Mars Exploration Rover - Définition

Introduction

Vue d'artiste d'un rover MER à la surface de Mars

Lancement de la mission MER-A Spirit le 10 juin 2003 par une fusée Delta II.

Mars Exploration Rover (MER) est une mission double de la NASA lancée en 2003 et composée de deux robots mobiles ayant pour objectif d'étudier la géologie de la planète Mars et en particulier le rôle joué par l'eau dans l'histoire de la planète. Les deux robots ont été lancés au début de l'été 2003 et se sont posés en janvier 2004 sur deux sites martiens susceptibles d'avoir conservé des traces de l'action de l'eau dans leur sol. Chaque rover ou astromobile, piloté par un opérateur depuis la Terre, a alors entamé un périple en utilisant une batterie d'instruments embarqués pour analyser les roches les plus intéressantes :

• MER-A rebaptisé Spirit a atterri dans le cratère Gusev, une dépression de 170 kilomètres de diamètre qui a peut-être accueilli un lac.
• MER-B renommé Opportunity s’est posé le 24 janvier 2004 sur Meridiani Planum.

Chaque rover pèse environ 185 kg et se déplace sur 6 roues mues par l'énergie électrique fournie par des panneaux solaires. Il est équipé de trois paires de caméras utilisées pour la navigation et de plusieurs instruments scientifiques : une caméra panoramique située sur un mat à 1,5 mètres de hauteur, un outil pour abraser la surface des roches porté par un bras articulé sur lequel se trouvent également un spectromètre à rayons X, un spectromètre Mössbauer et une caméra microscope. Enfin un spectromètre infrarouge est utilisé pour l'analyse des roches et de l'atmosphère.

La mission MER s'inscrit dans un programme d'exploration de Mars de la NASA très ancien et fait suite à deux missions américaines sur le sol martien aux capacités scientifiques beaucoup plus limitées : le programme Viking de 1976 et Mars Pathfinder de 1997. Les objectifs scientifiques du programme ont été remplis avec la découverte par les deux robots de plusieurs formations rocheuses qui résultent probablement de l'action de l'eau dans le passé : billes d'hématite grise et silicates. Les robots ont également permis d'étudier les phénomènes météorologiques, d'observer des nuages et de caractériser les propriétés des couches de l'atmosphère martienne. Les deux véhicules MER conçus et gérés par le Jet Propulsion Laboratory ont largement dépassé les objectifs qui leur étaient fixés : parcourir 600 mètres et rester opérationnel durant 90 jours martiens. Spirit, désormais bloqué par le sable, a pu parcourir 7,7 kilomètres et a transmis ses dernières données scientifiques le 22 mars 2010 tandis qu'Opportunity, toujours opérationnel après avoir progressé en juin 2010 de plus de 21 kilomètres, se dirige vers le cratère Endeavour.

Historique

Les sondes martiennes américaines des années 1990

Ravines sur la paroi d’un cratère d’impact sur Mars, photographié en 2003 par Mars Global Surveyor.

La NASA lance en 1992 la mission Mars Observer alors qu'il s'est écoulé dix-sept ans depuis le programme américain Viking et sa dernière mission Viking 2. Mais trois jours avant la date prévue pour l’insertion sur son orbite martienne, le contact est perdu. Mars Observer est la sonde la plus coûteuse lancée par la NASA et elle est perdue avant d'avoir accompli sa mission (813 millions de dollars de l'époque). Cet échec entraîne une révision de la stratégie d'exploration planétaire américaine : celle-ci doit désormais permettre d'envoyer davantage de sondes à budget serré de manière à ne pas tout perdre en cas d’échec. C'est le « better, faster, cheaper » qui devient la devise du nouveau programme Discovery. Dans le cadre de ce programme à chaque conjonction favorable de Mars et de la Terre (soit environ tous les deux ans), la NASA prévoit d'envoyer à la fois une sonde spatiale de type orbiteur, qui doit effectuer ses observations depuis l'orbite martienne, et une autre de type atterrisseur, chargée de se poser sur le sol martien pour y recueillir des données scientifiques. Les deux premières sondes sont lancées en 1996 et remplissent leur mission avec succès : l’atterrisseur Mars Pathfinder se pose sur Mars et libère le premier robot mobile extraplanétaire, Sojourner, qui explore les environs durant quelques semaines ; l'orbiteur Mars Global Surveyor renvoie durant neuf ans une quantité inégalée de données sur l'atmosphère, la surface et la structure interne de Mars. Conformément à ses plans, la NASA lance fin 1998/début 1999 deux nouvelles sondes lorsque Mars se trouve dans une position favorable, mais Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander sont toutes deux victimes de défaillances avant d'avoir débuté leur mission. La NASA décide d'annuler le lancement des deux sondes de Mars Surveyor 2001 : l'atterrisseur devait comporter un rover, baptisé Athena aux capacités très proches des rovers MER. L'échec entraine également la remise en question du principe du « better, faster, cheaper » et l'arrêt des lancements doubles de sondes construites selon ce principe.

