Mars 96
mission marsienne russe
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Mars 96 est une mission spatiale russe lancée en 1996 dont l'objectif était d'étudier la planète Mars. Elle est victime d'une défaillance de son lanceur. Cette mission très ambitieuse, avec une sonde spatiale de plus de six tonnes, soit le plus gros engin jamais lancé vers Mars, embarquait plus de 500 kg d'instrumentation scientifique. Elle devait mener une quarantaine d'expériences, préparées par une vingtaine de pays dont onze européennes et deux américaines. Une partie de la mission devait se dérouler en orbite, l'autre au sol avec deux petites stations automatiques et deux pénétrateurs qui devaient s'enfoncer dans le sol martien. Mars 96 devait arriver dans la banlieue de la planète rouge le , dix mois après son lancement.
Sonde spatiale
| Organisation |
 Agence spatiale russe |
|---|---|
| Domaine | Étude de Mars |
| Type de mission | Orbiteur, atterrisseur, pénétrateur |
| Statut | Échec au lancement |
| Lancement | |
| Lanceur | Proton |
| Fin de mission | |
| Identifiant COSPAR | 1996-064A |
| Masse au lancement | 6 180 kg |
|---|---|
| Masse instruments | 600 kg |
| Masse ergols | 3 142 kg |
| ARGUS | Spectro imageur (Ru, All, Fr, It) |
|---|---|
| HRSC | Caméra haute résolution (All, Ru) |
| WAOSS | Caméra grand angle (All, Ru) |
| OMEGA | Spectromètre visible et infrarouge (Fr, Ru) |
| PFS | Spectromètre de Fourier (It, RU, Pol, All, Esp) |
| TERMOSCAN | Radiomètre (Russe) |
| SVET | Spectromètre imageur (Ru, US) |
| SPICAM | Spectromètre infrarouge (Fr, Ru, Bel) |
| UVS-M | Spectromètre ultraviolet (Ru, All) |
| LWR | Radar (Ru, All, US, Aut) |
| PHOTON | Spectromètre gamma (Ru, US) |
| ASPERA | Analyse du plasma (7 pays) |
Contexte
Réactivation du programme spatial soviétique d'exploration de Mars
Après une série de succès dans l'exploration spatiale de Vénus couronnée par les missions Vega, l'Union soviétique décide de se tourner dans les années 1980 vers la planète Mars, dont elle avait complètement abandonné l'exploration suite à une série d'échecs. La première mission, constituée des deux sondes spatiales soviétiques Phobos, chargées d'étudier Mars et de sa lune Phobos, est lancée en 1988. Elle est la première d'un programme constitué de huit missions spatiales destinées à l'exploration systématique la planète rouge : celles-ci comprennent des orbiteurs, des astromobiles/rovers et des ballons et doivent être couronnées par une mission ramenant sur Terre des échantillons du sol martien. Pour pouvoir mener à bien ce programme, l'Union soviétique investit dans la mise au point des technologies nécessaires[1].
Choix techniques
La société VNII Transmash, qui avait travaillé dans les années 1970 sur le rover/astromobile Marsokhod de la mission martienne avortée 4M, relance les études sur ce projet. L'engin résultant, baptisé Mir (paix), dispose de six roues de forme conique montées sur des essieux articulés permettant de s'adapter à tout type de terrain. Pour accroitre la stabilité de l'engin, le centre de gravité est abaissé en plaçant les moteurs de traction et l'électronique associée dans les roues. L'astromobile dispose de caméras panoramiques pour la navigation et la collecte de données scientifiques, d'un système de prélèvement d'échantillon du sol, d'un système de communication avec l'orbiteur. Son énergie était fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope. Dans le climat de détente suscité de la fin de la guerre froide entre Union soviétique et Etats-Unis le projet bénéficie de la collaboration avec la Planetary Society américaine et de partenaires industriels et scientifiques occidentaux[2].
Les missions Vega avaient utilisé avec succès des ballons qui avaient permis de recueillir des données sur la composition et la dynamique de l'atmosphère de Vénus. Jacques Blamont, qui avait dirigé l'équipe française ayant développé ce premier aérobot (engin volant spatial), propose d'utiliser des ballons pour étudier l'atmosphère de Mars. Celui-ci, caractérisé par un volume de 2000 à 3800 m³ et une masse de 30 kilogramme (avec la nacelle), est alimenté en énergie par des panneaux solaires[3].
