Université Paris Diderot et de l'industriel SODERN. Les boitiers de l'électronique de proximité du VBB ont été réalisés par l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) de Toulouse en collaboration avec l'Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE), qui a développé le modèle de bruit de l'instrument.

La mission InSight est le fruit d'une collaboration internationale entre la NASA et plusieurs laboratoires européens (© CNES/IPGP/David Ducros)La mission InSight est le fruit d'une collaboration internationale entre la NASA et plusieurs laboratoires européens (© CNES/IPGP/David Ducros).

Les pendules et la sphère ont été construits et assemblés dans les locaux de la société SODERN. Le financement de l'instrument a été assuré par le CNES, qui a également réalisé de nombreux tests grâce à ses moyens d'essais situés sur Toulouse. D'autres tests ont été effectués par l'Institut de Physique du Globe de Paris, notamment sur le site parisien de St-Maur. De nombreux laboratoires du CNES ont également contribués à plusieurs études : l'Institut de Minéralogie et de Physique des Matériaux et de Cosmochimie pour le contrôle de la contamination, le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) pour la modélisation des vents et le laboratoire CERMES associé à l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées pour les analyses liées aux pieds de l'instrument.

Des membres de l'équipe technique du CNES posent devant le modèle de vol du sismomètre SEIS (© CNES/MARTIN Emmanuelle).Des membres de l'équipe technique du CNES posent devant le modèle de vol du sismomètre SEIS (© CNES/MARTIN Emmanuelle).

Plusieurs laboratoires européens et américains ont également contribué au développement technologique de SEIS. L'Imperial College à Londres a fourni les capteurs à courte période (SP), qui complètent la gamme de fréquence à laquelle les pendules VBB sont sensibles. L'institut Max-Planck de recherche sur le système solaire (MPS) de Lindau a conçu le dispositif de mise à niveau, qui va permettre d'aligner le sismomètre avec l'horizontal une fois à la surface de Mars. L'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH) a quant à elle reçu la responsabilité de développer la boite électronique, qui renferme les différentes cartes d'acquisition et de contrôle qui gèrent l'instrument SEIS.

Le centre de la NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) basé à Pasadena, Californie, par ailleurs très impliqué sur la sonde InSight au côté de l'industriel américain Lockheed Martin, a également apporté son expertise sur l'instrument SEIS, en fournissant le câble de connexion avec l'atterrisseur, ainsi que toutes les protections thermiques du sismomètre : l'enceinte thermique RWEB, le bouclier éolien et thermique WTS, et enfin la sphère en titane sous vide au sein de laquelle sont installés les pendules très large bande VBB, et qui a été la source de nombreux défis technologiques.

D’autres laboratoires du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et d’universités françaises seront enfin associés à l’analyse des données, une fois ces dernières reçues depuis la surface de Mars. C'est le cas du Laboratoire de Planétologie et Géodynamique (LPG) de Nantes, de l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) à Toulouse, du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) à Paris et du laboratoire GéoAzur à Nice.

Ce dernier accompagnera également le réseau « sismo à l’école », qui contribuera à la diffusion des données sismologiques et météorologiques de la mission auprès des écoles, collèges et lycées.

L'équipe d'InSight au Jet Propulsion Laboratory (© NASA).L'équipe d'InSight au Jet Propulsion Laboratory à Pasadena en Californie en janvier 2018 (© NASA).

Dernière mise à jour : 02 mars 2018

Calendrier de développement de la mission

Un développement court et intense, qui a mis les équipes à rude épreuve

Toutes les missions spatiales sont découpées en phase, désignées par des lettres. Un projet donné commence avec la phase A, et se termine avec la phase F, où la sonde est retirée du service.

Pour InSight, la phase A, dite de design préliminaire, a débuté en mai 2011, date à laquelle la mission, qui s'appelait alors GEMS, fut retenue, avec deux autres projets, pour faire partie des finalistes de la douzième itération du programme Discovery. Durant la phase A, la faisabilité du projet est étudiée et documentée. En août 2012, InSight était définitivement retenue pour être la 12e mission du programme Discovery.

En septembre 2012, le projet est passé en phase B. Il s'agit alors pour l'équipe en charge de la mission de prouver que le concept proposé est valide. Vient ensuite la phase C, qui a démarré en juin 2013, et qui consiste à concevoir la version définitive de la sonde. La construction proprement dite peut alors avoir lieu, et signe le départ de la phase D. Cette dernière comprend la fabrication des différents sous-systèmes, les tests multiples de ces derniers, et enfin leur intégration pour former le véhicule spatial final.

Une fois assemblée, la sonde est à nouveau entièrement testée, avant d'être conduite sur son pas de tir pour le lancement vers la planète Mars. Une fois sur place, après les vérifications d'usage et le déploiement des instruments scientifiques (sismomètre SEIS et capteur de flux de chaleur HP3), la phase d'exploitation, qui porte la lettre E, peut commencer, avec l'acquisition des premières données scientifiques. Pour InSight, cette phase doit durer au moins deux années terrestres (soit une année martienne). Si les systèmes fonctionnent encore correctement à ce stade, la mission peut alors bénéficier d'une extension de la part de la NASA.

Un cycle de développement court

En tout et pour tout, depuis le début de la phase A en mai 2011 jusqu'au lancement initial programmé pour mars 2016, il s'est passé seulement cinq ans. On voit donc que le développement de la mission InSight a suivi un cycle court, caractéristique des missions Discovery de la NASA.

Un planning aussi serré a mis à rude épreuve les équipes impliquées dans la mission. Sur le papier pourtant, tout semblait indiquer sur les risques techniques étaient bas, et que la conception allait être particulièrement fluide. L'atterrisseur InSight est effectivement une copie presque conforme de la sonde Phoenix, qui s'est posée avec succès sur Mars en mai 2008.

