Mars Exploration Rover - Définition

Le trajet Terre-Mars

Le rover Opportunity avec ses panneaux solaires repliés et le module d'atterrissage dont les pétales sont ouverts

La trajectoire Terre-Mars parcourue par la sonde Spirit

Lanceur

Les deux sondes MER sont lancées depuis les pas de tirs 17A et 17B de la base de lancement Cape Canaveral dans l'État de Floride aux États-Unis. La NASA a choisi d'utiliser des lanceurs Delta II à trois étages qui sont fréquemment utilisées pour le lancement de sondes spatiales. La mission MER-A Spirit est lancée par une version 7925 de la fusée qui bénéficie d'une grande fiabilité et a par ailleurs contribué au succès des missions précédentes comme Mars Odyssey (2001), Mars Global Surveyor et Mars Pathfinder (1996). La mission MER-B Opportunity est quant à elle placée sur un modèle de fusée 7925H dit lourd (« Heavy ») car elle doit décoller quatre semaines plus tard, se trouvant donc dans une configuration Terre-Mars moins favorable, ce qui nécessite plus d’énergie pour atteindre Mars.

Le lancement et les différentes phases du vol propulsé

La sonde MER-A Spirit est lancée le 10 juin 2003 et la sonde MER-B Opportunity le 7 juillet 2003 de la base de lancement de Cape Canaveral. La fenêtre de lancement de chaque sonde a une durée de 3 semaines. Lors du décollage des deux fusées, le moteur du premier étage s'allume ainsi que six des propulseurs d'appoint (les trois propulseurs restants prennent la relève une fois que ceux-ci ont épuisé leur carburant). Après environ 4min 23s le premier étage est largué et le second étage est allumé. Peu après la coiffe de la fusée est larguée. Le moteur du second étage est arrêté une première fois, environ dix minutes après le décollage pour la sonde MER-A Spirit et 9 minutes pour la sonde MER-B Opportunity. Après une phase de vol balistique non propulsé sur une orbite à peu près circulaire, le second étage est brièvement rallumé pour allonger l'orbite. Un mouvement de rotation (63 tours par minute) est ensuite imprimé au lanceur pour accroitre la stabilité de l'orientation du troisième étage durant son fonctionnement. Celui-ci, qui est chargé d'insérer la sonde sur sa trajectoire vers Mars, est alors mis à feu après que le deuxième étage a été largué. Une fois la phase propulsive achevée la rotation est annulée à l'aide d'un yoyo et le troisième étage est largué. L'orientation de la sonde et les manœuvres de correction de trajectoire sont alors prises en charge par son étage de croisière.

Le transit Terre-Mars

Antenne du réseau Deep Space Network à Goldstone en Californie, employée pour les communications avec les sondes spatiales de la NASA.

Pour parvenir à leur destination les sondes MER effectuent un voyage d’environ six mois et parcourent 500 millions de kilomètres en suivant une orbite elliptique qui tangente la planète Mars (orbite de Hohmann). Cinq manoeuvres de correction de trajectoire sont prévues durant ce transit dont la dernière, facultative, est exécutée le jour de l'arrivée pour améliorer la probabilité de poser l'atterrisseur près du site martien visé.

Le guidage de la sonde durant son trajet vers Mars nécessite de pouvoir déterminer sa position avec une grande précision. La trajectoire n'est pas purement inertielle : celle-ci est notamment modifiée par la pression de radiation qui génère une dérive de 4 km en dix jours. Pour déterminer la position des sondes MER la NASA utilise des techniques traditionnelles : la distance entre la sonde et la Terre est mesurée à partir du temps mis par une onde radio pour faire l'aller-retour tandis que la vitesse de la sonde par rapport à la Terre est obtenue par mesure de l'effet Doppler. Pour cette mission l'agence spatiale américaine met également en œuvre une nouvelle technique permettant de mesurer le vecteur vitesse perpendiculaire à l'axe Terre-sonde ce qui permet d'améliorer la précision de l'atterrissage des rovers sur la planète Mars. Cette technique, baptisée DDOR (Delta Differential One-way Range ou variation différentielle directe de la distance), fait appel à deux antennes du réseau de stations de la NASA séparées en latitude de 120°. Les antennes relèvent simultanément la position de la source de l'émission radio émise par la sonde et celle d'un quasar, dont la position est connue à quelques milliardièmes de degrés près.