Les ingénieurs soviétiques décident d'embarquer sur les orbiteurs des pénétrateurs : ces engins, largués depuis l'orbite et pratiquement dépourvus de système de freinage, avaient une vitesse d'arrivée au sol très élevée et subissaient du coup une décélération à l'impact de 500 g. Ils devaient pénétrer sous la surface à une profondeur de plusieurs mètres. Ils disposaient d'une série d'instruments conçus pour résister aux conditions d'arrivée et étudiant la sismologie, le flux de chaleur dans le sous-sol, la météorologie et la composition du sol[3]. Les ingénieurs soviétiques avaient envisagé de mettre en œuvre la technique de l'aérocapture, pour réduire la quantité d'ergols nécessaire à l'insertion en orbite de Mars, mais cette solution est abandonnée[3].
Développement du projet
Le programme d'exploration spatial de Mars est présenté lors d'un séminaire organisé en 1988 par l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie (IKI), qui est l'organisme responsable de son volet scientifique. Selon le planning exposé à cette occasion, l'objectif final est de réaliser une mission de retour d'échantillons du sol martien en 2005 suivi par une mission avec équipage en 2010. L'architecture de ces deux missions repose sur l'utilisation du lanceur lourd Energuia (capable de place plus de 100 tonnes en orbite basse et qui a volé pour la première fois en 1987) et l'utilisation d'une propulsion nucléaire électrique dans l'espace. Selon le planning, l'exploration de Mars doit débuter par le lancement en 1992 et 1994 (correspond à l'ouverture de fenêtre de lancement vers Mars), d'orbiteurs emportant des aérostats (ballons) et des petits astromobiles/rovers capable de franchir 200 km et ayant pour objectifs de déterminer les futurs sites d'atterrissage des missions plus lourdes. Parmi les autres charges utiles envisagées figurent des pénétrateurs, de petits atterrisseurs statiques (jusqu'à 10 par orbiteur) utilisant des batteries ou un générateur thermoélectrique à radioisotope et des sous-satellites largués pour étudier le champ gravitationnel de Mars[4].
En 1987, la France décide de participer au programme ambitieux d'exploration planétaire de l'URSS, qui avait aligné un certain nombre de succès avec le programme Venera. Initialement, il est prévu de lancer deux sondes vers Mars avec un ballon français et un rover russe. Le projet initial est révisé en avril 1991 : il comprend désormais une sonde spatiale Mars 94 dotée de deux pénétrateurs et une autre, baptisée Mars 96, emportant un ballon et un astromobile/rover. La mission est retardée à cause des problèmes rencontrés par l'industrie spatiale russe avec l'éclatement de l'URSS[5] : en avril 1994, la Russie annonce le décalage des lancements à 1996 et 1998. Enfin en juin 1995, la mission Mars 98 est annulée[6].
Les expériences scientifiques embarquées sont au nombre de 24 sur le module orbital, 6 pour les petites stations et 9 pour les pénétrateurs. Elles sont sous la responsabilité ou la participation d'une vingtaine de pays, dont 9 sous responsabilité française et 4 à participation française[6]. L'importante participation française mobilisa deux cents personnes, et revint à 850 millions de francs, la part russe équivalant à près d'un milliard de francs[7].
Objectifs
L'objectif principal de la mission est de reconstituer l'histoire de Mars c'est-à-dire l'évolution de son atmosphère, de sa surface et de son intérieur depuis la formation de la planète. Pour y parvenir Mars 96 doit utiliser plusieurs méthodes d'étude à grande échelle des processus physiques et chimiques actuels et passés. Durant le transit entre la Terre et Mars, la sonde spatiale doit doit effectuer des mesures astrophysiques. Les données collectées doivent contribuer à améliorer nos connaissances sur les sujets suivants[8] :
- Surface de Mars : cartographie de la topographie de la surface de Mars, cartographie minéralogique, éléments présents à la surface, étude du pergélisol et de sa structure interne.
- Atmosphère et climat de Mars : météorologie et climat, mesure de l'abondance des composants mineurs de l'atmosphère, de leur variation, de leur distribution verticale et recherche des régions caractérisées par un taux d'humidité élevé, mesure tridimensionnelle des températures, variation des pressions à différentes échelles spatiales et temporelles, spécificités de l'atmosphère près des structures volcaniques, caractéristiques des aérosols, particules neutres et ionisées de la haute atmosphère.
- Structure interne de Mars : épaisseur de la croûte, champ magnétiques, flux de chaleur interne, recherche de volcans actifs, mesure de l'activité sismique.