Avec un prédécesseur ayant subi un baptême du feu, et ayant pu bénéficier de toutes les leçons tirées de la mission menée par ce dernier, il était logique de considérer que la partie était, d'une certaine manière, presque gagnée d'avance. Cette impression pouvait être encore renforcée par le fait que plusieurs composants nécessaire à InSight allait pouvoir être récupéré auprès de missions précédentes : ce fut le cas du bras robotique, emprunté à la mission Mars Surveyor 2001, ou des caméras techniques, version couleur des caméras d'évitement de dangers et des caméras de navigation mises en oeuvre sur les rovers américains Spirit et Opportunity, et plus récemment Curiosity.

Pourtant, et c'est très souvent le cas dans le domaine spatial, les choses ne se sont pas déroulées exactement comme prévu. Une mission donnée, même si elle présente au départ de fortes ressemblances avec une tentative précédente, finit par devenir totalement unique.

Et unique, la sonde InSight l'est, par sa charge utile, c'est à dire les instruments qu'elle a pour objectif d'amener jusqu'à la surface de la planète Mars. Les responsables de la mission avaient clairement identifié dès le départ que le sismomètre SEIS et le capteur de flux de chaleur HP3 allaient constituer la grande inconnue du projet, la partie sur laquelle les risques étaient les plus grands. Le futur allait montrer que ces derniers allaient se révéler encore plus importants que prévu pour le sismomètre.

L'instrument SEIS n'a pas été conçu exclusivement pour la mission InSight. Son héritage remonte à la mission Mars 96, lancée en novembre 1996 et qui comportait deux petites capsules d'atterrissage au sein desquelles avait été installé un sismomètre large bande, Optimism. Malgré le destin tragique de la sonde, qui s'est abîmée dans le pacifique après avoir été incapable de s'arracher à la gravité terrestre, le développement du sismomètre put se prolonger, grâce à un financement régulier de l'agence spatiale française, le CNES.

Au fil des ans, de nouveaux prototypes firent leur apparition, plus performants que les précédents. Une version mise à jour fut envisagée pour la mission Netlander, hélas annulée en phase B (stade de conception détaillée). Un nouveau modèle, encore plus avancé, avait été proposée à l'Agence Spatiale Européenne dans le cadre du projet ExoMars, avant d'être mis de côté. C'est donc finalement à la sonde InSight qu'à échu la lourde tâche de déposer à la surface de mars cet instrument qui a bénéficié d'un développement continu de presque 20 ans, et qui a cristallisé auprès de ses concepteurs tant d'espoirs et d'efforts.

Hélas, l'adversité réside dans les détails, et si les délicats pendules, qui constituent le coeur de l'appareil, sont matures d'un point de vue technique, les soucis sont venus d'une partie dont personne ne s'était vraiment méfié, la sphère sous vide, c'est à dire l'emballage de métal qui entoure les pendules et qui offre à ces derniers un environnement idéal pour leur fonctionnement sur Mars.

Cette coque, qui isole les pendules du sismomètre des sautes énormes de température et qui les protège en même temps de toute contamination par des particules qui pourraient venir enrayer les fragiles mécanismes de ces derniers, est vitale pour le fonctionnement de l'instrument. A aucun moment son intégrité ne doit pouvoir être questionnée, et toute fuite, même la plus petite, est jugée inacceptable.

Lors de la livraison de la sphère au CNES en juillet 2015, une fuite fut détectée au niveau de la sphère. Malgré les efforts considérables fournis par les équipes techniques pour comprendre la situation et effectuer des réparations, des fuites supplémentaires se produisirent, ce qui conduisit la NASA et le CNES a annoncé conjointement le 22 décembre 2015 la suspension du lancement de mars 2016, et son report éventuel en mai 2018.

Dernière mise à jour : 26 janvier 2018

Lanceur

InSight partira à bord du puissant lanceur Atlas V

Lanceur américain Atlas-V (© United Launch Alliance)Lanceur américain Atlas-V (© United Launch Alliance)

Le 5 mai 2018, la sonde InSight va être envoyée vers Mars grâce à un lanceur très puissant,  la fusée américaine Atlas V, l'un des concurrents directs d'Ariane 5. Le lanceur Atlas V est doté de deux étages : le premier brûle un mélange kérosène et oxygène liquide, tandis que le second, l'étage supérieur Centaur, consomme de l'oxygène et de l'hydrogène liquides.

Etant donné le poids relativement faible de la sonde, aucun propulseur latéral d'appoint ne sera nécessaire. En fait, une fois n'est pas coutume, la puissance du lanceur est telle que ce dernier décollera non pas du centre spatial de Cap Canaveral en Floride, mais de la base de lancement de VandenBerg en Californie, gérée par l'Air Force.

Généralement, les sondes spatiales interplanétaires sont lancées depuis Cap Canaveral, pour bénéficier de l'effet de fronde lié à la rotation terrestre, et qui est maximal à l'équateur. Pour InSight, ce coup de pouce terrestre ne sera pas nécessaire, d'où le lancement depuis Vandenberg, une première dans l'histoire de l'exploration martienne.

La version du lanceur utilisée pour propulser InSight dans l'espace (Atlas V 401) dispose d'une coiffe de 4 mètres de diamètre, sous laquelle sera logée la sonde.

Particularité intéressante, grâce à l'espace disponible sous la coiffe, les panneaux solaires de l'étage de croisière ont été installés dans leur configuration finale, c'est à dire pleinement déployé. Etant donné qu'ils ne sont pas destinés à être lancés pliés, pour se déployer ensuite une fois la sonde séparée de son lanceur, ces panneaux ne sont tout simplement pas articulés.

La fusée embarque également deux nanosatellites de télécommunication (MarCO), qui accompagneront InSight dans son voyage  vers Mars, et qui relayeront vers la Terre des données de télémétrie durant la phase critique de l'atterrissage.

