Pour les articles homonymes, voirGrace.
| Organisation |  NASA DLR |
|---|---|
| Constructeur | Airbus Defense and Space (Allemagne) |
| Programme | Earth System Science Pathfinder (ESSP) |
| Domaine | Mesure du champ gravitationnel terrestre |
| Statut | Mission terminée (GRACE) Opérationnel (FO) |
| Autres noms | Gravity Recovery And Climate Experiment |
| Lancement | 17 mars 2002 (GRACE) 22 mai 2018 (FO) |
| Lanceur | Rokot (GRACE) Falcon 9 (FO) |
| Fin de mission | Octobre 2017 (GRACE) |
| Durée | 5 ans (mission primaire) |
| Identifiant COSPAR | 2002-012A |
| Site | http://www.csr.utexas.edu/grace/ |
| Masse au lancement | 487 kg |
|---|---|
| Puissance électrique | 210 watts |
| Orbite | Polaire |
|---|---|
| Altitude | 500 km |
| Inclinaison | 89° |
Gravity Recovery And Climate Experiment plus connue par son acronymeGRACE etGRACE-FO (GRACE-Follow on) sont deux missions spatiales similaires, de laNASA et de l'agence spatiale allemande (DLR), lancées respectivement en et. Toutes deux effectuent des mesures détaillées de la gravité terrestre. Les données recueillies permettent de connaître la répartition détaillée des masses au sein de la planète et ses variations dans le temps. Pour y parvenir, ces missions utilisent deux satellites travaillant en tandem. Les positions relatives des deux satellites et les variations de leurs orbites sont exploitées pour mesurer l'évolution du champ gravitationnel dans la région survolée. Ce type d'information joue un rôle important dans l'étude desocéans, de lagéologie et duclimat de la Terre.
GRACE est développé conjointement par le centre de recherche spatial de l'université du Texas à Austin, duJet Propulsion Laboratory àPasadena enCalifornie, l'agence spatiale allemande, le centre de recherche allemand pour les sciences de la Terre àPotsdam[1]. Le JPL est responsable de la mission dans son ensemble dans le cadre du programme Earth System Science Pathfinder (ESSP) de la NASA. Cette mission spatiale fait partie du programmeEarth Observing System qui regroupe un ensemble de satellites de la NASA chargés de collecter des données sur de longues périodes sur la surface de la Terre, labiosphère, l'atmosphère terrestre et lesocéans de la Terre.
Les cartes générées mensuellement par GRACE sont 1 000 fois plus précises que les cartes qui existent auparavant ce qui permet d'améliorer la précision de nombreuses techniques utilisées par lesocéanographes, leshydrologues, lesglaciologues, lesgéologues, lesclimatologues, et autres scientifiques observant les phénomènes naturels[2]. La mesure du champ gravitationnel de la Terre par GRACE permet ainsi aux scientifiques de mieux comprendre des processus naturels importants comme, exemples parmi d'autres, la diminution de l'épaisseur desinlandsis polaires, la circulation de l'eau dans lesocéans (circulation thermohaline) ou les grandsbassins hydrographiques (répartition entreaquifères et systèmefluviale, temps de transfert et écoulements), et les écoulements, lents dumanteau terrestre (solide), plus rapides dans lenoyau externe (liquide), dans l'intérieur de la Terre.
Enocéanologie, une des applications les plus importantes est la compréhension de lacirculation océanique globale. Les « vallées » et les « collines » de la surface de l'océan, écarts de topographie entre la « surface réelle » de l'océan et legéoïde, sont produits d'une part par lescourants marins, d'une autre part par les variations temporelles et géographiques de lapression atmosphérique et des champs de vents associés, et enfin par les variations locales du champ gravitationnel. GRACE permet de séparer ces diverses origines et de mieux mesurer les courants océaniques et leurs effets sur le climat. Les données de GRACE sont également importantes pour déterminer l'origine de l'élévation du niveau de la mer et dans quelle mesure celle-ci est due à la masse d'eau provenant de la fonte desglaciers ou à ladilatation thermique des eaux chaudes ou aux changements desalinité[3].