- Plasma : paramètres du champ magnétique martien, distribution des moments et de l'orientation de la composition des ions et de l'énergie des plasmas près de Mars et sur le trajet entre la Terre et Mars, caractéristiques des ondes de plasma (champ électrique et magnétique), structure de la magnétosphère et de ses limites.
- Études astrophysiques : localisation des sursauts gamma, oscillations des étoiles et du Soleil.
Déroulement de la mission
Les conditions de travail à l'été 1996 sur le cosmodrome de Baïkonour, site de lancement, sont désastreuses[5]. La sonde est lancée le à 20 h 48 53 UTC, depuis Tyuratam (Baïkonour) par une fusée Proton. Sa masse une fois sur orbite à vide (sans carburant) est de 3 159 kg ; son poids total de 6 180 kg.À cause d'un problème lors de la mise à feu du quatrième étage (le « bloc D ») de la fusée Proton, la sonde spatiale n'a pu quitter l'orbite terrestre et s'est désintégrée après trois révolutions orbitales dans les couches hautes de l'atmosphère[7]. Le , entre 0 h 45 et 01 h 30 (temps universel), la sonde spatiale s'est désintégrée en effectuant sa rentrée atmosphérique et ses débris se sont abattus dans une zone de 320 kilomètres sur 80 kilomètres répartie entre l'océan Pacifique et le territoire du Chili et de la Bolivie[9].
Une partie des expériences développée pour Mars 96 a pu être réutilisée sur la sonde européenne Mars Express. Faute de disposer de télémesures, la raison précise de l'anomalie de fonctionnement de l'étage D du lanceur spatial n'a pu être déterminée. Dans la mesure où le controle d'attitude de la sonde spatiale était utilisée par l'étage D lorsque l'incident s'est produit[10].
Caractéristiques techniques
Orbiteur
L'orbiteur comportait un pont supérieur sur lequel était montés les panneaux solaires fixes et les deux stations de surface et un pont d'équipements comportant plusieurs antennes et plateformes. Les communications étaient prises en charge par une antenne parabolique grand gain fixe permettant des débits compris entre 64 et 128 kilobits par seconde. Une plateforme, orientable dans les trois dimensions baptisée Argus d'une masse de 115 kilogrammes supportait une suite instrumentale d'une masse totale de 84 kilogrammes. Celle-ci comprenait une caméra à haute résolution et grand angle fournie par l'Allemagne, un spectromètre fonctionnant en lumière visible et dans l'infrarouge fourni par la France et une caméra de navigation russe utilisé pour permettra un pointage précis. L'orbiteur emporte en outre plusieurs instruments destinés à étudier le plasma de l'atmosphère martienne, son ionosphère et sa magnétosphère. Parmi ceux-ci figurent le spectromètre à ion ASPERA et l'imageur à particules neutres qui avaient été installés à bord de la mission Phobos. Des spectromètres à rayons gamma devaient étudier les éruptions solaires et, en collaboration avec d'autres missions spatiales dont Ulysses, contribuer à localiser les sursauts gamma par triangulation[11].
Les stations de surface
Outre l'orbiteur, la mission Mars 96 comprenait deux petits atterrisseurs, destinés à étudier, une fois posés sur le sol de Mars, les propriétés physiques et chimiques de la surface martienne, passées et présentes. Chaque atterrisseur en forme d’œuf, de 60 centimètres de diamètre et d'une masse de 33,5 kilogrammes, comportait quatre pétales qui s'ouvraient une fois posé pour stabiliser et orienter l'engin. Au cours de sa rentrée atmosphérique, l'atterrisseur était initialement protégé de la chaleur par un bouclier thermique de 1 mètre de diamètre puis il était freiné par un parachute qui réduisait sa vitesse de descente à 26 mètres/secondes (96 km/h). Deux airbags étaient chargés d'amortir le choc de l'atterrissage. L'énergie était fournie par deux petits générateurs thermoélectriques à radioisotope de la taille d'une tasse de café associés à des batteries. L'atterrisseur emportait 7 kilogrammes d'instruments[12],[13] :
- une caméra franco-finlandaise (500x400 pixels) chargée d'effectuer des images durant la descente pour fournir le contexte du site d'atterrissage.
- une caméra fixée sur une tête rotative qui devait produire un panorama sur 360 degrés du site d'atterrissage large de 6000 pixels,
- un spectromètre rayons X, protons et particules alpha monté au bout d'une perche fourni par l'Allemagne qui devait déterminer la composition du sol en éléments chimiques.