L'atterrissage sur Mars

Séquence atterrissage Spirit.

Le scénario d'atterrissage

La rentrée dans l'atmosphère et l’atterrissage sur Mars durent en tout 6 minutes. Cette phase dite « Entry, Descent and Landing » ou EDL dans la terminologie de la NASA, est particulièrement complexe et délicate. Les sondes arrivent à proximité de Mars avec une vitesse relative d'environ 5,5 km/s (près de 20 000 km/h) qui doit être annulée pour réussir l'atterrissage. Le recours exclusif à des fusées pour annuler n'est pas possible car il nécessiterait qu'une grande partie de la masse de la sonde soient consacrée au carburant. Les sondes MER utilisent successivement quatre méthodes pour se freiner.

Comme pour une rentrée atmosphérique sur Terre, la sonde utilise principalement les forces de traînée, c'est-à-dire le frottement de l'atmosphère, pour faire chuter sa vitesse : 99,6 % de l'énergie cinétique accumulée est dissipée par ce moyen. La densité très faible de l'atmosphère martienne, environ cent fois inférieure à celle de la Terre, nécessite le déploiement d'un parachute alors que la sonde se déplace encore à la vitesse hypersonique de Mach 1,77  : le parachute permet d'éliminer 98% de l'énergie cinétique restante. La vitesse ne devient inférieure à Mach 1 que lorsque le vaisseau est très près du sol; la sonde doit annuler la vitesse résiduelle en utilisant des fusées. Enfin sur les derniers mètres elle utilise des coussins gonflables. La méthode de rentrée atmosphérique et d'atterrissage employée reprend la technique utilisée pour Mars Pathfinder, avec des aménagements : il faut en effet poser 830 kg sur le sol martien contre 583 kg pour Mars Pathfinder ; par ailleurs à la suite des échecs de 1998/1999 un atterrissage de jour a été retenu car il permet à l'équipe du contrôle sur Terre de recevoir les émissions de l'atterrisseur mais cela pénalise la sonde car l'atmosphère est moins dense et les vents sont plus forts en journée. La méthode utilisée atteint ses limites avec les rovers MER : la sonde Mars Science Laboratory, 3 fois plus lourde, utilise une technique différente.

Incidence des contraintes techniques sur le choix du site d'atterrissage

Les sites d'atterrissage sont d'abord choisis pour leur intérêt géologique mais les contraintes techniques jouent un rôle essentiel dans la sélection initiale. Une grande partie de Mars, située en altitude, ne permet pas l'atterrissage, car la sonde aurait encore trop de vitesse à son arrivée au sol ; l'altitude maximum pour les rovers MER est fixé à 1,3 km au-dessous du niveau moyen de Mars. les deux sites retenus pour les sondes MER sont situés à une altitude respectivement de 1,9 km et1,4 km au-dessous du niveau moyen de Mars mais tout de même 2 km plus haut que le site d'atterrissage de Mars Pathfinder (3,5 km au-dessous du niveau moyen). D'autres conditions sont requises pour que les airbags ne crèvent pas : une pente inférieure à 2 % à grande échelle (1 km) et à 15% localement (5 m.), la densité de rochers doit être inférieure à 20%. La taille des rochers doit être limitée pour permettre le déploiement du rover au sol. Pour bénéficier d'un apport d'énergie suffisant du Soleil, les rovers doivent se poser à moins de 15° de latitude donc près de l'équateur. Enfin pour que les rovers n'utilisent pas au même moment le satellite relais pour les télécommunications avec la Terre, les deux sites d'atterrissage doivent être séparés d'au moins 37° en longitude.

