Viking 1 et 2
Caractéristiques
Les sondes Viking 1 et 2 étaient chacunes formées d'un orbiteur destiné à se placer en orbite autour de Mars et d'un atterrisseur capable de se poser en douceur à la surface de la planète. Lorsque les orbiteurs se sont insérés en orbite, ils étaient encore relié aux atterrisseurs. Ce n'est qu'après la sélection d'un site d'atterrissage que ces derniers se sont désengagés de la plate-forme orbitale pour accomplir leur mission. Les orbiteurs pouvaient alors se consacrer à la cartographie complète de Mars. Le projet Viking a coûté environ 1 milliard de dollars. Les principaux objectifs des sondes Viking étaient l'étude de la surface martienne grâce en particulier à l'obtention d'images à haute résolution, la caractérisation de la structure et de la composition de la surface et de l'atmosphère, ainsi que la recherche d'éventuelles formes de vie.
Les orbiteurs Viking était chargés d'amener à bon port les atterrisseurs. Une fois la mise en orbite effectuée, chaque orbiteur devait se livrer à une reconnaissance détaillée pendant plusieurs jours des sites d'atterrissage préalablement sélectionnés. Quand les sites furent certifiés, la mission des orbiteurs était de servir de relais de transmission entre les atterrisseurs et la Terre, tout en accomplissant leur travail de cartographie. Le design des orbiteurs était basé sur celui de Mariner 9.
Chaque orbiteur était constitué d'un prisme central octogonal de 2,5 mètres de diagonale. 16 compartiments hébergeaient les équipements électroniques comme l'ordinateur de bord, le système de télécommunications et les enregistreurs de données. 4 ailes solaires disposées en croix s'étendaient de chaque côté de la sonde, ce qui lui conférait une envergure horizontale de 9,75 mètres et 34800 cellules solaires recouvrant une surface de 14,53 m². La puissance fournie par les panneaux solaires atteignait 620 W à proximité de Mars. Des batteries étaient disponibles pour stocker de l'énergie.
Le moteur était monté sur la partie supérieure du corps octogonal. Il brûlait un mélange de carburant liquide et pouvait fournir une poussée de 1323 Newtons. Le système de contrôle d'attitude comportait 12 buses réparties sur l'ensemble de la sonde et éjectant de l'azote sous pression.
Les orbiteurs Viking avaient à leur disposition plusieurs instruments de navigation : un capteur solaire, un capteur stellaire pointé sur l'étoile de Canopus, une unité de navigation inertielle dotée de 6 gyroscopes et de deux accéléromètres. Les communications s'effectuaient grâce à la présence d'une antenne grand gain parabolique et d'une antenne à faible gain. Les orbiteurs possédaient aussi un relais radio à 381 Mhz pour communiquer avec les atterrisseurs. 2 enregistreurs de bord pouvaient stocker 1280 Mbits de données avant leur transmission vers la Terre.
Le couple orbiteur/atterrisseur de chaque sonde pesait 3527 kg. La base des orbiteurs abritait une plate-forme orientable sur laquelle étaient montés les instruments scientifiques. On trouvait un système d'imagerie composé de deux caméras similaires à celles de Mariner 9, mais dans des versions améliorées. A l'altitude minimale des orbiteurs (300 km), la résolution des images atteignait 7,5 mètres par pixel. Les sondes Viking ont permis d'obtenir 97% de la surface de Mars.
On trouvait également un spectromètre infrarouge pour mesurer le taux de vapeur d'eau dans l'atmosphère martienne. Cet instrument a permis de découvrir le cycle saisonnier de transport de l'eau entre les deux calottes polaires, et a prouvé que la calotte glaciaire résiduelle du pôle nord était principalement constituée de glace d'eau. Les sondes Viking possédaient un radiomètre infrarouge destiné à mesurer l'albédo, la température et l'inertie thermique de la surface martienne et de l'atmosphère. Cet équipement a permis de détecter les tempêtes locales de poussières, la découverte (en collaboration avec le spectromètre) de la composition de la calotte polaire résiduelle boréale (glace d'eau), et de la calotte polaire résiduelle australe (dioxyde de carbone solide, au moins en surface).
