Mariner 2 - Définition

Introduction

Mariner 2, ou Mariner-Venus 1962, ou parfois Mariner R, est une sonde spatiale de la NASA ayant survolé Vénus. Elle fut la première à réussir sa mission dans le programme Mariner, Mariner 1 dont elle était la copie, ayant été détruite au lancement un mois auparavant. Elle fut également la première sonde à survoler avec succès une autre planète, la sonde russe Venera 1 lancée en 1961 étant devenue muette peu après son lancement.

Conception de la sonde

En cours de conception depuis 1960, les premières sondes Mariner A et B du programme devaient peser 500 kg et être lancées par des fusées Atlas-Centaur elles aussi en développement. Au printemps 1961, il fut constaté que ces lanceurs ne seraient pas au point pour la fenêtre de lancement de 1962, le projet Mariner A fut annulé et remplacé par une version hybride de la sonde Mariner originale et des sondes Ranger Block I (d'où la dénomination Mariner R), lancée par une fusée Atlas avec un second étage Agena allégé. Les objectifs de la mission s'en trouvèrent diminués.

Trois modèles de la sonde furent construits, deux destinés au lancement (Mariner 1 et 2) et une pour pièces de rechange (avant le départ des autres, bien sûr) ou reconstitution des comportements anormaux constatés en cours de mission.

Véhicule

La sonde est constituée d'un châssis hexagonal en aluminium et magnésium de 104 cm de diamètre par 36 de hauteur, sur lequel sont fixés les panneaux solaires, l'antenne et un mât d'instruments. Les faces du châssis hexagonal sont des compartiments abritant les équipements électroniques.

Les panneaux solaires de 183x76 cm s'étendent depuis deux côtés opposés de la base de l'hexagone. Ils contiennent plus de 10 000 cellules photovoltaïques et peuvent fournir entre 148 et 222 W selon la proximité du Soleil. Un des panneaux contenant moins de cellules est plus court de 31 cm, il est prolongé par une pale solaire en Dacron servant à équilibrer la pression solaire sur la sonde. Ils lui confèrent une envergure totale de 5,05 m.

L'alimentation électrique se fait occasionnellement par une batterie zinc-argent de 1 000 Wh de capacité, utilisée quand les panneaux ne sont pas orientés vers le Soleil (avant le déploiement ou pendant les manœuvres) ou au besoin de fortes puissances (commandes pyrotechniques).

Les précédentes sondes spatiales américaines naviguaient en attitude libre (telles celles du programme Vanguard pour des missions à courte distance) ou gyro-stabilisée (Pioneer 4). Certains besoins essentiels de la mission, tels que la communication directionnelle (économie de puissance et donc de panneaux solaires), la correction de trajectoire et la nature des observations scientifiques, imposèrent de doter la sonde d'une attitude stabilisée.

Ce contrôle d'attitude est réalisé par dix expulseurs d'azote froid. Il est asservi en tangage et lacet par un pointeur solaire maintenant la sonde face au Soleil. Un pointeur vers la Terre monté sur l'antenne parabolique ajuste le roulis.

L'autre innovation astronautique majeure fut la capacité de manœuvre de correction de trajectoire. Afin d'ajuster la distance et la date de survol de Vénus (la sonde devait alors être visible depuis la station de Goldstone), un moteur permet de corriger à mi-course l'imprécision de l'injection. Monté dans l'axe de roulis sur la face opposée au mât, ce propulseur à monergol hydrazine de 225 N de poussée et de 232 s d'impulsion spécifique a une capacité de correction de 61 m/s. Le fonctionnement étant commandé par des valves pyrotechniques, il ne peut effectuer qu'une seule manœuvre au cours de la mission.