Précision de l'atterrissage

Les sondes MER effectuent une rentrée directe, sans se placer auparavant en orbite autour de Mars, ce qui nécessite une navigation particulièrement précise car aucune correction ne peut être effectuée une fois que la phase de rentrée dans l'atmosphère martienne est entamée : en effet la coquille dans laquelle est enfermée le rover et le module d'atterrissage a une portance nulle et cette phase du vol est donc purement balistique contrairement à la sonde Mars Science Laboratory qui doit être lancé en 2011. Durant les tempêtes qui touchent fréquemment Mars, la densité de l'atmosphère martienne diminue de manière importante (jusqu'à 10%) et difficilement prévisible. Des vents qui peuvent être violents peuvent avoir une incidence importante sur la trajectoire de la sonde. Enfin le comportement de la sonde durant la phase de freinage atmosphérique ajoute une marge d'erreur. La sonde est dépourvue de moyens de compenser ces phénomènes une fois la rentrée atmosphérique entamée. Compte tenu de tous ces facteurs d'incertitude les calculs indiquent que le module d'atterrissage doit se poser dans une ellipse de 80 x 12 km centrée sur le point visé avec un probabilité de 99%  : parmi les facteurs énumérés, le vent peut entrainer un déport longitudinal et latéral du site d'atterrissage de +ou-4 km (pour une vitesse de 20 m/s) , la densité de l'atmosphère de +ou-12 km en longitudinal et le rebond des airbags de 1 km sur les deux axes.

Chronologie de l'atterrissage

Coussins gonflables des rovers Spirit et Opportunity.

La plateforme et les airbags dégonflés photographiés par Spirit peu après son arrivée sur Mars.

Environ 84 minutes avant que la sonde pénètre dans l'atmosphère martienne elle manoeuvre pour orienter le bouclier thermique vers l'avant. Désormais les panneaux solaires de l'étage de crosière, qui ne sont plus tournés vers le Soleil, ne fournissent plus d'énergie électrique et le fonctionnement de la sonde repose jusqu'au déploiement du rover sur cinq batteries stockées dans l'atterrisseur. L'étage de croisière, qui a rempli son office, est largué environ 15 minutes avant le début de la rentrée atmosphérique. A partir de ce moment et jusqu'au déploiement des antennes du rover après l'atterrissage, la sonde communique avec la Terre en utilisant une antenne à bas gain omnidirectionnel au débit très faible : le statut de la sonde aux différentes phases du vol est communiqué en faisant uniquement varier la fréquence de l'émission. La sonde MER aborde l'atmosphère martienne, dont la limite est située conventionnellement à 120 km, à la vitesse de 19 000 km/h et avec un angle de pénétration de 11,5° donc presque tangent à la surface de l'atmosphère. La forme du bouclier thermique, un cône de révolution avec un demi-angle de 70°, est un héritage du programme Viking, qui permet de maintenir l'orientation de la sonde en l'absence de système de stabilisation actif tout en évacuant la chaleur. La trainée engendrée par le frottement de l'engin dans la couche peu dense de gaz provoque une décélération qui culmine à7 g, correspondant à un ralentissement de plus de 4 000 km/h par minute. Le bouclier thermique est porté à une température de 1 500 °C.

Le déploiement du parachute à l'aide d'un mortier est déclenché par l'ordinateur de la sonde lorsque la pression aérodynamique (déterminée par la centrale à inertie) devient inférieure à 700 N/m² : si le déroulement est nominal, l'ouverture a lieu environ 244 secondes après le début de la rentrée atmosphérique alors que l'engin se trouve à 9,5 km d'altitude. 20 secondes plus tard le bouclier thermique avant est largué puis, 10 secondes plus tard, le module d'atterrissage se désolidarise du bouclier arrière et est descendu le long d'un câble d'environ 20 mètres de long afin de placer les coussins gonflables hors de portée des flammes des rétrofusées qui sont chargées d'annuler à la fin de la descente la vitesse résiduelle. De plus, cette configuration pendulaire réduit le risque que les suspentes du parachute viennent s'emmêler dans le module d'atterrissage du fait des turbulences de l’atmosphère martienne.