GRACE est la première mission dans l'histoire du vol spatial à ne pas utiliser les ondes électromagnétiques transmises depuis la surface de la Terre et/ou de l'atmosphère pour effectuer ses mesures. GRACE utilise à la place un système de mesure de distance reposant sur des émissionsmicro-ondes qui mesure les variations de vitesse et de distance entre deux satellites identiques volant sur la mêmeorbite polaire à une distance de 220 km l'un de l'autre et à 500 km au-dessus du sol terrestre. Le système de mesure est si sensible qu'il peut détecter des changements de distance de 10micromètres soit un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain sur une distance totale de 220 km[4]. Lorsque les deux satellites GRACE effectuent leurs 16 révolutions quotidiennes autour de la Terre, leur trajectoire est perturbée par les variations duchamp gravitationnel terrestre. Lorsque le premier satellite passe au-dessus d'une région où la gravité est un petit peu plus importante, le satellite est attiré par l'anomalie du champ gravitationnel et la distance avec le satellite qui le suit est modifiée. Après avoir franchi l'anomalie, le premier satellite reprend sa vitesse normale tandis que les paramètres de la trajectoire du deuxième satellite sont à leur tour affectés. En mesurant de manière continue les modifications de distance entre les deux satellites et en combinant ces informations avec la position des satellites fournie par des récepteursGPS, les scientifiques peuvent reconstituer une carte détaillée du champ gravitationnel terrestre.
Les deux satellites maintiennent en permanence une liaison montante et descendante entre eux. La mesure de distance est effectuée en comparant le décalage de fréquence au niveau de cette liaison. Pour compléter ces données, les vaisseaux mesurent leurs propres mouvements en utilisant des accéléromètres. Toutes ces informations sont envoyées aux stations au sol. Pour fournir des points de référence et maintenir l'orientation des vaisseaux, ceux-ci utilisent des capteurs d'étoile, des magnétomètres et des récepteurs GPS. Les satellites GRACE ont également des réflecteurs laser qui permettent de mesurer la distance depuis la station au sol par laser.
La mission utilise deux satellites exactement identiques. Chaque satellite a une section trapézoïdale et est long de 3,122 mètres pour une hauteur de 0,72 m et une largeur à la base de 1,942 m et au sommet de 0,693 m. Chacun des satellites à une masse de 432 kg dont 34 kilogrammes de gaz utilisé pour la propulsion et 40 kg decharge utile. La structure est réalisée avec enpolymère renforcé de fibres de carbone caractérisé par uncoefficient de dilatation thermique très faible qui garantit la qualité des mesures de distance entre satellite. Le satellite eststabilisé sur 3 axes : son orientation dans l'espace est maintenue fixe à l'aide de sixcapteurs solaires CESS (Coarse Earth Sun Sensor) montés sur chaque face du satellite. Ceux-ci permettent d'établir la direction du Soleil avec une précision de 3 à 6° et celle de la Terre avec une précision de 5 à 10 degrés, unmagnétomètreFörster fixé sur une perche qui affine ces mesures. Le pointage de précision est effectué à l'aide duviseur d'étoiles SCA (Star Camera Assembly) dérivé de ASC (utilisé par le satelliteØrsted) et d'unrécepteur GPS. Unecentrale à inertie sur 3 axes vient compléter ces données. Les corrections d'orientation sont effectuées à l'aide de 3magnéto-coupleurs et de 12propulseurs à gaz froid (azote). Les faces supérieures et latérales du satellite sont recouvertes decellules photovoltaïques qui fournissent 150 à 210 watts d'énergie électrique dont 75 sont utilisés par la charge utile. Desaccumulateurs nickel-hydrogène d'une capacité de 16Ah fournissent l'énergie lorsque le satellite est plongé dans l'ombre de la Terre. La durée de vie de laplate-forme est de 5 ans. Environ 80% des composants électroniques sont des composants acquis dans le commerce[5].
KBR (K/Ka-Band Ranging) est l'instrument principal du satellite. Son rôle est de mesurer la distance entre les deux satellites avec une précision de l'ordre du micromètre. Il repose sur l'analyse de la phase des signaux envoyés par les deux satellites enbande K etKa. Chaque satellite analyse les signaux émis par l'autre satellite.
LRI (Laser Ranging Interferometer) est un instrument expérimental embarqué uniquement sur GRACE-FO et qui remplit le même objectif que KBR à savoir mesurer la distance entre les deux satellites. À cet effet, il utilise un laser dont la lumière est analysée sur l'autre satellite.
L'accéléromètre SuperStar, dérivé de l'instrument STAR embarqué à bord deCHAMP mais avec une précision 10 fois supérieure, mesure l'accélération gravitationnelle due aux forces detraînée et à la pression de radiation (Soleil et Terre) et subie par le satellite. SuperStar est monté aucentre de gravité du satellite.
Le satellite embarque unrétroréflecteur laser LRA (Laser Corner-cube Reflector Assembly) qui est illuminé par un laser pointé depuis le sol permet de mesurer l'altitude de l'orbite avec une précision de 1 à 2 centimètres.
