ExoMars Trace Gas orbiter


Caractéristiques
ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) est une sonde interplanétaire développée par l'Agence spatiale européenne placée en orbite autour de la planète Mars pour étudier la présence et l'origine des gaz présents dans l'atmosphère martienne à l'état de trace, notamment le méthane dont elle doit tenter de déterminer s'il est d'origine biologique.
La sonde spatiale d'une masse de plus de 4 tonnes transporte une charge utile de 712 kg comprenant quatre groupes d'instruments (spectromètres, caméras, détecteurs de neutrons) et l'atterrisseur expérimental européen Schiaparelli qu'elle a largué à proximité de Mars. Celui-ci devait se poser sur Mars et permettre ainsi de valider les techniques de rentrée atmosphérique et d'atterrissage sur cette planète. Mais Schiaparelli s'est écrasé à l'atterrissage sur Mars le 19 octobre 2016, en raison de l'échec de la procédure de freinage.
L'agence spatiale russe Roscosmos participe à la mission en fournissant une partie de l'instrumentation scientifique en contrepartie de la prise en charge du lancement. ExoMars Trace Gas Orbiter fait partie du programme européen Exomars et doit, à ce titre, également servir de relais de télécommunications entre la Terre et les engins européens de ce programme qui doivent se poser sur le sol martien.
Avant de signer un partenariat avec Roscosmos, le projet Exomars associait la NASA et l'Agence spatiale européenne. La première matérialisation de cet accord regroupait quatre engins spatiaux :
- L'orbiteur ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO).
- L'atterrisseur ExoMars EDM (Schiaparelli).
- Le rover ExoMars, développé par l'ESA, qui doit rechercher la présence de vie sur Mars et étudier la surface de la planète pour y détecter des indices de présence d'eau .
- Le rover MAX-C, développé par la NASA, qui doit pouvoir rechercher des indices de la vie, prélever des carottes dans le sous-sol martien et les stocker pour une future mission de retour d'échantillons sur Terre qui reste à définir.
Mais en 2011, la NASA soumise à une pression budgétaire importante se retire du programme après avoir proposé dans un premier temps d'en diminuer les coûts en fusionnant les deux projets de rover.
Pour faire face à ses contraintes budgétaires qui ne lui permettent pas de mener seule les missions planifiées, l'ESA se tourne vers l'agence spatiale russe Roscosmos qui accepte d'intégrer le programme ExoMars. Selon les termes d'un accord conclu en mars 2012, l'agence spatiale russe fournit les deux lanceurs Proton nécessaires, une partie de l'instrumentation scientifique de TGO ainsi que le véhicule de rentrée et de descente qui doit poser le rover européen sur le sol martien.
La plateforme d'ExoMars TGO est fournie par l'entreprise allemande OHB-System (structure, système de propulsion, protection thermique, câblage électrique central) et complétée avec des composants du bus Spacebus développé par Thales Alenia Space pour ses satellites de télécommunications géostationnaires. La structure centrale est un cylindre d'un diamètre de 1,20 mètre. La propulsion principale est assurée par un moteur-fusée biergol Leros1b de 645 newtons de poussée qui consomme un mélange hypergolique d'hydrazine et de peroxyde d'azote. Six propulseurs monergol de 22 N de poussée sont chargés d'effectuer des corrections de trajectoire demandant un delta-v modéré et de contrôler l'orientation du satellite durant les moments critiques en particulier durant les phases d'aérofreinage et juste avant la libération de l'atterrisseur. L'énergie électrique est fournie par des panneaux solaires d'une superficie de 20 m2 produisant 2 000 watts au niveau de l'orbite de Mars. Les panneaux sont orientables avec 1 degré de liberté. L'énergie est stockée dans deux batteries lithium-ion d'une capacité de 180 A-h permettant d'alimenter le satellite durant les phases d'éclipse. Lorsque les instruments scientifiques fonctionnent, les contrôles d'attitude et d'orientation sont pris en charge par les seules roues de réaction ayant un couple de 20 Nm.
Les télécommunications sont prises en charge par deux transpondeurs d'une puissance de 65 watts en bande X et bande Ka (secours) utilisant une antenne à grand gain de 2,2 mètres de diamètre. TGO possède par ailleurs trois antennes faible gain et deux transpondeurs pour les liaisons de proximité en bande UHF avec les rovers se trouvant à la surface de Mars. L'orbiteur a une masse à vide de 1,365 tonne dont 125 kg de charge utile.

