Insight


Caractéristiques
InSight (acronyme de l'anglais Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport, et traduit en français par Exploration interne par les sondages sismiques, la géodésie et les flux thermiques) est une mission d'exploration de la planète Mars développée par la NASA. La sonde a décollé le 5 mai 2018 et a atterri à la surface de Mars le 26 novembre 2018.
Il s'agit de la première mission entièrement consacrée à l'étude de la structure interne de Mars, dont les caractéristiques sont mal connues, dans le but de reconstituer son histoire géologique. Les données collectées permettront également d'améliorer les modèles de formation et d'évolution des planètes rocheuses du système solaire (Mercure, Vénus, la Terre, ainsi que de la Lune).
La sonde spatiale réutilise l'architecture de la mission Phoenix, qui s'était posée en 2008 dans la région polaire de Mars. C'est un engin de petite taille (moins de 700 kilogrammes). La charge utile est fournie par des partenaires européens. L'instrument principal, le sismomètre SEIS est conçu par l'Institut de physique du globe de Paris et fourni sous maitrise d’œuvre de l'agence spatiale française (CNES), tandis que HP3 est développé par l'Allemagne.
La sonde spatiale fut fabriquée par le constructeur Lockheed Martin Space Systems, dans son établissement de Denver au Colorado. Dans la configuration adoptée durant son transit vers Mars, la sonde spatiale avait une hauteur de 1,76 mètre, un diamètre de 2,64 mètres (au niveau de son bouclier thermique), tandis que les deux panneaux solaires, déployés après le lancement, portent son envergure à 3,40 mètres.
La sonde spatiale comprenait trois sous-ensembles :
- L'étage de croisière (79 kg), qui prenait en charge le transit entre la Terre et Mars.
- Le bouclier thermique (189 kg), qui protègeait l'atterrisseur durant la descente vers le sol de Mars et qui comprenait un parachute.
- L'atterrisseur (358 kg), qui emportait les différents instruments scientifiques.
L'étage de croisière fournissait l'énergie nécessaire aux systèmes de vol (ordinateur de bord, moteurs pour les changements de trajectoire...) pendant toute la durée de cette phase. Le cœur de l'étage de croisière était un cylindre court, de 95 centimètres de diamètre, sur lequel étaient fixés de part et d'autre deux panneaux solaires. Ceux-ci portaient l'envergure de l'étage de croisière à 3,4 mètres. D'une superficie de 3,2 m², ils fournissaient une puissance de 957 watts au voisinage de la Terre et de 477 watts à proximité de Mars. L'équipement installé comprenait des antennes faible et moyen gain, un émetteur radio en bande X, deux capteurs solaires et deux viseurs d'étoiles.