La fusée Atlas V 401 sur le complexe de tir n°3 de la base spatiale de Vandenberg (© NASA).La fusée Atlas V 401 sur le complexe de tir n°3 (LC3) de la base spatiale de Vandenberg. La fenêtre de tir pour le lancement de la sonde InSight s'ouvre le 5 mai 2018 à 4h00 du matin, un peu avant l'aube (© NASA).

Dernière mise à jour : 26 février 2018

Etage de croisière

Cruise Stage 1
Cruise stage 6
Cruise Stage 2
Cruise Stage 4
Cruise Stage 3
Cruise Stage 5

Le vaisseau mère d'InSight

InSight CruiseStage CAOL'étage de croisière de la sonde InSight (© NASA)L'atterrisseur InSight va effectuer son périple vers Mars grâce à un véhicule spécialement conçu pour voyager dans l'espace interplanétaire, et que l'on appelle l'étage de croisière. D'un diamètre de 2,64 mètres et d'une hauteur de 1,76 mètre, ce dernier est autonome sur de nombreux points.

L'étage de croisière dispose de ses propres panneaux solaires. Ces derniers, rectangulaires et d'une surface de 3,2 m2, assurent l'alimentation en énergie. De petites tailles, ils ne sont pas destinés à être dépliés après le lancement, ce qui élimine les risques liés au déploiement.

Des petits moteurs fusées autorisent les modifications d'orientation et de trajectoires, et stabilisent l'étage de croisière dans les trois axes de l'espace. Des senseurs stellaires et solaires permettent à l'engin de se repérer grâce aux étoiles en jouant le rôle de sextants. Plusieurs d'antennes de télécommunications fonctionnant en bande X assurent les communications avec la Terre.

La raison d'être de l'étage de croisière est de transporter InSight vers Mars, le long d'une trajectoire calculée de manière très précise par les navigateurs interplanétaires, et que l'ensemble étage de croisière/atterrisseur InSight va mettre six mois à parcourir.

L'étage de croisière de la sonde InSight (© © NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)L'étage de croisière de la sonde InSight. Notez la structure cylindrique du vaisseau, ainsi que les panneaux solaires, qui ne sont pas articulés (© © NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)

Ce n'est qu'une fois à proximité de Mars que l'étage de croisière, sa mission désormais terminée, se séparera de son passager, pour plonger sans possibilité de retour dans les abîmes insondables de l'espace, en tournant à jamais autour du Soleil, témoignage désormais muet de l'ingéniosité de l'homme.

Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

L'atterrisseur InSight

Une plateforme qui accueille tout ce qu'il faut pour fonctionner sur Mars

L'atterrisseur InSight est constitué d'une plateforme (ou bus) d'un diamètre de 1,5 mètres environ, qui repose sur trois pieds dotés d'amortisseurs. Cette structure fabriquée en matériaux composite accueille différents sous-systèmes qui gèrent des aspects critiques : alimentation en énergie, communications radio, propulsions, régulation thermique, le tout étant coordonné par un ordinateur de bord.

  • Panneau solaire (© droits réservés)Panneau solaire (© droits réservés)

    Sur Mars, InSight utilisera l’énergie solaire

    Pour obtenir de l'énergie indispensable à son fonctionnement, la sonde InSight s'appuie sur des panneaux solaires, connectés à des batteries rechargeables. L'étage de croisière dispose de deux panneaux rectangulaires qui totalisent une superficie de 3,2 m2, et qui délivrent une puissance de 957 watts à proximité de la Terre, pour 477 watts aux alentours de Mars.

    L'atterrisseur InSight s'appuie quant à lui sur deux panneaux solaires ultra-flexibles de forme circulaire, d'une surface totale de 4,2 m2. Ces derniers sont déployés environ 20 minutes après l'atterrissage, un délai nécessaire pour permettre à la poussière mise en suspension par les jets de gaz des rétrofusées de retomber. D'un diamètre de 2,15 mètres, ils sont légérement plus grands que ceux de la sonde Phoenix. Un supplément de puissance qui sera le bienvenu, et qui permettra à InSight de traverser des périodes de faible ensoleillement l'esprit tranquille, que ce soit sous le couvercle menaçant d'une tempête de poussière ou durant les rigueurs hivernales.

    Sur Mars, la poussière est l'ennemi n°1 des panneaux solaires. Soulevée lors des tempêtes de poussière, elle opacifie l'atmosphère et abaisse le rendement énergétique des panneaux solaires. Son dépôt, lent mais inévitable, contribue également à diminuer l'efficacité des panneaux, qui peuvent cependant être nettoyé de manière naturelle mais aléatoire par le passage d'un tourbillon ou d'une rafale de vent particulièrement vigoureuse.

    Test de déploiement d'un panneau solaire de la sonde InSight (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)Test de déploiement d'un panneau solaire de la sonde InSight (© NASA)

    Les panneaux solaires de l'atterrisseur permettent de recharger une paire de batteries au lithium de 25 ampères-heure, qui alimenteront la sonde en énergie électrique durant les périodes d'obscurité.

    La consommation électrique du sismomètre SEIS sera d'environ 5 watt (8,5 watt en pic). Elle variera en fonction des modes de mesure. Ainsi, en hiver, lorsque l'ensoleillement sera réduit et que la puissance électrique disponible fournie par les panneaux solaires sera plus faible, le sismomètre enregistra moins de données. Au contraire, à d'autres moments, il sera configuré en mode campagne, pour maximiser le nombre et la qualité des mesures sismiques, et il sera alors plus gourmand.

    Dernière mise à jour : 17 décembre 2017

  • Tuyères de moteurs-fusées (© droits réservés)Tuyères de moteurs-fusées (© droits réservés)

    Dispositif de propulsion

    Si la sonde InSight est lancée vers Mars grâce à l'immense quantité d'énergie libérée par son lanceur, la puissante fusée Atlas V, elle dispose néanmoins de plusieurs moteurs fusées, qui remplissent différentes fonctions.

