Mars Express
Caractéristiques
Mars Express est une sonde spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA). Lancée le 2 juin 2003, cette sonde est la première mission d'exploration d'une autre planète du système solaire lancée par l'Agence européenne. La sonde comprend un orbiteur et un petit atterrisseur, Beagle 2, chargé de se poser sur la surface et de déceler d'éventuelles traces de vie.
La structure centrale de la sonde a la forme d'un parallélépipède sur laquelle se greffent les différents équipements externes. Sur une de ses faces est placée une antenne grand gain et sur deux autres, les deux panneaux solaires. Sa masse au décollage était de 1052 kg dont 427 kg de carburant et 60 kg pour l'atterrisseur Beagle 2. L'énergie électrique est fournie par deux panneaux solaires qui se déploient peu après que la coiffe du lanceur Soyouz a été éjectée. Ils ont une surface totale de 11,42 m² et fournissent 650 Watts lorsque Mars se trouve à son point le plus éloigné du Soleil.
En parcourant son orbite la sonde subit périodiquement des éclipses de Soleil d'une durée de 90 minutes durant lesquelles trois batteries lithium-ion prennent le relais. Le moteur-fusée consomme des ergols liquides contenus dans deux réservoirs de 267 litres. Le mélange est mis sous pression grâce à un réservoir d'hélium pressurisé de 35 litres et fournit une poussée de 400 newtons.
Lorsque Mars Express entame son transit vers Mars, elle utilise une antenne faible gain placée sur l'une des faces de la plateforme. Pour ses échanges de données avec la Terre, la sonde dispose d'une antenne parabolique grand gain. La charge utile de l'orbiteur est constituée de 7 instruments d'une masse totale de 116 kg :
ASPERA (Analyser of Space Plasmas & EneRgetic Atoms) est un instrument qui permet d'analyser les particules chargées et neutres autour de la planète Mars.
HRSC (High Resolution Stereo Camera) est une caméra produisant des images en 3D en couleur en haute résolution.
OMEGA (Observatoire pour la Minéralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activité) est un spectromètre opérant dans le proche infrarouge et les micro-ondes. Il étudie la composition minéralogique de surface et la distribution de certains composés de l'atmosphère.
PFS (Planetary Fourier Spectrometer) est un spectromètre infrarouge optimisé pour l'étude des différents composants de l'atmosphère martienne que sont le dioxyde de carbone (95 %), l'eau, le monoxyde de carbone, le méthane et le formaldéhyde.
MaRS (Mars Radio Science) est un instrument utilisant le système radio de l'orbiteur pour étudier l'ionosphère, l'atmosphère, la surface et le sous-sol de Mars.
MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding) est un radar destiné à la détection de présence d'eau sous forme liquide ou solide sous la surface martienne jusqu'à une profondeur de 3 à 4 km.
SPICAM (SPectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars) est un spectromètre opérant dans l'ultraviolet et l'infrarouge, mesurant le taux d'ozone et de vapeur d'eau de l'atmosphère.
Beagle 2 est un atterrisseur de très petite taille (68,8 kg) pour pouvoir être lancé par le lanceur Soyouz avec la sonde Mars Express. Il comporte :
Un bouclier chargé de le protéger durant la rentrée atmosphérique, un parachute et des coussins gonflables, et une capsule qui renferme les instruments scientifiques. Cette capsule comporte une meuleuse, une foreuse qui permet de prélever un échantillon de sol jusqu'à 3 mètres de l'atterrisseur, une paire de caméras, un microscope, un spectromètre Mössbauer et un spectromètre à rayons X.
Un spectromètre de masse installé au sein de la capsule est chargé de mesurer les proportions des différents isotopes de carbone dans l'échantillon de sol ramené par le bras : ces analyses doivent permettre de déterminer si l'échantillon contenait les restes d'organismes vivants. Enfin plusieurs capteurs doivent permettre de mesurer les caractéristiques de l'environnement : température, pression, vent, poussière, flux ultraviolet.
La charge utile est extrêmement miniaturisée puisque sa masse totale est de 11,4 kg. Une fois la capsule parvenue sur le sol martien, la capsule s'ouvre comme une huitre et déploie quatre panneaux solaires à l'arséniure de gallium qui fournissent 87 Watts lorsque le Soleil est au plus haut. L'énergie électrique est stockée dans une batterie lithium-ion. Une antenne installée dans le couvercle de la capsule permet de communiquer avec un débit de 2 à 128 Kbits par seconde avec la Terre par l'intermédiaire de l'orbiteur.