Le fonctionnement de l'étage de croisière reposait en partie sur des équipements installés dans le bouclier thermique. Ainsi, pour corriger sa trajectoire ou modifier son orientation dans l'espace, l'étage de croisière utilisait 8 petits moteurs-fusées, regroupés par 2 dont la tuyère émergeait du bouclier thermique arrière par 4 orifices. De même, durant le transit, c'est l'ordinateur embarqué de l'atterrisseur qui pilotait les opérations.
Le bouclier thermique assurait la protection thermique de l'atterrisseur durant la rentrée atmosphérique, lorsque l'étage pénètrait à grande vitesse (environ 6 k/sec) dans les couches plus épaisses de l'atmosphère martienne et que la température de la face avant atteignait environ 1500 °C. Le bouclier thermique était composé de deux éléments, tous deux de forme conique et d'un diamètre de 2,64 mètres : le bouclier avant, plus aplati, était haut d'environ 60 centimètres, tandis que le bouclier arrière faisait environ 1 mètre de haut. Cette coque, qui enveloppait l'atterrisseur, le protègeait de la chaleur grâce à un revêtement en fibres de verre remplie principalement avec des granulés de liège, qui recouvrait sa surface en couches plus épaisses sur le bouclier avant, plus exposé. Il incluait les parachutes destinés à réduire la vitesse de descente une fois le bouclier thermique largué.
L'atterrisseur se présentait sous la forme d'une plateforme de 1,5 mètre de diamètre, posée sur 3 pieds comportant un système d’absorption de choc. Sa masse était de 360 kg, dont 50 kg pour les instruments scientifiques, sans compter les 67 kg d'ergols. Sa hauteur, entre la base de ses pieds et le plateau supérieur, était comprise entre 83 et 108 centimètres, en fonction du degré d'écrasement des jambes résultant de l'impact de l'atterrissage. Son envergure, une fois les panneaux solaires déployés, était de 6 mètres. Les deux panneaux solaires, en forme de décagones réguliers, fournissaient entre 600 et 700 watts lorsque la luminosité était bonne et au minimum 200 à 300 watts quand les panneaux sont recouverts de poussière. Ils alimentaient deux batteries lithium-ion, d'une capacité unitaire de 25 ampères-heures.
Les équipements installés sur le plateau supérieur comprenaient une antenne hélicoïdale UHF, pour transmettre des données aux orbiteurs martiens, et deux antennes moyen gain en bande X pour communiquer directement avec la Terre. Un bras préhensile était également fixé sur le plateau : il était chargé d'installer sur le sol le sismomètre, sa protection thermique et l'instrument de mesure des flux thermiques, fixés sur le plateau jusqu'à l'arrivée sur Mars. Sur le plateau supérieur se trouvaient également des capteurs faisant partie de la suite APSS (Auxiliary Payload Sensor Subsystem), mesurant le champ magnétique local, la température, la pression ainsi que la vitesse et la direction du vent. On trouvait également deux puces électroniques contenant les noms de 2,4 millions de personnes, recueillies sur internet dans le cadre d'une campagne intitulée "envoyez votre nom sur Mars".
L'avionique était enfermée dans une enceinte isolée thermiquement, située sous le plateau. Elle comprenait notamment l'ordinateur embarqué, présent en deux exemplaires, qui contrôlait les opérations durant l'ensemble de la mission, du transit vers Mars jusqu'à l'achèvement de la mission. Les données scientifiques étaient stockées dans une mémoire de masse de type mémoire flash, d'une capacité de 64 gigaoctets.
Insight embarquait deux instruments scientifiques contribuant aux principaux objectifs de la mission et déposés sur le sol de Mars à l'aide d'un bras télécommandé : le sismomètre SEIS et le capteur de flux de chaleur HP3. Cette charge utile était complétée par une station météorologique et un magnétomètre, contribuant à affiner les mesures effectuées par les deux instruments principaux.

Le SEIS, est un sismomètre à trois axes qui prend des mesures précises des séismes et autres activités internes sur Mars, afin de mieux comprendre l'histoire de la planète et la conformation de sa structure. L'instrument, qui a une masse totale de 29,5 kg, est composé de capteurs sismiques, associés à des capteurs de température, un boitier électronique pour l'acquisition des données, un système de déploiement et un logiciel chargé de faire fonctionner l'ensemble. Le cœur de l'instrument est constitué par des capteurs très large bande VBB, capable de percevoir des ondes sismiques dont la fréquence est comprise entre 0,001 et 10 hertz. Ce sont trois pendules d'une très grande sensibilité, chacun destiné à la mesure des mouvements du sol dans un des trois axes. Les capteurs très large bande sont enfermés dans une enceinte sphérique, de la taille d'un melon, réalisée en titane. SEIS comprend également trois capteurs sismiques de courte période fixés sur la paroi extérieure de la sphère. Ceux-ci sont optimisés pour mesurer les ondes sismiques dont la fréquence est supérieure au hertz. L'ensemble est recouvert d'une cloche, dont le rôle est de bloquer le vent et la poussière et d'atténuer les changements de température.

L'instrument HP3, fourni par l'agence spatiale allemande, est un capteur de flux de chaleur, qui s'enfonce jusqu'à une profondeur de 5 mètres dans le sous-sol martien, plus profondément que tous les instruments utilisés jusque-là sur Mars : pelles, foreuses et sondes. C'est la première fois qu'un instrument de ce type est utilisé sur le sol d'une planète autre que la Terre. HP3 doit mesurer la quantité de chaleur dégagée depuis le noyau de Mars et fournir ainsi des indices sur l'histoire thermique de la planète. La profondeur visée (5 mètres) a été choisie pour que les mesures ne soient pas perturbées par les variations quotidiennes et saisonnières de la température de la surface. Cette profondeur est suffisante, car contrairement à la Terre, il n'y a pas de nappes d'eau souterraines pouvant perturber la circulation de la chaleur interne.