ExoMars TGO embarque plusieurs instruments scientifiques dont certains sont fournis par la Russie.
- NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) est un ensemble de spectromètres mesurant le spectre de la lumière du Soleil sur différentes longueurs d'onde (infrarouge, visible, ultraviolet) qui, soit traversent le limbe atmosphérique de Mars, soit sont réfléchies par son sol. L'instrument SO effectue des observations lorsque Mars occulte le Soleil. Il permet d'observer 6 petites portions du spectre infrarouge en 1 seconde. Lors d'une occultation du Soleil (durée 5 minutes), il permet d'obtenir 300 spectres par longueur d'onde et ainsi de fournir un profil vertical de l'atmosphère de la base au sommet. LNO est utilisé pour analyser la lumière réfléchie par le sol martien au nadir. Sa sensibilité est accrue par rapport à SO pour prendre en compte la quantité plus faible du rayonnement analysé. UVIS est un instrument très léger qui fournit des informations complémentaires en particulier sur les concentrations d'ozone, d'acide sulfurique et d'aérosols.
- ACS (Atmospheric Chemistry Suite) est un ensemble de trois spectromètres utilisé pour déterminer le spectre de la lumière solaire réfléchie par le sol martien ou traversant l'atmosphère martienne lors d'une occultation du Soleil par la planète. Les spectres sont mesurés par les trois instruments qui composent ACS respectivement dans le proche infrarouge (NIR), moyen infrarouge (MIR) et infrarouge thermal (TIR). Ces longueurs d'onde ont été choisies car elles permettent de détecter l'eau, le méthane et d'autres constituants mineurs de l'atmosphère et d'étudier la structure de l'atmosphère ainsi que sa photochimie. Ces spectromètres permettent d'établir des profils verticaux de l'atmosphère de Mars avec la composition (gaz, ratios isotopes, aérosols), et de détecter éventuellement de nouvelles molécules.
- CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) est une caméra pouvant prendre des images à haute résolution de la surface de Mars (5 mètres/pixel) avec la possibilité de réaliser des photos en relief avec une résolution verticale de 5 mètres. L'instrument est utilisé pour identifier les sources potentielles des gaz libérés dans l'atmosphère martienne. Il doit également permettre d'étudier les processus dynamiques à l’œuvre à la surface de Mars - sublimation, érosion, volcanisme - susceptibles d'être à l'origine de gaz libérés dans l'atmosphère.
- FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) est un détecteur de neutrons disposant d'un module de collimation pour restreindre le champ optique de l'instrument afin de dresser des cartes à haute résolution de l'abondance de l'hydrogène dans la couche superficielle du sol de Mars. FREND mesure le flux de neutrons en provenance de la surface de Mars qui sont le résultat du bombardement de celui-ci par les rayons cosmiques.



Déroulement de la mission
La sonde spatiale a été lancée le 14 mars 2016 par une fusée russe Proton. Après s'être insérée en orbite autour de Mars le 19 octobre 2016, la mission a utilisé la technique de l'aérofreinage avant d'entamer la phase scientifique de la mission qui doit s'achever en 2022.
La manœuvre d'insertion en orbite autour de Mars est conçue de manière à maintenir la liaison UHF avec l'atterrisseur EDM/Schiaparelli durant sa descente sur le sol martien pour recueillir les données télémétriques et pouvoir effectuer un diagnostic même si l'arrivée sur le sol martien ne se déroule pas de manière normale. L'orbiteur a débuté une séquence de freinage à l'aide de sa propulsion principale d'une durée de 139 minutes qui réduit sa vitesse de 1,5 km/s et l'a placé sur une orbite elliptique autour de Mars. ExoMars TGO s’est inséré sur l'orbite haute elliptique prévue avec un périgée se situant entre 230 et 310 km au dessus de la surface, un apogée à 98000 km avec une période orbitale de 4,2 jours. Il est resté sur cette orbite durant 8 jours après l'atterrissage pour que l'orbiteur puisse effectuer un passage supplémentaire au-dessus du site d'atterrissage de Schiaparelli. ExoMars TGO a ensuite entamé une série de manœuvres à l'aide de sa propulsion pour réduire son apogée et faire passer son inclinaison orbitale à 74° et sa période à 1 sol. Les réductions consécutives de son apogée ont été effectuées en utilisant la technique de l'aérofreinage c'est-à-dire en manœuvrant de manière à faire passer l'orbiteur dans les couches denses de l'atmosphère martienne et ainsi ralentir la sonde et réduire son orbite.
Durant cette phase TGO a réalisé 740 passages dans l'atmosphère basse ce qui a réduit sa vitesse orbitale de 782 m/s. Cette phase s'est achevé le 20 février 2018 avec une dernière manœuvre propulsive de 16 minutes qui a remonté le périgée et placé l'engin spatial sur une orbite provisoire de 200 x 1047 km. Au cours du mois suivant 10 manœuvres successives ont placé TGO sur son orbite circulaire définitive de 400 km avec une période de 2 heures. La phase scientifique de la mission a débuté le 21 avril 2018. Durant l'été 2018 TGO a commencé à jouer son rôle de relais entre les rovers circulant à la surface de Mars et la Terre. À l'issue de cette phase, le rover de la mission ExoMars 2020 devrait arriver en 2021. La mission prioritaire de l'orbiteur sera, à compter de cette date, de jouer le rôle de relais de télécommunications entre ce nouveau rover et la Terre.


 
Résultats scientifiques
Spécialement conçue pour permettre la détection et la localisation depuis l'espace de sources de méthane dans l'atmosphère de Mars, ExoMars TGO n'a pour le moment détecté aucune trace de méthane. C'est intriguant mais pas totalement négatif. On s'attendait en effet à trouver tout de même un peu de méthane provenant de la chute des micrométéorites subissant des réactions chimiques dans l'atmosphère même de la planète. Si du méthane est bien parfois émis sur Mars, il doit donc venir de sa surface.
Les observations de TGO vont se poursuivre et la précision des données augmentant, on va pouvoir mettre des bornes de plus en plus basses sur la présence ou  non de méthane, même saisonnière, sur Mars puisque la sonde va continuer son travail jusqu'en 2022. Mais peut-être, aura-t-on des résultats plus enthousiasmants avant, avec l'arrivée prochaine des rovers ExoMars 2020 et Mars 2020, respectivement de l'ESA de la Nasa.
 
   
 
 
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