Les systèmes de communication sont composés de trois sortes d'antennes. Une antenne omnidirectionnelle montée au sommet du mât sert dans les phases où la sonde n'est pas correctement orientée (lancement, manœuvres). Une antenne parabolique de 1,20 m montée sur un bras articulé à la base de l'hexagone assure une meilleure qualité de communication à grande distance quand la Terre est correctement alignée. L'articulation est incrémentée périodiquement ou par télécommande. Les communications sont transmises à 33¹⁄₃ bit/s (après le lancement) ou 8¹⁄₃ bit/s (à partir du deuxième jour de mission). Une petite antenne sur chaque face d'un des panneaux solaires sert à la réception de télécommandes à 1 bit/s. La sonde ne disposant d'enregistreur, elle doit commuter continuellement entre la télémétrie et les données scientifiques, sauf pendant le survol de Vénus où la communication est entièrement dévolue aux observations scientifiques.

La température est maîtrisée par des isolations thermiques, par l'émissivité des diverses surfaces et, sur une des faces du châssis, régulée par une persienne mobile commandée par un bilame.

La sonde fut stérilisée afin de limiter le risque de contamination en cas de collision avec l'objectif. Cette précaution n'était pas jugée importante pour une mission vénusienne, mais elle devait devenir indispensable pour les missions martiennes ultérieures. La stérilisation fut opérée dans la seule optique de développer cette technique encore neuve.

Instruments scientifiques

La masse initialement allouée aux instruments était de 18 kg sur un total de 208 kg. Elle fut finalement de 22,4 kg.

La sonde devait opérer dans une température croissante et d'ampleur alors mal connue. Les instruments devaient donc être robustes mais aussi pouvoir se réétalonner périodiquement selon leur sensibilité à la température.

La liste suivante est donnée dans l'ordre de priorité des objectifs scientifiques. Les deux radiomètres ne furent utilisés qu'au voisinage de Vénus, les autres servirent pendant toute la mission.

Radiomètre micro-onde

Ce détecteur est constitué d'une parabole striée de 49 cm de diamètre. Les stries évitent qu'elle ne focalise accidentellement le rayonnement visible ou infrarouge du Soleil sur son foyer, leur taille permet néanmoins la focalisation des micro-ondes.

Au foyer, un diplexeur envoie le signal dans deux guides d'ondes menant vers deux chaînes de mesure dans les bandes 19 et 13,5 mm. La bande 19 mm est capable de pénétrer en profondeur dans l'atmosphère et presque d'atteindre la surface vénusienne. La bande 13,5 mm est une des raies d'absorption de la vapeur d'eau, dont on peut ainsi détecter la présence. Dans la version Mariner A, cet instrument devait fonctionner sur 4 canaux et observer les radiations à 8 et 4 mm pour discriminer l'influence de la vapeur d'eau dans le spectre observé.

Deux cornets sont fixés sur le bord de l'antenne et pointent toujours vers le vide spatial, fournissant ainsi une référence pour chaque bande observée. En intégrant alternativement l'observation et la référence, les détecteurs peuvent mesurer la température du point visé par l'antenne sans incidence de la température des organes de l'instrument (radiomètre de Dicke).

Tous les 4 jours, un tube à décharge injecte dans les détecteurs un bruit calibré permettant l'étalonnage de l'instrument.

L'instrument est monté sur un pivot motorisé lui permettant une oscillation de ±60° à deux vitesses. La rotation et sa vitesse étant commandées directement par le signal reçu, l'instrument devait pouvoir trouver rapidement la position de la planète et ne pas balayer l'espace autour. À cause de vibrations excessives au lancement qui détériorèrent la protection thermique de l'instrument, ce dispositif de balayage ne fonctionna pas correctement et le survol ne fournit que ¹⁄₅ des mesures espérées.

Radiomètre infrarouge

L'instrument fut conçu avec la collaboration de Carl Sagan, il est monté sur la platine oscillante du radiomètre micro-onde et observe dans la même direction que l'axe de la parabole.

Il comporte deux lentilles : une pointant dans la direction d'observation et une pointant sur le vide spatial, servant de référence. L'alternance mesure/référence est réalisée par un disque interrupteur en rotation.