Les objectifs scientifiques des atterrisseurs étaient nombreux. Ils emportaient non seulement un ensemble d'expériences pour détecter d'éventuelles formes de vie à la surface de Mars, mais aussi des instruments capables d'étudier la composition chimique du sol et ses propriétés magnétiques, l'apparence et les propriétés physiques de la surface martienne et de l'atmosphère et de mener à bien des observations météorologiques et sismologiques.
Les atterrisseurs étaient constitués d'une plate-forme en aluminium. La puissance électrique était fournie par deux générateurs radio isotopiques capable de fournir en permanence 70 W grâce à la chaleur dégagée par la désintégration radioactive de plutonium 238 et convertie ensuite en électricité par des thermocouples. Cette énergie servait en outre à recharger quatre batteries cadmium nickel. Le système de propulsion comprenait un moteur à 12 tuyères consommant de l'hydrazine monométhylée et fournissant 35 Newtons de poussée pour la manoeuvre de désorbitation et des rétrofusées pour l'atterrissage proprement dit. L'orientation de la sonde était sous le contrôle d'une centrale de navigation inertielle, de quatre gyroscopes, d'un accéléromètre et d'un radar altimétrique pour la phase finale de descente.
Les atterrisseurs étaient équipés d'une antenne parabolique grand gain ainsi que d'une antenne omnidirectionnelle à faible gain. Ces deux antennes permettaient des communications directes avec la Terre. Une antenne UHF pouvait être utilisée pour établir une liaison radio unilatérale avec les orbiteurs. Un enregistreur de 40 Mbits était capable de stocker les données en attendant leur transmission vers la Terre. Les atterrisseurs étaient équipés de deux caméras panoramiques, elles pouvaient observer deux des trois pieds des atterrisseurs ainsi que la majeur partie du système de collecte et de distribution d'échantillons. On trouvait également un bras extensible avec une tête articulée pour collecter des échantillons au sol. Une petite station météorologique rassemblait des capteurs de températures. Elle pouvait aussi mesurer la direction et la vitesse des vents grâce à un anénomètre.
Les atterrisseurs étaient équipés d'un sismomètre pour étudier la structure interne de Mars et son activité sismique. Un spectromètre à fluorescence était chargé de l'analyse chimique inorganique du sol pour obtenir sa composition élémentaire. Un chromatographe phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse permettait d'étudier la composition moléculaire et isotopique de l'atmosphère.
Déroulement de la mission de Viking 1
La sonde Viking 1 a été lancé avec succès le 20 août 1975, depuis le complexe de Cap Canaveral. La sonde s'est placé autour de Mars le 19 juin 1976. L'orbite initiale fut rapidement modifiée pour conduire à l'orbite de certification des sites d'atterrissage. Pour l'arrivée sur le sol martien de l'atterrisseur de Viking 1, un site remarquable avait été retenu, situé à l'endroit précis où l'un des plus imposants chenaux d'inondations de la planète rouge, Ares Vallis, débouche dans le bassin de drainage de Chryse Planitia. Mais ce site a rapidement été abandonné, car la région était trop complexe et accidentée pour un atterrissage. Contrairement à ce qui était initialement prévu, la recherche et la certification d'un site d'atterrissage avaient pris plusieurs semaines.
Le 9 juillet 1976, après l'examen de 600 images, un site acceptable a finalement été identifié dans la région de Chryse Planitia. L'atterrisseur de Viking 1 s'est séparé définitivement de l'orbiteur le 20 juillet 1976. L'atterrisseur a plongé dans l'atmosphère martienne, protégé par son bouclier thermique. Pendant la descente, les instruments scientifiques ont collecté des informations qui ont permis de reconstituer le profil vertical de la structure de l'atmosphère. A 6 km d'altitude, alors que la vitesse de l'atterrisseur de Viking 1 était encore de 250 m/s, le parachute de 16 mètres de diamètre s'est déployé. La vitesse était alors de 60 m/s. A une altitude de 1,5 km, les rétrofusées ont pris le relais pour la phase finale de descente. Elles ont fonctionné jusqu'au contact avec le sol martien, à une vitesse de 2,4 m/s. L'atterrisseur de Viking 1 s'est posé à l'ouest de Chryse Planitia.
