Perseverance (Mars 2020)


Caractéristiques
Mars 2020 est une mission spatiale d'exploration développée par le Jet Propulsion Laboratory, établissement de la NASA. Une fois sur le sol martien le rover Perseverance doit être déployé pour remplir les objectifs de la mission. Le but principal de Mars 2020 est de prélever jusqu'à 43 carottes de sol et de roches sur des emplacements qui ont été favorables à l'apparition de la vie et qui en conserveraient des traces. Le résultat de ces prélèvements doit être placé par l'astromobile dans plusieurs caches. Ces échantillons seront ramenés sur Terre par une future mission de retour d'échantillons dont les caractéristiques et le planning restent à définir. Le but final est de pouvoir effectuer une analyse fine de ces échantillons du sol martien, notamment d'identifier d'éventuelles formes de vie anciennes, en utilisant des instruments terrestres qui disposent d'une puissance sans commune mesure avec ceux embarqués dans les engins spatiaux fortement contraints par leur masse.
Pour remplir sa mission l'astromobile Perseverance reprend l'architecture du rover Curiosity. L'astromobile dispose d'une palette d'instruments scientifiques qui doivent lui permettre d'identifier de la manière la plus efficace les échantillons de sol présentant un intérêt pour leur analyse ultérieure.
Le lancement de Mars 2020 est prévu en juillet 2020. L'astromobile doit atterrir en février 2021 dans le cratère Jezero. Ce site, emplacement d'un ancien lac permanent qui conserve les traces de plusieurs deltas de rivière, a été retenu parce qu'il a pu constituer un lieu favorable à l'apparition de la vie et parce qu'il présente une grande diversité géologique. Le cratère est situé dans la région de Nili Fossae, sur la bordure nord-ouest du bassin Isidis Planitia, témoin du dernier épisode sur Mars du grand bombardement et qui remonte à plus de 3,9 milliards d'années.

En mai 2018, les responsables de la NASA, après une phase d'évaluation, décident que Mars 2020 embarquera à titre expérimental le petit hélicoptère Mars Helicopter Scout (MHS) de 1,8 kg chargé de tester le recours à des vols de reconnaissance optique (photo ci-dessous). Cette expérimentation doit durer une trentaine de jours. Le coût de la mission Mars 2020 est estimé à 2,5 milliards de dollars américains en incluant le lancement et la conduite des opérations durant la mission primaire, qui doit durer deux années terrestres.

La sonde spatiale Mars 2020 reprend l'architecture de l'engin de la mission Mars Science Laboratory. Comme celui-ci et comme les sondes spatiales ayant atterri sur Mars qui l'ont précédé, il se compose de quatre éléments principaux:
- L'étage de croisière: Sa structure cylindrique en aluminium de 4 mètres de diamètre à une masse de 539 kg qui coiffe le reste de la sonde et supporte sur la partie opposée à celle-ci l'adaptateur permettant de solidariser MSL et son lanceur. Son rôle est de prendre en charge le transit de la sonde spatiale entre l'orbite terrestre et la banlieue de Mars. À l'approche de Mars, l'étage de croisière, qui achève sa mission et constitue désormais une masse pénalisante, est largué avant que le véhicule de rentrée n'entame la rentrée atmosphérique. L'étage de croisière effectue à l'aide de son système de propulsion les 5 à 6 corrections de trajectoire nécessaires pour que la sonde se présente à proximité de la planète Mars avec la vitesse et la position lui permettant d'effectuer un atterrissage de précision. Durant le transit de 8-9 mois entre la Terre et Mars, il assure la surveillance et la maintenance des équipements de l'ensemble de la sonde.