Le signal passe par un diviseur de faisceau dichroïque, chaque faisceau passe par un filtre interférentiel avant d'être capté par un bolomètre. Ces deux capteurs permettent de mesurer le signal dans les bandes 8-9 µm et 10-10,8 µm. La première est insensible à l'absorption par le CO₂ tandis que l'autre subit une absorption maximale. Cette double mesure permet de détecter d'éventuelles trouées dans la couverture nuageuse vénusienne.

L'étalonnage se fait lorsque la platine oscillante est dans une des positions extrêmes : la lentille d'observation vise le vide spatial tandis que la lentille de référence vise une plaque fixée aux superstructures de la sonde et dont la température est connue.

Magnétomètre

L'instrument composé de trois magnétomètres à entrefer orientés suivant trois axes orthogonaux. En plus du champ magnétique ambiant, il mesure aussi celui de la sonde. Pour cette raison, il est situé au sommet du mât afin de n'être que peu perturbé par le fonctionnement du véhicule. La rotation de la sonde au début de la mission permit de calibrer efficacement 2 des 3 axes.

L'instrument est commuté automatiquement sur deux échelles de sensibilité (0,7 et 4 γ).

Divers problèmes de sensibilité et de perturbation, notamment dus à la panne de panneau solaire, affectèrent la précision des mesures durant le transfert mais furent compris et compensés pendant le survol de Vénus.

Détecteurs de particules

Ce jeu d'instruments complémentaires permet d'observer les rayons cosmiques, les éruptions solaires et l'éventuelle ceinture de radiations vénusienne lors de son survol.

Le premier détecteur est une chambre d'ionisation de type Neher, elle est constituée d'une sphère métallique contenant un gaz et d'une électrode collectrice. Les particules suffisamment énergétiques pour traverser la paroi métallique ionisent le gaz interne, les ions sont attirés par le collecteur qui annule leur charge. Au bout d'une certaine quantité de décharge, une impulsion recharge le collecteur et est envoyée à la télémétrie.

Les autres détecteurs sont trois compteurs Geiger à blindages différents: deux compteurs standards blindés en acier et béryllium, un compteur plus sensible et unidirectionnel, le modèle Anton 213 fourni par l'Université de l'Iowa et qui avait déjà servi pour l'étude de la ceinture de Van Allen. Ces trois blindages filtrent différemment les particules (protons et électrons) et permet d'estimer la distribution de leurs énergies.

Analyseur de vent solaire

Cet instrument détectant les ions positifs portés par le vent solaire permet d'en mesurer le flux et le spectre entre 240 et 8 400 eV.

Les sondes Ranger 1 et 2 avaient déjà emporté chacune 6 de ces instruments (pour observer le vent solaire dans les 6 directions spatiales). L'expérience montra que le plasma se propageait radialement depuis le Soleil. Cette conclusion permit de n'embarquer qu'un seul instrument à bord de Mariner dont la charge utile venait d'être sévèrement révisée à la baisse.

L'instrument se situe dans un des compartiments du châssis et une partie en dépasse pour viser le Soleil. Il est constitué essentiellement de deux plaques en arc de cercle concentriques de 120° formant un canal qui ouvre d'un côté vers la direction observée (le Soleil) et qui mène vers un collecteur de Faraday. Quand une tension est appliquée entre les plaques, seules les particules d'une certaine plage d'énergie et d'un certain angle d'incidence parviennent au collecteur par déflection électrostatique.

Ainsi, en appliquant une tension variable entre les plaques, on observe le spectre du flux de particules. Ce spectre est découpé en 10 canaux parcourus en 3,7 minutes.

Détecteur de poussières cosmiques

L'instrument consiste en une plaque de résonance montée dans le sens de la trajectoire de la sonde, sur laquelle un microphone mesure les impulsions acoustiques causées par les collisions de poussières.

Les délais de conception ne permirent pas d'en développer un nouveau spécifique à une mission interplanétaire. Ce fut donc en grande partie la conception du détecteur des sondes Ranger-1 (missions en espace cislunaire) qui fut réutilisée.

Les performances du détecteur se détériorèrent avant le survol, probablement à cause d'une surchauffe de l'instrument.