Résultats scientifiques de Viking 1
La transmission de la première image a commencé 25 secondes après l'atterrissage. 19 minutes plus tard, la Terre reçoit le premier cliché jamais prit depuis la surface martienne. On y aperçoit comme prévu le pied n°3 de l'atterrisseur (photo ci-dessus) ainsi qu'une portion du sol martien jonché de petits caillous. La deuxième image (ci-dessous) qui s'est affichée sur les écrans de contrôle était un panorama noir et blanc sur 300° du site d'atterrissage.
Ce panorama offrait une vue imprenable sur une plaine volcanique dont la surface était constellée de roches noires. Les images couleurs sont arrivées dès le lendemain, dans la journée du 21 juillet 1976. Après traitement, ces premières photographies couleurs montre un ciel couleur caramel et un sol rouge brun. Une fois Viking sur Mars, les scientifiques ont du travailler en journée martienne plutôt qu'en journée terrestre, car non seulement une journée martienne dure environ 40 minutes de plus qu'une journée terrestre, mais de surcroît, le soleil se lève et se couche à des heures différentes sur les deux planètes.
Les opérations avec l'atterrisseur de Viking 1 ont cessé le 11 novembre 1982 après l'envoi à la sonde d'une commande erronée qui a provoqué une perte de contact définitive. Prévu pour fonctionner à l'origine pendant 3 mois, l'atterrisseur de Viking 1 a survécu pendant 6 ans à la surface de Mars.
Après le largage de l'atterrisseur, l'orbiteur de Viking 1 a pu se consacrer à sa tache principale, la cartographie de la planète rouge. Cette mission d'une durée de 90 jours a pris fin le 5 novembre 1976. Comme l'orbiteur se portait à merveille, il était hors de question d'arrêter les opérations. Cette seconde partie de sa mission aura duré plusieurs années. En février 1977, l'orbiteur de Viking 1 a pu s'approcher de Phobos. En 1978, il avait presque entièrement épuisé ses réserves de gaz destinées au système de contrôle d'attitude, mais une gestion prudente a permis à la sonde de conserver le peu de gaz qu'il lui restait et de fonctionner pendant deux années supplémentaires. Puis les réservoirs ont fini par se vider définitivement. Il était temps alors pour Viking 1 d'achever sa mission. L'orbite suivie fut modifiée de manière à éviter un impact sur Mars jusqu'en 2019. La sonde fut désactivée le 7 août 1980, après 1489 orbites parcourues. Prévue à l'origine pour 90 jours, sa mission a finalement duré 4 ans.
Déroulement de la mission de Viking 2
La sonde Viking 2 a décollé le 9 septembre 1975. Après un voyage de 333 jours, l'orbiteur a commencé à renvoyer des images de Mars. La mise en orbite s'est déroulé sans incident. Le 9 août 1976, la sonde a rejoint l'orbite de certification du site d'atterrissage. L'atterrissage a eu lieu dans la région d'Utopia Planitia, une grande plaine vraisemblablement recouverte par des dépôts d'origine éolienne. L'atterrisseur s'est séparé de l'orbiteur le 3 septembre 1976, mais le bouclier biologique (qui protège l'atterrisseur d'une contamination par des organismes terrestres) était resté accroché à l'orbiteur. A cause de cette surcharge inattendue, la caméra stellaire de l'orbiteur avait perdu l'étoile Véga qui lui servait de repère et s'est retrouvé désorienté. Les équipes au sol ont pourtant laissé l'orbiteur en l'état. Les contrôleurs redoutaient de perdre le contact avec l'atterrisseur si un ordre de réorientation était transmis à l'orbiteur. Leur décision présentait cependant un inconvénient majeur. Avant que la situation ne soit rétablie, les communications ne pouvaient avoir lieu qu'à très faible débit. Juste après l'atterrissage, les équipes au sol étaient aveugles. Elles ont appris avec soulagement que la sonde émettait toujours après le contact avec la surface. Pendant plusieurs heures, tout le monde était privé du débit nécessaire à la retransmission des premières images qui avaient constitué l'apothéose de l'atterrissage de Viking 1. L'orbiteur ne s'est replacé dans la bonne position que 4 heures après l'atterrissage.