    Un ensemble de quatre petits moteurs, qui délivrent chacun une poussée d'environ 4,5 newtons, sont utilisés par le système de contrôle d'attitude pour ajuster ou modifier l'orientation de la sonde dans l'espace. Quatre autres moteurs un peu plus puissants (22 newtons environ) servent aux manœuvres de correction de trajectoire durant le voyage vers Mars. Enfin, douze rétrofusées pulsées capable de développer chacune une poussée de 300 newtons environ sont allumées durant la phase finale de l'atterrissage, pour contrôler l'orientation et décélérer.

    Tous les moteurs d'InSight consomment de l'hydrazine. Ce composé chimique simple mais toxique, composé de deux atomes d'azote et de quatre atomes d'hydrogène, est envoyé au travers d'un lit catalytique, ou il subit alors une décomposition violente en gaz (ammoniaque, hydrogène et azote) qui sortent des tuyères en fournissant une poussée. Cette technique est qualifiée de propulsion à gaz froids, car aucune combustion n'est véritablement mise en oeuvre, contrairement aux moteurs-fusées qui consomment des mélanges liquides hydrogène/oxygène ou kérosène/oxygène, ou qui brûlent des poudres solides.

    InSight embarque de l'hydrazine, stockée dans des réservoirs sphériques, qui sont pressurisés par de l'hélium.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Le satellite américain Mars Reconnaissance Orbiter (© NASA)Le satellite américain Mars Reconnaissance Orbiter (© NASA)

    Un ensemble complet d'antennes pour communiquer avec la Terre

    Le sous-système de télécommunication est absolument essentiel pour la réussite de la mission InSight, que ce soit durant la phase de croisière entre la Terre et Mars, la descente vers la surface martienne, ou bien entendu pendant les deux années où l'atterrisseur sera à l'écoute des séismes martiens.

    L'étage de croisière, qui a la responsabilité d'amener l'atterrisseur à bon port, possède deux antennes à faible gain (LGA, une pour la réception, une pour l'émission), ainsi que deux antennes à gain moyen en forme de cornets (MGA). Les communications ont lieu en bande X, avec les antennes de 34 mètres du réseau d'écoute de l'espace lointain (DSN) de la NASA. Les antennes à faible gain sont utilisées pendant les 35 premiers jours du voyage vers Mars, avant de passer le relais aux antennes à gain moyen, plus puissantes, pour le reste du trajet interplanétaire. Grâce à ces différentes antennes, les contrôleurs de mission pourront envoyer des instructions à la sonde et recevoir des données de télémesure. Les signaux radios permettront également de situer précisément la position d'InSight dans l'espace (détermination de la distance de la Terre et de la vitesse de déplacement).

    Une fois que l'étage de croisière se sera séparé de l'atterrisseur, les communications radio auront lieu principalement en UHF, grâce à l'antenne UHF hélicoïdale fixée sur le pont d'InSight, qui relayera les données aux orbiteurs évoluant autour de Mars. Durant l'atterrissage, InSight transmettra en UHF des informations cruciales au satellite américain Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), en orbite autour de Mars depuis 2006, ainsi qu'à ses deux anges gardiens MarsCO-A et MarsCO-B, des nano-satellites de la taille d'une valise qui accompagnent la sonde dans son périple.

    Durant la phase d'observations scientifiques, la sonde Mars Reconnaissance Orbiter sera le relais radio principal pour les communications radios avec InSight. Chaque jour, elle survolera à deux reprises la plaine d'Elysium, à 3 heures du matin et 3 heures de l'après-midi. En cas d'incident, InSight est conçue pour pouvoir échanger des informations avec deux autres orbiteurs américains, Mars Odyssey et MAVEN, qui constituent donc des relais de secours. Enfin, le module d'atterrissage dispose de deux antennes à gain moyen (MGA), qui permettent de transmettre directement des données avec la Terre. Mise à profit pour l'expérience RISE, ces antennes en forme de cornets pourront également servir à communiquer avec InSight, certes à moindre débit, si les transmissions UHF deviennent inopérantes.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Isolant thermique multi-couche (© IPGP/Philippe Labrot).Isolant thermique multi-couche (© IPGP/Philippe Labrot).

    Comment ne pas avoir chaud ou froid sur Mars ?

    L'espace est un milieu extrême, caractérisé en particulier par des variations énormes de température, que ce soit dans le milieu interplanétaire ou à la surface d'astres qui ne bénéficient pas des conditions clémentes de notre planète, à cause d'une distance au soleil trop faible ou trop importante, de l'absence d'air (Lune) ou au contraire de la présence d'atmosphères très épaisses chargées en gaz à effet de serre (c'est le cas de Vénus), ou encore du manque de systèmes régulateurs du climat (comme les océans).

    Le milieu spatial est le domaine des superlatifs, avec des températures qui peuvent descendre à plusieurs centaines de °C sous zéro pour des régions à l'ombre, et qui au contraire peuvent monter à +100°C ou +200°C lorsqu'elles sont directement exposées aux rayons aveuglants du soleil, lorsque ceux-ci ne sont pas filtrés ou diffusés par une atmosphère. Même si les composants des sondes spatiales sont par nature conçus pour résister à des gammes impressionnantes de température, il reste nécessaire de protéger les sondes à la fois du froid et de la chaleur. C'est le rôle du système de régulation thermique.

    La sonde InSight est donc équipée de dispositifs de régulation thermique passifs (écran thermique, couche ou revêtement de matériaux isolants, peintures adaptées, caloduc) et actifs (radiateurs et thermostats). Ces dispositifs, conçus pour l'environnement équatorial martien, permettront de maintenir l'intérieur de la sonde à des températures relativement clémentes, variant entre -15°C et +40°C. Les systèmes électroniques délicats, comme ceux qui contrôlent le sismomètre SEIS, sont rangés dans un caisson isolé appelé Warm Electronic Box (WEB).