La mission comprend également une expérience de radio-science, baptisée RISE, pour Rotation and Interior Structure Experiment (expérience rotation et structure intérieure). Le système de télécommunications d'InSight sera mis à contribution pour identifier les oscillations de l'axe de rotation de Mars, en mesurant l'effet Doppler induit sur les transmissions radio. Ces variations touchant l'axe de rotation sont liées à l'absence d'homogénéité à l'intérieur de la planète. Leurs mesures doivent permettre de mieux comprendre la structure interne de Mars.
InSight embarque la suite d'instruments APSS, qui doit fournir le contexte environnemental permettant l'interprétation des données du sismomètre. Cette suite comprend un magnétomètre et la mini-station météorologique TWINS. Les capteurs de cette station comprennent un baromètre, un anémomètre et un thermomètre. Le magnétomètre  mesure le champ magnétique avec une précision de 0,1 nT. Le baromètre est capable de détecter des fluctuations de 6 millipascals.
InSight doit déployer ses instruments, une fois arrivé au sol. Ceci est effectué par l'IDS (Instrument Deployment System), qui comprend un bras articulé, assisté de deux caméras dont les caractéristiques ne diffèrent que par l'optique utilisée. Le bras, qui est fixé sur le plateau supérieur, est long de 1,8 mètres et comprend trois articulations (épaule, coude, poignet) actionnés par 4 moteurs. Au bout du bras se trouve un grappin formé de 5 doigts qui est utilisé pour attraper les trois éléments qui seront déposés sur le sol de Mars.


Déroulement de la mission
Le lancement d'InSight a eu lieu le 5 mai 2018. Le premier étage a fonctionné durant 244 secondes puis 16 secondes après son extinction, l'étage Centaur a pris le relais. Celui-ci a placé la sonde spatiale sur une orbite de parking quasi circulaire, à 185 kilomètres d'altitude. Après une phase de navigation inertielle (sans propulsion) d'environ 60 minutes, l'étage Centaur fut rallumé pendant environ 5 minutes, pour donner à la sonde spatiale une vitesse suffisante et entamer son transit vers Mars. Une fois que InSight s'est séparée du lanceur, les deux nano-satellites MarCO furent largués à leur tour et entamèrent de manière autonome leur propre transit vers Mars. Ils ont servi à titre expérimental de relais de télécommunications entre la Terre et Insight durant la descente de celui-ci vers la surface de Mars. Il s'agit des premiers satellites de cette taille (environ 13,5 kilogrammes) utilisés dans le cadre d'une mission interplanétaire.

Le transit vers Mars a duré 205 jours. La sonde spatiale a suivi une orbite qui lui a fait parcourir 485 millions de kilomètres. Durant son vol, six manœuvres de correction de trajectoire furent effectuées, pour permettre à la sonde spatiale d'arriver précisément à destination.
Au moment de la rentrée atmosphérique de Mars, l'étage de croisière, qui a achevé sa mission, fut largué. La sonde spatiale est désormais constituée de l'atterrisseur, enfermé dans son bouclier thermique. 30 secondes plus tard, InSight modifie son orientation, de manière à présenter vers l'avant de sa trajectoire en direction de la planète le bouclier thermique avant, le mieux protégé contre la chaleur. L'émetteur radio commence à transmettre des données sur son fonctionnement, par le biais d'une antenne patch fixée sur son bouclier arrière. Ces données doivent permettre de vérifier le déroulement de la phase critique de la descente et, si un incident se produit, fournir les paramètres susceptibles de l'expliquer. Ces signaux sont captés à la fois par l'orbiteur martien Mars Reconnaissance Orbiter, déjà en poste et les nano-satellites MarCO, qui font partie de la mission. Ces derniers retransmettent en temps réel, tandis que MRO les transmettra par la suite. Sur Terre, trois radiotélescopes seront en position de pouvoir recevoir des informations relativement rudimentaires sur le déroulement de la descente sur le sol martien, avec un décalage de 8 minutes, du fait de la distance que le signal doit parcourir.