- un sismomètre (Optimism) miniaturisé (405 grammes) fourni par la France (maitrise d'ouvrage de l'Institut de physique du globe de Paris). Placé dans le corps de l'atterrisseur et non à la surface de Mars il était plus sensible (détection d'un déplacement d'un nanomètre pour une onde sismique de 2 secondes de période) que le sismomètre des sondes spatiales Viking. Il mesurait les ondes sismiques de longue période (de 0,5 seconde à 10 secondes), sur l'axe vertical uniquement. Son but était de déterminer si Mars était active sur le plan sismique. Il avait été conçu pour être complètement autonome car incapable de recevoir des commandes depuis la Terre et pour résister à la déccélération violente de l'atterrissage (200 g)[14].
- Une station météorologique comprenant un thermomètre, un baromètre, un instrument de mesure de l'humidité, un anémomètre et un instrument mesurant la quantité de poussière présente dans l'atmosphère.
- Des accéléromètres mesurant la structure de l'atmosphère durant la rentrée atmosphérique et l'atterrissage.
- Un ensemble de détecteurs fournis par le JPL destiné à déterminer la nature des oxydants présents à la surface de Mars dans le but de tester certaines hypothèses à la suite des résultats fournis par les expériences embarquées sur les sondes spatiales Viking.
Pénétrateurs
Mars 96 emportait également deux pénétrateurs de 126 kg[6] montés sur la partie basse de l'orbiteur, près du système de propulsion. Ces pénétrateurs, constitués de deux cylindres assez minces étaient pointés vers le bas. La partie haute du pénétrateur, beaucoup plus large, était surmontée d'un sommet en forme d'entonnoir. Les instruments scientifiques étaient stockés dans toute la longueur du cylindre. Les objectifs scientifiques, multiples, étaient d'obtenir des images de la surface (Caméra TV russe), d'étudier la météorologie martienne (expérience METEOM russo-finlandaise), d'examiner les propriétés physiques, chimiques et magnétiques du régolithe martien, en y recherchant d'éventuelles traces d'eau avec des spectromètres gamma, X et alpha (expériences russo-allemandes PEGAS, ANGSTREM et ALPHA). La mission devait aussi collecter des données sur le champ magnétique de Mars (magnétomètre IMAP 6 russo-bulgare), et enregistrer une éventuelle activité sismique (sismomètre anglo-russe KAMERTON)[6].
Après l'insertion orbitale, le périapse devait être ajusté à 300 kilomètres, après une période de manœuvres orbitales comprise entre 7 et 28 jours. L'orbiteur devait ensuite être correctement orienté, afin de libérer le premier pénétrateur, qui aurait tourné sur son axe. Une fois détaché de l'orbiteur, le moteur intégré au pénétrateur devait se mettre en route, afin d'amorcer la rentrée atmosphérique, à la vitesse de 4,9 kilomètres par seconde, à un angle compris entre 10 et 14 degrés. La rentrée atmosphérique proprement dite devait avoir lieu 21 ou 22 heures après la séparation de l'orbiteur. La sonde aurait été freinée grâce à son profil aérodynamique, mais aussi grâce à un dispositif de freinage intégré (un ballon gonflable). L'impact avec la surface devait avoir lieu à 80 mètres par seconde. Lors du contact avec le sol martien, la partie basse de la sonde se serait désolidarisée du reste du pénétrateur, afin de s'enfoncer à 5 ou 6 mètres dans le sol, tout en restant attachée au reste de la sonde par une série de câbles, la partie haute du pénétrateur restant au-dessus de la surface. La première sonde devait se poser à proximité du lander, et la seconde à 90 degrés de là. Les deux pénétrateurs devaient être envoyés lors d'une même révolution orbitale.
La partie destinée à s'enfoncer dans le sol martien comprenait un sismomètre, un accéléromètre, une sonde thermale, un détecteur de neutrons et un spectromètre à rayons X alpha-proton. La partie supérieure de la sonde était équipée d'un spectromètre à rayons gamma, d'une sonde thermale, de senseurs destinés à étudier la météorologie martienne, d'un magnétomètre, d'une caméra de télévision et d'un transmetteur au sommet. Les expériences scientifiques devaient démarrer peu après l'impact. Les données collectées devaient être transmises à l'orbiteur, puis relayées à la Terre. La durée de vie nominale des pénétrateurs était estimée à un an.