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Processeur RAD 750 (© droits réservés)Processeur RAD 750 (© droits réservés)

    Processeur RAD 750 et système d'exploitation VxWorks

    La sonde InSight est contrôlée par deux ordinateurs redondants, qui s'appuient sur le processeur RAD 750. Cette puce, qui est ici cadencée à 115,5 MHz (à comparer aux 20 Mhz du processeur RAD 6000 qui équipait l'atterrisseur Phoenix), est basée sur le processeur PowerPC 750 proposé par IBM et Motorola au public dans les années 2000. Aujourd'hui, à une époque où le moindre téléphone embarque une puissance de calcul considérable, les caractéristiques techniques de l'ordinateur d'InSight peuvent prêter à sourire. Cependant, ce dernier a été conçu pour fonctionner dans un milieu qui ne ferait qu'une bouchée de nos smartphones, tablettes et ordinateurs : l'espace.

    Le processeur RAD 750, ainsi que sa carte mère, sont effectivement durcis pour pouvoir résister aux conditions hostiles du milieu spatial, en particulier aux radiations et aux variations extrêmes de température. La consommation électrique de l'ensemble est très faible. Au niveau stockage, InSight dispose de 16 gigabits de mémoire flash. Le système d'exploitation utilisé est VxWorks, tandis que les programmes sont écrits dans le langage C et C++.

    A un instant donné, seul l'un des ordinateurs de bord est actif, le second étant en mode dormant. Si une anomalie apparaît sur l'unité active, la sonde InSight peut automatiquement basculer sur l'unité de secours, puis reprendre ses activités.

    Le système RAD 750 a déjà volé à plusieurs reprises et est donc bien rôdé, y compris dans le cadre de missions martiennes. Il équipait ainsi la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, le rover Curiosity, ainsi que l'orbiteur MAVEN.

    Dernière mise à jour : 29 janvier 2018

Hardware EDL

Le système d'atterrissage

  • Structure emboîtée de la sonde InSight (© NASA)Structure emboîtée de la sonde InSight (© NASA)

    Une structure emboîtée en poupée russe

    Lorsqu'elle quitte la Terre, la sonde InSight ressemble à une poupée russe. Elle se compose tout d'abord d'une capsule d'atterrissage, accrochée à un étage de croisière (un cylindre flanqué de panneaux solaires) qui a pour objectif de conduire l'engin à bon port. Une fois à proximité de Mars, la capsule se sépare de l'étage de croisière, devenu inutile.

    La capsule est elle-même constitué de plusieurs éléments : la partie avant est occupée par un large bouclier thermique, tandis que la partie arrière est occupée par un bouclier arrière, qui renferme un parachute. L'atterrisseur InSight, pieds et panneaux solaires repliés, est lui-même pris en sandwich entre le bouclier thermique frontal et le bouclier arrière.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Fabrication du bouclier thermique d'InSight (© NASA)Fabrication du bouclier thermique d'InSight (© NASA)

    Affronter l'enfer de la traversée atmosphérique

    Lors de sa descente vers la surface martienne, l'atterrisseur InSight sera protégé derrière un vaste bouclier thermique de 2,65 mètres de diamètre et de 62 kilogrammes, recouvert de tuiles découpées dans un matériel ablatif.

    En abordant la planète à la vitesse de 6,3 km/s, InSight va effectivement frapper très violemment la partie supérieure de l'atmosphère martienne. Même si, à 125 kilomètres d'altitude, la couche d'air qui entoure Mars est très ténue, les forces de friction seront néanmoins considérables, et entraîneront très vite un échauffement conséquent de la surface du vaisseau, qui sera porté à plusieurs milliers de degrés.

    Le bouclier thermique protège la sonde InSight durant l'entrée atmosphérique (© NASA).Le bouclier thermique protège la sonde InSight de l'échauffement provoqué par la friction avec l'atmosphère durant la phase d'entrée atmosphérique (© NASA).

    En brûlant lentement, les tuiles ablatives du bouclier thermique absorberont une grande partie de l'énergie dégagée par l'entrée dans l'atmosphère, en protégeant du même coup l'atterrisseur.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Test en soufflerie du parachute de 12 mètres de diamètre de la sonde InSight (© NASA)Test en soufflerie du parachute de 12 mètres de diamètre de la sonde InSight. Le tunnel mesure 24 mètres de hauteur et 37 mètres de longueur (© NASA)

    Un parachute de grand diamètre

    Malgré l'important freinage dû à la friction du bouclier thermique avec les hautes couches de l'atmosphère martienne, la vitesse de la sonde InSight est encore trop importante pour que celle-ci puisse se poser en douceur sur le sol martien.

    A une altitude d'environ 9 kilomètres, l'atterrisseur va donc déployer un parachute, une large corolle de tissu d'un diamètre de 12 mètres. Le parachute d'InSight possède une structure dite en disk-gap-band.

    Son ouverture a lieu grâce à la mise à feu d'un mortier, l'emploi d'un parachute extracteur n'étant pas possible à cause de la faible densité de l'atmosphère martienne et de l'importante vitesse de la sonde à ce moment-là.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Phase finale de descente propulsée (© NASA/JPL)Phase finale de descente propulsée de la sonde InSight (© David Ducros)

    Freinage final par rétrofusées

    Le freinage final de l'atterrisseur InSight est assuré par trois grappes de quatre rétrofusées, fixées sur la plateforme de la sonde. Consommant de l'hydrazine stockée dans un réservoir pressurisé, chaque moteur développe une poussée de 300 newtons environ.