InSight pénètre dans l'atmosphère martienne à une vitesse de 5,5 k/sec. La chaleur générée par la friction de l'atmosphère de Mars, pourtant très peu épaisse, porte le bouclier thermique avant à une température qui, 90 secondes après le début de la rentrée, culmine à 1500 °C. L'ouverture du parachute s'effectue environ 3,5 minutes après le début de la rentrée atmosphérique alors que InSight ne se situe plus qu'à 13 kilomètres au-dessus du sol et que sa vitesse a chuté à 446 mètres par seconde. Le déploiement du parachute entraine une brutale décélération. Dix secondes plus tard, l'ordinateur embarqué déclenche la phase finale de la descente : le radar et une batterie auxiliaire destinée à renforcer la batterie principale durant la phase critique de l'atterrissage sont mis en marche. InSight va descendre sous son parachute durant 3 minutes. Au cours des 25 premières secondes, il éjecte son bouclier thermique avant, puis déplie son train d'atterrissage, qui était jusque-là en position repliée. Le radar est ensuite utilisé pour déterminer la distance au sol. Lorsque la vitesse de descente n'est plus que de 60 mètres par seconde, la sonde spatiale largue à la fois son parachute et le bouclier thermique arrière. Elle ne se trouve plus qu'à 1200 mètres du sol et sa vitesse de descente a chuté à 60 mètres par seconde (200 km/h). Les communications passent désormais par l'antenne UHF installée sur le pont supérieur de l'atterrisseur. Les 12 moteurs-fusées sont mis en marche, pour poser en douceur l'atterrisseur. À une altitude de 50 mètres au-dessus du sol, la vitesse de descente est stabilisée à 2,4 mètres par seconde et une trentaine de secondes plus tard, l'atterrisseur touche le sol à cette vitesse (8,6 km/h) le 26 novembre 2018.
Le 19 décembre 2019, l’instrument SEIS a été déployé sur le sol martien avec succès grâce au bras robotique du vaisseau mère. Avant d'être couvert par son bouclier protecteur, SEIS a capté un léger bourdonnement causé par les vibrations des vents martiens. Les scientifiques de la NASA ont estimé que les vents soufflaient entre 6 et 24 km/h du nord-ouest au sud-est, qui correspond à la direction des traînées de poussière observées sur la zone d’atterrissage depuis l’orbite.
Le 2 février 2019, la sonde a déployé avec succès son bouclier WTS (acronyme de Wind and Thermal Shield, qui signifie bouclier contre le vent et les températures), recouvrant le sismomètre à la manière d'une cloche. L'opération a été conduite par le bras robotisé de la sonde InSight. Le sismomètre est désormais correctement stabilisé sur ses trois pieds.
Le 12 février 2019, le bras robotique de l'atterrisseur a posé avec succès l'expérience HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) sur le sol de Mars. Ce thermomètre conçu pour mesurer le flux de chaleur s'échappant de l'intérieur de la planète, a commencé à percer la surface le 28 février 2019, mais a rapidement rencontré un obstacle. Le forage a repris le 2 mars, sans succès. La sonde serait bloquée par un rocher ou du gravier. Malgré cet accroc, la sonde de HP3 est en bon état. Elle s'est enfoncée de 30 cm environ dans le sol martien et est inclinée de 15° par rapport à la verticale.
Le 22 mai 2019, SEIS enregistré un séisme de magnitude 3, le plus puissant jamais enregistré jusqu'à maintenant.
En juillet 2019, InSight a soulevé la structure de support qui obstruait à sa vue le capteur de flux thermique HP3, surnommé « la taupe ». Première étape du plan de sauvetage imaginé par les équipes de la mission pour tenter de résoudre le problème, la manœuvre a été réalisée avec succès par InSight à l'aide de son bras robotique, exposant ainsi la sonde en partie enfoncée dans le sol aux caméras de l'atterrisseur, et donc aux ingénieurs sur Terre.


Résultats scientifiques
InSight a battu un record dès son premier jour martien. Ses panneaux solaires ont en effet produit plus d'énergie que tout autre véhicule posé sur Mars, atteignant 4588 watts/heure. Depuis son atterrissage, la sonde InSight permet également d'avoir un bulletin météo quotidien des conditions martiennes depuis la plaine d'Elysium (Elysium Planitia) où elle est située. Les informations météorologiques sont obtenues avec un ensemble de capteurs auxiliaires de surveillance de l'environnement, qui permettent de mesurer la température, le vent, la pression atmosphérique ainsi que le champ magnétique local.
 
   

(heure de Paris)
Lever de Mars: 6h32
Coucher de Mars: 14h37
Distance Terre-Mars
330,0 millions de km
 
   
 
 
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