Le récepteur GPS est utilisé pour déterminer avec une très grande précision l'orbite suivi par le satellite et effectuer des mesures d'occultation radio. L'appareil utilisé pour GRACE-FO contrairement à celui de GRACE permet d'exploiter également les signaux des systèmes de navigation par satellites européenGalileo et russeGLONASS.
Les satellites sont construits parAstrium en Allemagne et utilisent saplate-forme « Flexbus ». Les systèmes à fréquence micro-ondes et les algorithmes de contrôle et de détermination de l'orientation sont fournis parSpace Systems/Loral. La caméra utilisée pour le capteur d'étoiles est fourni par l'université technique du Danemark. L'ordinateur et le récepteurGPS de haute précision sont fournis par leJPL à Pasadena. L'accéléromètre de haute précision utilisé pour isoler les effets de l'atmosphère et duvent solaire des variations gravitationnelles est fourni par l'ONERA.
Les satellites GRACE sont placés en orbite le par un lanceurRokot tirée depuis lecosmodrome de Plessetsk enRussie fournie par la sociétéEurockot. Les deux satellites surnommés Tom et Jerry sont placés sur la mêmeorbite polaire située à une altitude de 500 kilomètres et avec uneinclinaison orbitale de 89°. L'étage supérieur du lanceurBriz-KM, libère un des deux satellites avec une vitesse légèrement supérieure (0,5 m/s) pour que ceux-ci soient séparés par une distance comprise entre 170 et 270 kilomètres. Par la suite les satellites utilisent leurpropulsion à gaz froid pour maintenir leur distance respective dans cette fourchette de valeur. Il est prévu à l'époque que l'altitude de l'orbite s'abaisse graduellement à 300 km à l'issue de la mission primaire[5].
Laphase de recette s'achève le. En, la NASA donne son accord pour l'extension de la mission jusqu'en 2009. En, la position respective des deux satellites est inversée pour préserver l'antenne cornet (bande Ka) du satellite de tête qui subit une érosion liée à l'impact des atomes d'oxygène présents dans l'atmosphère résiduelle. La NASA et la DLR décident en de prolonger la mission jusqu'à l'épuisement de ses ergols, événement qui doit intervenir entre 2013 et 2015 en fonction de l'activité solaire, du degré de sollicitation des moteurs-fusées et de l'état des accumulateurs. La dégradation de l'orbite est bien inférieure à celle prévue puisqu'en 2011 les satellites circulent encore à une altitude de 455 km. En, l'altitude est de 410 kilomètres et décroit d'environ 49 mètres par jour. Chaque satellite dispose encore de 9 à 10 kilogrammes de gaz froid ce qui garantit leur fonctionnement au minimum jusqu'en 2017. La position respective des deux satellites est de nouveau inversée en. Courant 2016, les satellites GRACE commencent à voir leur capacité opérationnelle fortement réduite. La collecte des données est affectée par la perte de plusieurs éléments des accumulateurs et d'un des deux accéléromètres. La NASA souhaite un recouvrement entre GRACE et son successeur GRACE-FO dont le lancement est prévu fin 2017. En, la dégradation de l'état des accumulateurs d'un des deux satellites entraîne la fin de la mission[5]. Les ergols restants sont utilisés pour accélérer larentrée atmosphérique et la destruction des deux satellites qui intervient le pour GRACE-2 et le pour GRACE-1[6],[7].
Les deux agences spatiales lancent fin 2012 le développement d'une deuxième série de satellites aux caractéristiques très proches des originaux pour poursuivre les mesures du champ gravitationnel de la Terre. Les caractéristiques des satellites sont quasiment identiques à celles de la mission précédente hormis un nouvel instrument constitué par un interféromètre laser expérimental utilisé pour mesurer la distance entre les deux satellites[8]. Le lancement prévu initialement en est repoussé à plusieurs reprises à la suite de problèmes rencontrés sur le lanceur. Le lanceurDnepr prévu initialement devient indisponible en 2016 puis le lanceurFalcon 9 sélectionné en remplacement est victime d'une explosion au sol en qui repousse la date de lancement de plusieurs mois supplémentaires[9]. Les deux satellites GRACE-FO doivent décoller depuis labase de lancement de Vandenberg (Californie). Lacharge utile du lanceurFalcon 9 comprend également cinqsatellites de télécommunicationsIridium NEXT[10]. GRACE-FO décolle de Vandenberg le à19 h 48 et est placé sur une orbite polaire à une altitude de 490 kilomètres avec uneinclinaison orbitale de 89°[11].
Les résultats suivants sont obtenues grâce aux données recueillies par GRACE[5] :
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