Changement de stratégie

Au début des années 2000, alors que la NASA achève le développement de la sonde 2001 Mars Odyssey, l'agence spatiale américaine décide de revoir sa stratégie d'exploration de la planète Mars. La sonde Mars Global Surveyor a envoyé des données qui confirment que la planète a eu une histoire climatique complexe et intéressante au cours de laquelle de grandes masses d'eau ont coulé sur le sol martien. Mais le déroulement de ces événements et la manière dont l'eau a interagi avec l'atmosphère et la surface martienne n'ont pu être reconstitués. Compte tenu de ce nouvel éclairage sur le passé martien, beaucoup de scientifiques souhaitent l'envoi d'une mission spatiale capable de ramener un échantillon du sol martien sur Terre qui pourrait apporter des réponses décisives à certaines de ces interrogations. Mais la réussite de cette mission très complexe nécessite que de nombreuses conditions soient remplies : identifier un site d'atterrissage susceptible d'abriter des traces de vie, effectuer un atterrissage d'une très grande précision et disposer d'un robot capable d'atteindre le site visé pour récupérer un échantillon intéressant si nécessaire en forant. Or seule la caméra à très haute définition de Mars Reconnaissance Orbiter, dont le lancement est prévu en 2006, peut éventuellement identifier un site favorable. De plus le risque est grand de ramener un échantillon ne fournissant aucune donnée exploitable. La NASA n'a pas à cette période de budget suffisant pour une mission aussi couteuse.

La mission MER

Les sites d'atterrissages des sondes MER.

L'agence spatiale se rabat donc sur une mission reposant sur un rover géologue qui doit explorer, analyser sur place à l'aide de ses instruments scientifiques embarqués et transmettre les résultats de ses mesures. La NASA écarte l'utilisation d'un rover dérivé de Mars Pathfinder car son autonomie trop limitée ne permettrait pas de prospecter suffisamment le sol martien. Le JPL propose de développer un rover, baptisé Mars Exploration Rover (MER), avec des dimensions nettement supérieures, doté d'une plus grande autonomie et suffisamment léger pour permettre l'utilisation de coussins gonflables (« airbags ») utilisés avec succès pour l'atterrissage de la sonde Pathfinder. Pour limiter les risques de la mission, la NASA décide en août 2000 d'envoyer deux engins similaires, comme cela se pratiquait couramment au début de l'ère spatiale : l'agence argumente que le coût de la construction d'un deuxième exemplaire est faible par rapport à celui du développement du MER et que par contre si les deux rovers réussissent leur mission, les gains scientifiques seront fortement accrus. L'agence spatiale renonce à sa politique des sondes bon marché : l'ensemble de la mission va couter 850 millions de dollars. La NASA planifie le lancement pour la prochaine fenêtre de tir en direction de Mars qui doit s'ouvrir durant l'été 2003. Chaque MER est équipé de 6 instruments scientifiques et est conçu pour parcourir au moins 1 km durant 90 jours martiens.

Les objectifs scientifiques de la mission

La NASA assigne sept objectifs scientifiques à la mission :

• Rechercher des roches et des sols témoignant de l'action passée de l'eau et déterminer leurs caractéristiques. Cette recherche porte en particulier sur les minéraux déposés par les processus liés à la présence d'eau tels que les précipitations, l'évaporation, la sédimentation et l'activité hydrothermale.
• Déterminer la distribution et la composition des minéraux, rochers et sols qui entourent les sites d'atterrissage.
• Déterminer les processus géologiques à l'origine de la formation des sols avoisinants et qui ont influencé leur chimie. Ces processus peuvent inclure l'érosion par l'action du vent ou par l'eau, l'activité hydrothermale, le volcanisme et l'impact de météorites.
• Valider les données collectées par les sondes en orbite en les confrontant aux observations au sol. Ces vérifications doivent permettre de déterminer la précision et le bon fonctionnement des différents instruments qui effectuent des observations géologiques depuis l'orbite.
• Rechercher des minéraux contenant du fer, identifier et quantifier les différents types de minéraux qui contiennent de l'eau ou ont été formés dans l'eau tels que les carbonates de fer.
• Déterminer les caractéristiques des minéraux ainsi que les textures des roches et des sols et spécifier les processus qui les ont créés.
• Rechercher des indices géologiques de la période où l'eau était présente sous forme liquide. Déterminer si ces environnements pouvaient être propices à la vie.

Une architecture technique fortement inspirée des missions précédentes

La conception des sondes MER repose en grande partie sur des développements réalisés pour des missions antérieures. L'architecture utilisée pour la mission Pathfinder de 1996 est reprise pour l'étage de croisière chargé de propulser les sondes entre la Terre et Mars et le véhicule de rentrée et le module d'atterrissage. Ceux-ci sont toutefois redimensionnés : le parachute est 40% plus grand et les fusées chargées de ralentir la sonde avant l'atterrissage sont 90% plus puissantes. Les instruments scientifiques sont un héritage du rover Athena qui devait constituer la charge utile de l'atterrisseur de la mission Mars Surveyor 2001 annulée.