Suite à cet atterrissage, l'orbiteur de Viking 2 a pu se livrer à son travail de cartographie. Comme pour Viking 1, la mission officielle de l'orbiteur Viking 2 a pris officiellement fin avec l'arrivée de la conjonction solaire le 8 novembre 1976. A ce moment, Mars allait passer derrière le Soleil, ce qui allait interdire ou dégrader de manière sensible les communications radios avec la Terre. Après la période de conjonction qui s'est terminée le 14 décembre, les communications radios ont repris et la mission étendue a pu commencer. Prévue pour fonctionner pendant 3 mois, Viking 2 a fait preuve d'une très grande longévité et sa mission s'est poursuivie des années durant. Le 20 décembre, une nouvelle modification des paramètre orbitaux portait l'inclinaison à 80° et abaissait le périapse à 778 km. Au cours du mois d'octobre 1977, Viking 2 a eu l'occasion d'effectuer une étude rapprochée du satellite Deimos. Le 23 octobre, le périapse était abaissé à 300 km et la période de révolution passait à 24 heures. L'orbiteur de Viking 2 fut le premier à cesser de fonctionner. Une fuite dans le système de propulsion a conduit à une vidange des réservoirs d'azote du système de contrôle d'attitude. La sonde ne pouvait plus contrôler son orientation dans l'espace et les panneaux solaires finissaient par s'écarter du soleil. Privée de source d'énergie, l'orbiteur devenait inutilisable. Les contrôleurs ont alors décidé de le placer sur une orbite de 302 km de périapse et de 33176 km d'apoapse avant de l'éteindre le 25 juillet 1978.
Résultats scientifiques de Viking 2
Le bras mécanique de l'atterrisseur a été testé le 8 septembre 1976, et a creusé sa première tranchée quatre jours plus tard. Les détecteurs de vie ont reçu une première fournée de sol martien, mais les scientifiques se sont aperçus que le sol de Mars était exposé à un rayonnement ultraviolet très puissant qui pourrait détruire les molécules organiques et toutes formes de vie. Les prélèvements en surface n'avaient pas d'intérêts si le sol était ainsi stérilisé. Viking 2 a donc du aller chercher du sol sous les pierres. Le 8 octobre, le bras mécanique a déplacé un rocher de 3 kg. Viking 2 pouvait enfin avoir accès à du sol protégé des impitoyables rayons solaires. Mais les résultats furent décevant par rapport à la peine que s'était donné l'atterrisseur. Le sol ne contenait pas plus de matières organiques que les échantillons prélevés sur le site de Viking 1, et les détecteurs de vie ont continué à afficher des résultats négatifs. L'atterrisseur de Viking 2 a fonctionné pendant 1281 jours martiens avant d'être désactivé le 12 avril 1980 à cause d'un problème de batterie.