Déroulement de la mission
Mars Express est lancée le 2 juin 2003 à 17 h 45 UTC, depuis le Cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan. La sonde et l'étage supérieur sont placés d'abord sur une orbite d'attente de 200 km puis 1 heure 20 plus tard l'étage Fregat est rallumé et injecte la sonde sur une orbite de transfert vers Mars. Mars Express entame un périple de 400 millions de km en s'éloignant de la Terre à 3 km/s mais avec une vitesse de 32,4 km/s dans le référentiel héliocentrique. La trajectoire de la sonde et sa vitesse sont alors établies avec précision en mesurant le temps mis par des signaux émis par plusieurs stations au sol pour être renvoyés. Deux jours après le lancement, le 4 juin, les petits moteur-fusées de Mars Express sont utilisés pendant quelques minutes pour affiner la trajectoire. Au cours du premier mois du transit vers Mars le fonctionnement des instruments scientifiques est vérifié puis ceux-ci sont éteints. Durant le reste du transit vers Mars la sonde poursuit sa route en envoyant régulièrement des données permettant au contrôle au sol de vérifier son fonctionnement. À deux reprises la caméra HSRC est activée pour prendre en photo la Terre et la Lune puis de Mars à chaque fois à une distance de 5,5 millions de km.
Une deuxième manœuvre de correction a lieu en septembre. En novembre, un mois avant le rendez-vous avec Mars, la sonde utilise ses petits moteurs-fusées pour modifier sa trajectoire de manière à ce que l'atterrisseur Beagle qui est dépourvu de propulsion puisse atteindre Mars et se poser sur le site visé. Le 19 décembre 2003, cinq jours avant le rendez-vous avec Mars, le module Beagle 2 est désolidarisé de la sonde par un dispositif pyrotechnique et s'éloigne repoussé par un mécanisme qui comprend un ressort et qui met l'atterrisseur en rotation pour stabiliser sa trajectoire. Le 20 décembre la sonde effectue une petite correction de trajectoire. Le 25 décembre la propulsion principale est utilisée durant 37 minutes et freine la sonde de 1,3 km/s pour l'insérer sur une orbite elliptique. Les jours suivants de petites corrections sont apportées à cette orbite puis le 30 décembre une correction plus importante place la sonde sur son orbite de travail : c'est une orbite polaire avec une inclinaison de 86° un périgée de 298 km et un apogée 10107 km. Sur l'orbite choisie la sonde effectue un passage proche de Mars en longeant la surface d'un pôle à l'autre durant lequel elle fait fonctionner ses instruments scientifiques puis elle s'éloigne de Mars et après avoir tourné son antenne vers la Terre envoie les données recueillies.
La première phase dure de 0,5 à 1 heure tandis que la période de communications avec la Terre s'étale sur 6,5 à 7 heures. À chaque nouvelle passe la sonde longe une latitude légère différente : la distance entre les traces au sol de deux passages est légèrement inférieure à la largeur du balayage de la caméra haute définition.
L'atterrisseur Beagle 2 ne dispose pas pour des raisons de poids d'équipements de radio lui permettant d'envoyer des données sur sa situation après sa séparation avec l'orbiteur. La première émission radio doit être émise après son atterrissage sur le sol martien qui doit se produire le 25 décembre à 3h40. La sonde Mars Odyssey qui doit survoler le site vers 5h30 dispose d'un équipement de réception radio lui permettant de recevoir le signal de Beagle 2. Aucun signal ne sera capté par Mars Odyssey lors de son passage ni plus tard. Toute trace de Beagle 2 est définitivement perdue.
Finalement, ce sont des clichés de Mars Reconnaissance Orbiter, qui ont permis de constater que la sonde s'est bien posée sur Mars comme prévu. Le module de 70 kg s'est parfaitement posé sur la planète. Beagle 2 s'est ainsi posé à 5 km du bassin d'Isidis Planitia, le lieu prévu de son atterrissage. C'est dans la phase finale de son atterrissage que le contact avait été rompu. Une fois les parachutes et airbags déployés, Beagle 2 devait ouvrir ses "pétales" des panneaux solaires, et la procédure aurait fonctionné.
Reste que sans aucun moyen de communiquer avec la sonde, la mission est un échec, aujourd'hui relativisé par le constat que Beagle 2 ne s'est pas écrasée à l'impact. Beagle 2 avait pour objectif de détecter d'éventuelles traces de vie sur Mars. La sonde était équipée d'une foreuse capable de réaliser des prélèvements à une profondeur de deux mètres. Mars Express continue toutefois sa mission depuis janvier 2004, la sonde aura étudié l'atmosphère de Mars, le vent solaire et la structure géologique de la planète.
Résultats scientifiques
Mars Express a obtenu de nombreux résultats scientifiques :
-Confirmation de présence d'eau liquide à la surface de Mars par le passé.
-Détermination de la nature des calottes polaires et estimation du volume d'eau stockée.
-Composition de l'atmosphère martienne et interactions de celle-ci avec le vent solaire.
-Observation du cycle saisonnier de l'eau.
-Cartographie tridimensionnelle des reliefs.
-Détection de roches démontrant l'existence passée de phénomènes d'érosion.
En mars 2004, le spectromètre FPS détecte la présence de petites quantités de méthane dans l'atmosphère. La présence de ce gaz, qui a une durée de vie sur Mars de 440 ans s'il n'est pas renouvelé, est intrigante à plus d'un titre, car il ne peut avoir que deux origines, volcanique et bactérienne. La mission d'une durée initiale de 23 mois a été prolongée à plusieurs reprises et doit désormais s'achever fin 2020.