- Le véhicule de rentrée: La traversée de l'atmosphère martienne à une vitesse initiale atteignant 6 km par seconde provoque un échauffement important des parties externes de la sonde qui atteignent une température de 2100 °C. Pour protéger l'astromobile durant cette phase, il est encapsulé dans un véhicule de rentrée. Celui-ci est composé d'un bouclier thermique avant, conçu pour résister à la forte chaleur que subit cette partie de la sonde, et d'un bouclier arrière, qui notamment contient le parachute. Le véhicule de rentrée a la forme d'une sphère-cône de demi-angle de 70°, héritage du programme Viking repris sur tous les engins de la NASA envoyés à la surface de Mars par la suite. Par contre, la sonde innove avec des moteurs-fusées qui permettent de contrôler de manière active et non plus passive l'orientation du véhicule de rentrée jusqu'au déploiement du parachute afin de corriger les écarts par rapport à la trajectoire nominale et de permettre un atterrissage de précision. Le bouclier encapsule l'étage de descente et l'astromobile et est solidaire de l'étage de croisière durant le transit Terre-Mars.
- L'étage de descente: Il prend en charge la dernière phase de la descente et dépose en douceur l'astromobile sur le sol martien. Une fois cette mission achevée, il reprend de la hauteur et va s'écraser à quelques centaines de mètres de l'astromobile. Pour réaliser sa mission, l'étage de descente comprend huit moteurs-fusées d'une poussée unitaire modulable entre 400 et 3060 newtons, huit petits moteurs-fusées chargés du contrôle de l'orientation de la sonde, un radar doppler en bande Ka, comportant 6 antennes émettant autant de faisceaux sous différents angles. Dès que le bouclier thermique est largué le radar est chargé de déterminer l'altitude de la sonde et sa vitesse par rapport au sol martien. Trois câbles reliés à un enrouleur et un cordon ombilical relient l'astromobile et l'étage de descente lorsque celui-ci dépose l'astromobile sur le sol martien.
- Le rover: L'astromobile est basé sur Curiosity mais comporte plusieurs différences qui portent sur les instruments embarqués, le bras (plus massif), la présence d'un espace de stockage des échantillons martiens, et les roues modifiées pour tenir compte des déboires rencontrés par Curiosity. Ces modifications se traduisent par une masse nettement supérieure (1050 kilogrammes contre 899 kg). L'astromobile est long de 3 mètres (en ne prenant pas en compte le bras), large de 2,7 mètres et haut de 2,2 mètres.
Le rover de Mars 2020, comme son prédécesseurs Curiosity, peut s'aventurer sur des pentes à 45° sans se retourner. Il peut escalader des rochers ou franchir des trous d'une hauteur supérieure au diamètre de ses roues (52,5 cm). Pour y parvenir il utilise une suspension, baptisée rocker-bogie, mise au point par la NASA pour les rovers MER : celle-ci limite l'inclinaison de la caisse du rover lorsque celui-ci franchit un obstacle qui ne soulève qu'un seul des deux côtés. Ces suspensions sont constituées par des tubes en titane. Chacune des 6 roues de 52,5 cm de diamètre est constituée d'un cylindre creux en aluminium comportant à leur surface externe 48 cannelures pour une meilleure prise dans un sol mou ou sur des rochers présentant une face abrupte. Les roues sont équipées chacune d’un moteur individuel. Chacune des 4 roues d'extrémité comporte un moteur agissant sur la direction ce qui permet au rover de pivoter sur place. Un tour de roue fait avancer le rover de 1,65 mètres. La vitesse maximale sur un terrain plat est de 4,2 centimètres par seconde soit 152 mètres par heure.
Le rover Perseverance est alimenté par un générateur thermoélectrique à radio-isotope, produit par Boeing. Celui-ci utilise 4,8 kg de dioxyde de plutonium enrichi en plutonium 238 générant une puissance initiale d'environ 2000 W thermiques. Mars 2020 dispose d'une autonomie nominale d'une année martienne, soit près de deux années terrestres, mais sa source d'énergie devrait encore fournir 100 W électriques après 14 années terrestres de fonctionnement. L'électricité est stockée dans deux batteries rechargeables au lithium ion ayant chacune une capacité de 42 Ah.

Pour transmettre les données scientifiques recueillies, les données de navigation et les données télémétriques sur son fonctionnement ainsi que pour recevoir les instructions mises au point par l'équipe à Terre, le rover dispose de trois antennes:
- Une antenne hélice quadrifilaire: Elle fonctionne en bande UHF (environ 400 Mhz) qui est utilisée pour les communications à courte portée avec les sondes spatiales en orbite autour de Mars. Le débit maximum est de 2 mégabit par seconde dans le sens rover-satellite. C'est ce mode de communication qui est privilégié car les satellites sont fréquemment à portée d'antenne du rover : les orbiteurs de la NASA MAVEN, Odyssey et MRO ainsi que celui de l'Agence spatiale européenne ExoMars TGO disposent des équipements permettant de recevoir le signal du rover, de stocker les données puis de les retransmettre vers la Terre lorsque les stations terrestres sont en vue.
- Deux antennes en bande X : Elles sont utilisées pour les communications directes avec la Terre. L'antenne à grand gain en forme d'hexagone plat de 30 centimètres de diamètre permet des débits de 160/500 bits par seconde. Elle doit être orientée avec précision vers la Terre et dispose à cet effet d'un mécanisme fournissant deux degrés de liberté ce qui permet de la tourner vers sa cible sans déplacer le rover. Elle a été développée par l'Espagne. L'antenne à faible gain omnidirectionnelle n'a pas besoin d'être orientée mais son débit est limité à 10 bits par seconde.
Le rover dispose d'un bras portant à son extrémité un ensemble d'outils utilisés pour analyser in situ des échantillons de sol et de roche : SHERLOC combine une caméra (WATSON), un laser et un spectromètre ultraviolet pour déterminer les composants minéraux et organiques tandis que PIXL, qui combine une caméra et un spectromètre de fluorescence X détermine les éléments chimiques présents. Le bras porte également un ensemble d'outils permettant de recueillir des échantillons de sol : GDRT (Gaseous Dust Removal Tool) pour nettoyer la surface, un capteur de contact et une foreuse. Le bras est fixé sur la face avant du rover et est long de 2 mètres. Les outils situés au bout du bras peuvent être positionnés face à la zone à analyser, sans que le rover se déplace, grâce à plusieurs articulations motorisées qui fournissent 5 degrés de liberté.