    Les rétrofusées embarquées sur InSight fonctionnent par pulses : contrairement aux moteurs à poussées variables, utilisées par exemple sur les sondes Viking en 1976 et le rover Curiosity en 2012, la poussée est ici contrôlée par un allumage et une extinction incessant des fusées, qui sont placées sous l'autorité de l'ordinateur de bord.

    Les moteurs ne sont coupés qu'une fois les pieds de la sonde en contact avec le sol. Cependant, l'échappement des moteurs est tel que le site d'atterrissage ne sera que peu perturbé par l'arrivée de l'engin, et la quantité de poussière soulevée par les jets de gaz sera réduite à un minimum.

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • Radar de descente de la sonde InSight (© NASA/JPL) Radar de descente de la sonde InSight (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)

    Radar altimétrique de descente

    La sonde InSight dispose d'un radar de descente, fixée sous la plateforme, et dont l'objectif est de mesurer l'évolution de la vitesse et de l'altitude durant la descente vers la surface martienne.

    Disposant de quatre antennes radio (une paire pour l'altitude et trois paires pour la vitesse horizontale), le radar s'initialisera à une altitude d'environ 6 kilomètres.

    Les données fournies par le radar seront essentiels à l'ordinateur de bord, qui a la lourde charge de contrôler l'incroyable chorégraphie qui doit permettre à l'atterrisseur InSight de rejoindre sain et sauf la surface rouillée de la planète rouge.

    L'atterrisseur InSight intégré à l'étage de croisière et vu de dessous, montrant les antennes du radar de descente (© NASA/JPL-Caltech).L'atterrisseur InSight intégré à l'étage de croisière et vu de dessous, montrant les antennes du radar de descente (© NASA/JPL-Caltech).

    Dernière mise à jour : 4 avril 2018

 

Le bras robotique IDA

Un bras robotique de deux mètres de longueur

La sonde InSight dispose d'un bras robotique sophistiqué qui a été conçu avec un seul objectif : pouvoir déployer avec le maximum de précision et de sécurité les deux instruments principaux de la mission, le sismomètre SEIS et le capteur de flux thermique HP3.

Représentation graphique en 3D du bras robotique IDA en train de soulever le sismomètre SEIS (© NASA)Représentation graphique en 3D du bras robotique IDA en train de soulever le sismomètre SEIS (© NASA)

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, même une fois solidement posée sur ses trois pieds, la sonde InSight n'en a pas encore fini avec la phase d'atterrissage.

Ses deux instruments majeurs, le sismomètre SEIS et le capteur de flux thermique HP3 sont encore à environ un mètre de la surface martienne, qu'ils doivent impérativement rejoindre pour pouvoir commencer à accumuler des mesures.

Grâce à deux caméras, les ingénieurs vont donc devoir choisir un site d'atterrissage pour les deux appareils, avant de poser ces derniers par l'intermédiaire d'un bras robotique.

Baptisé IDA (Instrument Deployment Arm), le bras robotique d'InSight n'est autre que celui qui avait été construit pour la mission Mars Surveyor 2001, annulée suite à la disparition inexpliquée de l'atterrisseur Mars Polar Lander au-dessus du pôle sud de Mars en décembre 1999. Ce bras était lui-même dérivé de celui embarqué sur Mars Polar Lander. Le bras robotique de Mars Surveyor 2001 avait été conçu pour déposer à la surface de Mars non pas un instrument, mais Marie Curie, une copie conforme du petit rover Sojourner de la sonde Pathfinder qui avait roulé sur la planète rouge en 1997.

Stocké dès lors dans un container en attendant une éventuelle réutilisation pendant plus d'une décennie, le bras robotique de Mars Surveyor 2001 fut finalement tiré de son long sommeil pour la mission InSight.

Test du bras robotique IDA (© NASA)Test du bras robotique IDA. Un ingénieur manipule le capot de protection de la caméra IDC (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)

De nombreuses avancées technologiques ayant eu lieu depuis sa conception, sa remise à neuf et sa re-certification pour le vol spatial a présenté des challenges intéressants et inhabituels aux ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory. Une fois sorti de son container, le bras a été vérifié et testé de façon scrupuleuse par les ingénieurs, avant d'être presque totalement désassemblé pour permettre le remplacement de certaines parties, avant le réassemblage. D'une manière générale, l'état du bras fut jugé excellent par les ingénieurs, malgré les treize années de stockage.

Dimensions en mètre du bras robotique IDA de la sonde InSight (©NASA)Dimensions en mètre du bras robotique IDA de la sonde InSight (©NASA)

Fixé sur le pont de l'atterrisseur, le bras IDA est identique dans sa structure à un bras humain : il comporte un bras supérieur, relié à un avant bras par un coude motorisé. L'avant bras se termine par un poignet mobile, auquel est fixé un astucieux dispositif de préhension. L'ensemble dispose de quatre degrés de liberté, caractérisé chacun par la présence d'un moteur : deux pour la jonction entre le bras supérieur et le pont de l'atterrisseur (l'épaule), un pour le coude et un dernier pour le poignet.

Les deux segments tubulaires du bras ont été fabriqués dans un matériau composite à base de fibres de carbone, associé à de l'aluminium et du titane. Le bras supérieur mesure un mètre de longueur, contre 80 centimètres de longueur pour l'avant bras. Étiré au maximum, le bras peut atteindre une zone située à une distance de 1,9 mètre de l'atterrisseur.

Les moteurs employés ont un long héritage dans l'histoire de l'exploration martienne, et ils ont été en particulier mis en oeuvre dès la mission Pathfinder sur le petit robot Sojourner (1997), puis utilisés sur les rovers Spirit et Opportunity (2004), et enfin employés pour la sonde polaire Phoenix (2008). Les moteurs disposent notamment d'éléments chauffants pour pouvoir résister aux rigueurs du climat martien.