Alors que la sonde est située à environ 2 500 m du sol, un radar altimètre, monté sous le module de descente effectue plusieurs évaluations de la distance au sol qui sont intégrées par le logiciel de navigation pour déterminer la vitesse verticale et en déduire la durée de fonctionnement des rétrofusées. Trois photos sont prises successivement à des altitudes différentes et le logiciel utilise un système de reconnaissance de forme pour en déduire la vitesse horizontale. Une demi seconde avant la mise à feu des rétrofusées, les airbags sont gonflés. Les rétrofusées (RAD : Rocket Assisted Deceleration) sont mises à feu alors que le module de descente est situé à environ 12 mètres du sol. Pour réduire la vitesse horizontale trois autres rétrofusées dites TIRS (Transverse Impulse Rocket System) peuvent être éventuellement mises à feu de manière synchronisée. Ce dernier dispositif n'existait pas sur Mars Pathfinder : il a été ajouté car, compte tenu du poids plus élevé des sondes MER, une vitesse horizontale résiduelle trop importante pourrait entrainer une déchirure des airbags. Lorsque la vitesse est pratiquement annulée, la bride qui retient le module d'atterrissage est coupée et celui-ci chute sur le sol : le choc est amorti par les airbags et le module rebondit une première fois à 15 mètres de haut ; en fonction du relief le rover peut s'immobiliser au bout d'une minute et après avoir parcouru jusqu'à 1 km. Le bouclier arrière toujours propulsé par les rétrofusées reprend de l'altitude après sa séparation avec le module de descente et va s'écraser un peu plus loin.

Douze minutes après le premier contact avec le sol, les airbags sont dégonflés puis rétractés à l'aide de vérins. Environ une heure plus tard, Les pétales métalliques qui protègent le rover sont ouverts : à l'aide des accéléromètres du rover, l'ordinateur embarqué détermine dans quelle position se trouve le rover par rapport à l'horizontale et, si nécessaire, commande d'abord l'ouverture du pétale qui replacera l'engin dans une position adéquate. Le rover, qui était stocké replié pour occuper le moins de place possible, se met en condition opérationnelle : les panneaux solaires sont déployés à l'horizontale, les fixations qui solidarisaient le rover avec le module d'atterrissage sont défaites par de petites charges pyrotechniques, les roues sont déployées, le châssis se relève, les antennes de télécommunications et le mat qui porte la caméra panoramique sont mis en position verticale. Après avoir reçu un panoramique des environs réalisé par le rover au début de cette séquence, le contrôle sur Terre donne l'ordre à l'engin de descendre en empruntant l'une des rampes souples (batwing) tendues entre les pétales choisie en fonction de la configuration du terrain.

Le déroulement de l'atterrissage de Spirit et Opportunity

Les atterrissages de Spirit et d'Opportunity se sont déroulés conformément aux attentes de leurs concepteurs. L'erreur d'angle avant la rentrée atmosphérique est de 0,01° (Spirit) et 0,02° (Opportunity). Une tempête de poussière est en cours à l'arrivée des deux sondes : pour compenser la densité plus faible de l'atmosphère martienne liée à cet événement, le paramètre commandant le déploiement du parachute est modifié pour que celui-ci s'ouvre plus tôt. Selon les estimations, l'atmosphère est de 8% plus faible que la normale au moment de la décélération maximale de Spirit et de 12% pour Opportunity. Les atterrisseurs de Spirit et Opportunity se sont posés tous deux sans encombre environ 15 km en arrière du point visé comme on pouvait le prévoir avec une atmosphère de densité plus faible.