Le système de collecte et de stockage des échantillons martiens représente plus de la moitié de la masse de la charge utile de l'astromobile. Il permet de prélever par forage jusqu'à 43 carottes du sol (roche ou régolithe) du diamètre d'un crayon (13 millimètres) et de la moitié de sa longueur (60 millimètres). Celles-ci sont stockées dans des tubes qui sont scellés après remplissage et rangés dans un emplacement situé sous la partie avant du rover. Les tubes seront par la suite déposés dans un endroit identifié après précision pour pouvoir être collectés par une mission de retour d'échantillons martiens qui reste à financer. Après que le sol ait été analysé à l'aide des instruments SHERLOC, WATSON et PIXL, la foreuse va chercher un foret sur un carrousel en comportant plusieurs adaptés aux différents types de terrain. La foreuse effectue alors un forage et la carotte est placé dans un tube. Un petit bras situé à l'avant de l'astromobile scelle le tube puis le range. Le système comprend également 6 tubes témoins qui contiennent des échantillons de sol terrestre stérilisés comme les tubes vides et qui sont exposés à l'atmosphère de Mars avant d'être scellés.
La communauté scientifique et la NASA ont choisi de retenir, non pas des instruments capables de faire les analyses les plus poussées, mais ceux capables d'identifier de la manière la plus efficace les échantillons martiens et de roche les plus intéressants pour une analyse ultérieure. Le rover est notamment équipé de:
- la caméra Mastcam-Z, à deux objectifs constituant une évolution de la Mastcam embarquée sur Curiosity. La principale amélioration est constituée par l'ajout d'un zoom (objectif de 28-100 mm).
- La SuperCam, version améliorée de l'instrument franco-américain ChemCam auquel a été ajouté des spectromètres Raman et infrarouge.
- le radar RIMFAX (Radar Imager for Mars Subsurface Exploration) développé par un institut de recherche norvégien. Il permet de compléter les analyses effectuées par SuperCam qui ne peut étudier que la surface des roches. RIMFAX permet d'analyser les couches géologiques enfouies jusqu'à une profondeur de 500 mètres avec une résolution comprise entre 5 et 20 cm.
- Deux instruments installés au bout du bras de l'astromobile, le spectromètre de fluorescence des rayons X  PIXL, et le spectromètre SHERLOC, permettant d'identifier les différences de composition à l'échelle du grain de sable. Cette capacité peut fournir un éclairage décisif sur l'histoire de la formation des roches analysées. Ces instruments sont également capables d'identifier et de cartographier la présence de matériaux organiques en fournissant des résultats plus facilement interprétables que les instruments de Curiosity.

 
 

Déroulement de la mission
La fenêtre de lancement vers Mars s'est ouverte entre le 17 juillet et le 5 août 2020. La sonde spatiale a décollé le 30 juillet 2020 depuis la base de lancement de Cap Canaveral. Elle a été placée en orbite par un lanceur Atlas V 541 qui a déjà été mis en œuvre pour la sonde spatiale jumelle Mars Science Laboratory et son rover Curiosity. Perseverance a atterrit sur Mars le 18 février 2021, à 21h56 heure de Paris. La sonde spatiale a mis en œuvre une nouvelle technique de descente qui permet d'effectuer un atterrissage avec une précision accrue en réduisant de 50 % la taille de l'ellipse dans laquelle l'engin s'est posé. Cette précision accrue a permit d'accroître le nombre de sites accessibles et de réduire la distance entre l'endroit où l'astromobile a été déposé et les sites présentant un intérêt scientifique.