Le bras robotique de la sonde InSight est capable de soulever sans problème le sismomètre SEIS (29 kg), le bouclier thermique et éolien WTS (9,5 kg) et le pénétrateur HP3 (3 kg). Chacun des dispositifs devant être déposés au sol est équipé d'une poignée composée d'une tige rigide terminée par une sphère. Celle-ci est conçue pour pouvoir être saisie de manière optimale par le grappin qui équipe le bras robotique IDA.

Un grappin à cinq griffes

Détail du grappin du bras robotique d'InSight (© NASA)Détail du grappin du bras robotique d'InSight (© NASA)

Le grappin est fixé à l'extrémité de l'avant bras du bras robotique, par l'intermédiaire d'un ombilic de 20 centimètres de longueur.

Dans un premier temps, les ingénieurs du JPL avaient envisagé l'utilisation d'un grappin magnétique. L'aimantation était fournie par l'intermédiaire d'un aimant permanent en terres rares (borure de néodyme). Les charges à saisir étaient elle équipés d'un palet magnétique.

Une fois à proximité des objets à déposer au sol, le grappin se serait aligné automatiquement avec les palets métalliques fixés sur ces derniers. Pour sécuriser la dépose, un système électromagnétique redondant permettait de supprimer le champ magnétique, rendant ainsi possible la libération de la charge transportée.

La séparation entre le grappin et sa charge nécessitait obligatoirement le passage d'un courant électrique. Ainsi, il n'y avait aucune chance que le bras lâche par mégarde sa précieuse cargaison si une panne électrique survenait soudain durant les opérations de déploiement. Le grappin magnétique fut cependant remplacé ultérieurement par un dispositif plus conventionnel, une pince à cinq doigts préhenseurs, en raison de son manque de fiabilité.

L'environnement martien est effectivement caractérisé par la présence continuelle de poussière, qui se dépose sur toutes les surfaces. Riche en oxydes de fer, cette poussière est par nature très attirée par les surfaces magnétiques. L'incapacité à pouvoir garder le grappin propre à la surface de Mars, et les risques encourus par les interférences liées à la dépose de la poussière a donc conduit les ingénieurs à abandonner la solution initiale, en faveur d'un grappin plus classique et plus fiable.

Insensible à l'environnement martien, le grappin mécanique actuel ne peut de plus pas relâcher la charge qu'il transporte de lui-même. L'instruction commandant la séparation ne peut provenir que du centre de contrôle de mission sur Terre, ce qui protège donc d'un lâcher intempestif  des instruments par le bras.

Outre son grappin, le bras robotique d'InSight dispose également d'un godet d'une capacité moyenne de 500 grammes de sol. Ce dernier n'est cependant pas destiné à des travaux massifs d'excavation. Son rôle principal est de pouvoir préparer du mieux possible le terrain avant la dépose des instruments. Il offre aux ingénieurs la capacité de repousser un caillou gênant, d'aplanir une petite butte située dans un secteur optimal de déploiement, ou plus simplement de vérifier la nature du sol.

Dernière mise à jour : 2 février 2018

Les caméras techniques

InSight dispose de deux caméras techniques

  • Emplacement des caméras techniques IDC et ICC sur la sonde InSight (© NASA)Emplacement des caméras techniques IDC et ICC sur la sonde InSight (© NASA)

    Une caméra couleur stéréo pour imager la sonde et ses alentours

    Le bras robotique IDA de la sonde InSight est équipé d'une caméra couleur (IDC) stéréo, similaire aux caméras de navigation (NavCam) des rovers américains Spirit et Opportunity. Montée sur le segment correspondant à l'avant bras, à proximité de l'articulation du coude, elle possède une résolution de 1024 x 1024 pixels, et un champ de vision de 45°. Par rapport au bras, elle est inclinée de 20°, un angle qui lui permet d'imager facilement le pont de l'atterrisseur, ainsi que les alentours de la sonde.

    La caméra IDC sera une aide indispensable lors des différentes étapes du déploiement au sol des deux principaux instruments scientifiques d'InSight, le sismomètre SEIS et le capteur de flux thermique HP3.

    Après l'atterrissage, elle va également permettre aux ingénieurs d'inspecter le pont de la sonde, et de vérifier l'état de systèmes critiques, comme les panneaux solaires. Les géologues pourront également la mettre à profit pour réaliser des panoramas de la plaine d'Elysium, où la sonde se sera posée, et étudier la géomorphologie.

    La caméra IDC montée sur le bras robotique d'InSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).La caméra IDC montée sur le bras robotique d'InSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

    Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

  • La caméra technique ICC de la sonde InSight (© NASA)La caméra technique ICC de la sonde InSight (© NASA)

    Objectif : imager la zone de dépose des instruments

    Contrairement à la caméra IDC, la seconde caméra de la sonde InSight n'est pas mobile. Rivetée sous la plateforme de l'atterrisseur, elle est dirigée avec un angle de 45° par rapport à l'horizontale vers la zone ou les instruments scientifiques devront être déposés. Elle est elle aussi dérivée des caméras des rovers Spirit et Opportunity, plus précisément des caméras d'évitement de dangers (HazCam). Fournissant des images en noir & blanc avec une résolution de 1024x1024, il s'agit d'une caméra grand angle, possédant un champ de vision de 124°.

    Le rôle de la caméra de contexte ICC est d'imager le mieux possible le secteur situé devant le bras robotique, qui lui apparaîtra totalement dégagé. Avec les images stéréo de la caméra IDC, elle permettra aux ingénieurs de réaliser un modèle numérique de terrain en 3D du sol martien. Grâce à ce dernier, les endroits les plus appropriés à la dépose des instruments pourront être déterminés avec précision.