L'orbiteur de Viking 2 a retourné environ 16000 images et parcouru 706 orbites autour de Mars. Les résultats ramenés par les sondes Viking sont tout simplement colossaux. Il suffit de savoir que 20 ans après cette mission extraordinaire, nous n'avons toujours pas fini de dépouiller les données ! Les Viking nous ont offert la vue la plus complète et la plus détaillée jamais obtenue de la planète rouge. Les orbiteurs ont photographié la presque totalité de la surface de la planète (97 %) avec une résolution variant entre 150 et 300 mètres par pixel. Certaines zones ont fait l'objet d'une couverture encore plus précise avec des images dont la résolution atteignait 7,5 mètres par pixel. L'altitude minimale de survol de la surface martienne a été de 300 km pour les deux orbiteurs. Ils ont collecté au total 52603 images qui offrent une vue globale et complète de la planète, ainsi que des images des deux satellites de Mars, Phobos et Deimos. Les sondes Viking ont même pu assister au formidable déchaînement de deux tempêtes globales de poussière au cours de l'année 1977. L'équipement radio des sondes a permis de mener à bien de nombreuses expériences fondamentales.
Le décalage Doppler ainsi que les informations de distance ont été utilisés pour déterminer avec précision la position de l'atterrisseur à la surface de la planète, mais aussi la vitesse de rotation de Mars, l'inclinaison de son axe de rotation, son champ de gravité, la constante diélectrique de surface, le mouvement de précession, le déplacement de Mars sur son orbite, sans compter l'étude des propriétés de l'atmosphère et de l'ionosphère. Des expériences d'astrophysiques et de mécanique céleste ont également eu lieu (éphémérides de Mars et de la Terre, masse des satellites martiens, étude du milieu interplanétaire, de la couronne solaire et expérience de relativité générale).
4587 images de la surface martienne, la plupart en couleurs, ont été acquises par les deux atterrisseurs. Les caméras ont non seulement observé les alentours du site d'atterrissage en recueillant des images époustouflantes, mais également l'opacité de l'atmosphère lié à la présence de poussière, le soleil ainsi que le passage de l'ombre de l'un des deux satellites martiens, Phobos, au-dessus du site d'atterrissage. Les deux stations météorologiques ont enregistré la pression, la température, la direction et la vitesse des vents pendant plus de trois années martiennes (soit six années terrestres) pour Viking 1 et deux années martiennes (soit quatre années terrestres) pour Viking 2. L'ensemble représentait plus de 3 millions de mesures météorologiques.
Le spectromètre de masse a mesuré la composition chimique de l'atmosphère ainsi que la composition isotopique pour cinq de ces constituants. L'argon était apparemment un composé minoritaire de l'atmosphère (1,6 % seulement), ce qui invalidait les hypothèses émises sur la base du fonctionnement du spectromètre de masse de l'atterrisseur soviétique Mars 6. L'analyse chimique inorganique du sol a été menée par le spectromètre à fluorescence (XRFS) et les résultats se sont révélés déconcertants. Si Mars semble être constitué comme la Terre principalement par du silicium et de l'oxygène, c'est le fer qui occupe la troisième position, et non l'aluminium, qui se retrouve à la septième place loin derrière le magnésium, le calcium et le soufre. Les particules collées sur les aimants permettent bientôt d'identifier deux minéraux particuliers riches en fer et dotés de propriétés magnétiques : la magnétite bien répandue sur Terre et la maghémite, bien plus rare.
Le sismomètre de Viking 2 a enregistré des vibrations dues aux vents, mais n'a pas envoyé de signaux qui peuvent être reliés sans ambiguïté à une activité sismique. Sur toute sa période de fonctionnement, il n'aurait enregistré qu'un seul évènement sismique. Aucun résultat ne nous est parvenu du sismomètre de Viking 1, cet instrument étant le seul à n'avoir jamais fonctionné.
Le bras mécanique a creusé des tranchées dans le sol, poussé des cailloux pour prélever des échantillons de sol non exposés aux rudes conditions de surface et formé des petits tas pour étudier la texture et la cohésion des particules de sol. La phase d'entrée des atterrisseurs a permis d'obtenir à partir de 200 km la composition moléculaire et isotopique, la structure thermique et la densité de l'atmosphère traversée en fonction de l'altitude, et cela en deux endroits différents. Les Viking ont également réalisé la première étude in situ de l'ionosphère d'une autre planète.