La comparaison entre des photos du terrain situé sous l'engin spatial prises une fois le bouclier thermique avant largué a permit de mesurer avec une précision de 60 mètres maximum l'écart par rapport à la trajectoire idéale. L'engin spatial a utilisé sa propulsion pour corriger les écarts éventuels.
La mission primaire aura une durée de deux années terrestres à compter de l'atterrissage dont environ la moitié sera réservée aux opérations scientifiques proprement dites. Pour remplir ses objectifs l'astromobile se déplacera afin de trouver des roches formées dans un milieu aqueux ou modifiées par celle-ci et d'en prélever des échantillons. Les roches susceptibles d'avoir préservées des traces chimiques de la vie durant plusieurs milliards d'années seront particulièrement visées. D'autres échantillons seront prélevées sur des roches volcaniques afin d'identifier les changements intervenus sur l'environnement du site au cours du temps. Lorsqu'une roche sera sélectionnée, une carotte de celle-ci de 5 centimètres de profondeur sera prélevée, broyée et un échantillon de 15 grammes sera stocké dans un tube, scellé hermétiquement, puis stocké à bord de l'astromobile. L'équipe projet sur Terre définira le ou les sites dans lesquels les 43 tubes d'échantillons devront être déposés. Les coordonnées des différents dépôts seront relevés par les orbiteurs martiens avec une précision d'environ 1 mètre.
Le renvoi sur Terre des échantillons constituera à la fois un défi technique et financier (environ 2,5 à 3 milliards de dollars américains) qui ne fait pas partie de la mission Mars 2020. En 2018, aucune mission de ce type n'était planifiée ni financée. La NASA a envisagé en 2019 que la mission qui ramènera les échantillons collectés puisse avoir lieu en 2026. La planification dépendra de la mise à disposition de moyens financiers très importants mais également des résultats des missions martiennes en cours.

La récupération des échantillons collectés doit se réaliser de la manière suivante:
 - Un premier lanceur lourd Atlas V lancera un orbiteur martien qui prendra en charge le trajet de retour de la capsule contenant les échantillons entre l'orbite martienne et l'orbite terrestre.
- Un deuxième lanceur lourd Atlas V lancera un engin spatial qui se posera sur le sol martien. Celui-ci comprendra un astromobile de petite taille (150 kg) chargé d'aller récupérer les échantillons du rover Perseverance, un mini-lanceur à deux étages capable de rejoindre l'orbite basse martienne avec comme charge utile le conteneur d'échantillons, un bras chargé de placer le conteneur au sommet du lanceur, et une plateforme de lancement.
- Le mini-lanceur rejoindra l'orbite basse martienne et effectuera un rendez-vous automatique avec l'orbiteur qui récupèrera le conteneur et l'insèrera dans la capsule de retour d'échantillon.
- L'orbiteur utilisera sa propulsion pour se placer sur une trajectoire de retour vers la Terre.
- La capsule contenant les échantillons sera larguée à proximité de la Terre, effectuera une rentrée atmosphérique et se posera sur le sol à grande vitesse sans parachutes.
Durant la journée du vendredi 19 février 2021, de multiples tests ont débuté, notamment sur la Supercam. Ces vérifications devraient se poursuivre tout au long du mois de Mars 2021, avant d'entamer les tests du drone Ingenuity, situé sous le rover. De nombreux tests statiques seront effectués avant le premier vol. L'astromobile devra pour cela se placer à une distance de sécurité (50 à 100 mètres) puis l'hélicoptère s'élèvera à la verticale jusqu'à une hauteur de 3 mètres avant de faire du surplace durant 30 secondes. Quatre autres vols de quelques centaines de mètres seront prévus. Leur durée pourra aller jusqu'à 90 secondes. Une fois la phase d'expérimentation achevée, l'hélicoptère sera abandonné sur place.
Ensuite, les études scientifiques pourront commencer. Le principal objectif est de détecter des traces fossiles formelles qui prouveraient qu'une forme de vie a tenté d'évoluer sur Mars. Si cette forme de vie est différente de celles observées sur Terre, ce serait la preuve que la présence d'eau liquide suffit pour que la vie démarre, et que d'autres systèmes solaires permettent probablement ce phénomène. Si au contraire le rover Perseverance ne trouve rien du tout, cela signifiera qu'il faut quelque chose de particulier pour que la vie émerge.
Un troisième scénario intermédiaire est possible, situé entre le non-vivant, le minéral et la vie. Sur Terre, les traces de ces étapes ont disparu, englouties par la vie qui domine tous les environnements terrestres et marins. La planète Mars a peut-être hébergé une forme de vie qui précède la bactérie la plus simple, déjà extrêmement évoluée sur Terre.
 
 
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