    La caméra ICC située sous le pont de l'atterrisseur InSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).La caméra ICC située sous le pont de l'atterrisseur InSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

    Dernière mise à jour : 22 février 2016

 

Mars Cube One

Deux anges gardiens pour InSight

Dans son périple vers la planète Mars, la sonde InSight est accompagnée par des anges gardiens très particuliers : deux nanosatellites de la taille d'une valise, totalement autonome, et dont le rôle sera de relayer vers la Terre des informations cruciales durant le déroulement de la phase d'atterrissage.

Des satellites autonomes de la taille d'une valise

Nanosatellite Mars Cube One. Ce satellite CubeSat jouera le rôle de relais de communication durant la phase d'atterrissage (© NASA/JPL)Nanosatellite Mars Cube One. Ce satellite CubeSat jouera le rôle de relais de communication durant la phase d'atterrissage (© NASA/JPL)

Baptisés Mars Cube One (MarCO), ces nanosatellites répondant au standard CubeSat sont des démonstrateurs technologiques qui serviront à valider différents systèmes qui pourraient jouer un rôle essentiel dans le futur de l'exploration planétaire. Si les nanosatellites, dont certains sont conçus par des universités, sont de plus en plus courant autour de la Terre, aucun ne s'est encore aventuré dans l'espace profond.

Les nanosatellites CubeSat sont des satellites miniatures, constitués d'un nombre variable d'unité, chaque unité (U) ayant la forme d'un cube de 10 cm de côté. Les nanosatellites Mars Cube sont assemblés avec 6 unités chacun (6U).

Les deux Mars Cube One occupent un volume relativement réduit : ils mesurent 36,6 cm de longueur, pour 24,3 centimètres de largeur et 11,8 centimètre de hauteur, soit la taille d'un petit bagage cabine. Ils disposent de tous les sous-systèmes rencontrés sur des satellites de plus grand taille, et sont donc totalement autonomes. Jugez plutôt : chaque Mars Cube possède deux panneaux solaires, un système de propulsion par gaz froids pour les corrections de trajectoire et les changements d'orientation dans l'espace, et des senseurs solaires pour se repérer dans l'espace.

Conçus comme des relais radio, ils sont également bardés d'antennes de communication fonctionnant en bande X, à la fois en réception et en transmission. La plus grande est une antenne grand gain rectangulaire déployable, dont la conception la rend tout à fait comparable aux antennes paraboliques classiquement utilisées sur les satellites. Des antennes à moyen gain et à faible gain viennent épauler l'antenne grand gain. Enfin, chaque MarCO est également équipé d'une antenne UHF (qui fonctionne seulement en réception) pour pouvoir écouter les signaux UHF qui seront émis par InSight lors de sa descente vers Mars. Les communications auront lieu avec un débit de 8 kbps, que ce soit entre InSight et les MarCO, ou entre les MarCO et les antennes de 70 mètres du réseau terrestre d'écoute de l'espace lointain (DSN) de la NASA.

Dessin d'artiste de deux nanosatellites Mars Cube (© NASA/JPL)Dessin d'artiste de deux nanosatellites Mars Cube en train de relayer les données durant la phase d'atterrissage d'InSight (© NASA/JPL)Orbitant autour de la planète depuis mars 2006, la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) a été choisie pour suivre la plongée d'InSight vers la surface rouillée de la planète rouge en novembre 2018.

Cependant, malgré sa puissance, Mars Reconnaissance Orbiter n'a pas été conçu pour pouvoir d'un côté recevoir les données UHF d'InSight, et de l'autre retransmettre simultanément ces mêmes informations dans une autre fréquence, en bande X, vers la Terre.

De plus, les positions relatives de la Terre, de Mars et de MRO font que ce dernier ne pourra relayer vers le centre de contrôle terrestre les données qu'il aura enregistré que plusieurs heures après l'atterrissage de la sonde InSight. Enfin, contrairement à d'autres sondes, InSight n'a pas la capacité de transmettre directement des informations à la Terre durant sa descente vers Mars. D'où l'intérêt des  deux nanosatellites MarCO, qui, en permettant de recevoir et d'émettre en même temps des signaux radios, vont offrir aux contrôleurs au sol la possibilité de suivre en direct l'arrivée fracassante d'InSight sur la plaine d'Elysium.

Passagers clandestins

Les nanosatellites seront lancés en même temps qu'InSight au mois de mai 2018. La puissance du lanceur utilisé pour injecter InSight sur sa trajectoire martienne est telle que l'emport d'une charge supplémentaire n'est en aucun cas problématique. Au lancement, les deux MarCO sont attachés sur l'extrémité basse de l'étage supérieur Centaur, près de la tuyère, dans des containers spéciaux, tandis qu'InSight est situé dans la coiffe à l'autre extrémité de l'étage Centaur, à son sommet.

Dessin d'artiste de deux nanosatellites Mars Cube (© NASA/JPL)Dessin d'artiste des deux nanosatellites Mars Cube volant en formation derrière InSight (© NASA/JPL)Le déploiement des MarCO a lieu après le début d'une manoeuvre appelé CCAM (Contamination Collision Avoidance Maneuver). Cette dernière permet d'éviter que l'étage supérieur Centaur ne s'écrase sur la planète Mars, avec les risques de contamination de la surface que cela suppose. Alors que la manoeuvre CCAM est en cours, le premier Mars Cube est déployé. L'étage Centaur effectue alors un tour de 180° sur lui-même, libère le second Mars Cube, et termine la manoeuvre d'évitement de collision.

A partir de là, les deux nanosatellites Mars Cube vont voler en formation derrière InSight, de manière autonome. Doté d'un système de propulsion, ils pourront modifier leur trajectoire durant le trajet Terre - Mars. Au moment de l'atterrissage, six mois après le lancement, ils seront aux premières loges pour retransmettre en temps réel le déroulement de ce dernier. Une fois leur mission terminée, les deux Mars Cube dépasseront Mars et iront se perdre dans l'espace interplanétaire.

Dernière mise à jour : 28 octobre 2016

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