Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging
Pour les articles homonymes, voirMessenger.
| Organisation |  NASA |
|---|---|
| Constructeur | APL |
| Programme | ProgrammeDiscovery |
| Domaine | Étude deMercure |
| Type demission | Orbiteur |
| Statut | Mission achevée |
| Lancement | |
| Lanceur | DeltaII 7925H-9.5 |
| Insertion en orbite | |
| Fin de mission | |
| Durée | 10 ans, 8 mois et 27 jours |
| Identifiant COSPAR | 2004-030A |
| Protection planétaire | CatégorieII[nasa 1] |
| Site | http://MESSENGER.jhuapl.edu/ |
| Masse au lancement | 1 093 kg |
|---|---|
| Masse instruments | 47 kg |
| Ergols | Hydrazine /peroxyde d’azote |
| Masse ergols | 608 kg |
| Contrôle d'attitude | stabilisé 3 axes |
| Source d'énergie | Panneaux solaires |
| Puissance électrique | 640 Watts (Mercure) |
| Orbite | Polaire |
|---|---|
| Périapside | 200 km |
| Apoapside | 15 193 km puis 10 300 km |
| Période de révolution | 12 heures puis 8 heures |
| Inclinaison | 82,5° |
| MDIS | Caméraimageurultraviolet |
|---|---|
| GRNS | Spectromètregamma et àneutronsRadio sondage[Quoi ?] |
| XRX | Spectromètre àrayons X |
| MAG | Magnétomètre |
| MLA | Altimètrelaser |
| MACS | Spectromètreinfrarouge/ultraviolet |
| EPPS | Spectromètre à particules énergétiques |
| RS | Occultation radio |
MESSENGER (abréviation de l'anglais :MErcurySurface,SpaceENvironment,GEochemistry andRanging, soit enfrançais « Surface, environnement spatial, géochimie et télémétrie de Mercure ») est une mission d’étude de la planèteMercure de l’agence spatiale américaineNASA qui s'est déroulée de2004 à2015.
Mercure, planète la plus proche du Soleil, est avant la mission quasiment inexplorée :MESSENGER n’a été précédée que par la sondeMariner 10, qui a survolé la planète à trois reprises en 1974 et 1975. La mise en orbite autour de Mercure par vol direct nécessite de pouvoir réduire la vitesse orbitale de la sonde de13 km/s, soit142 000 km/h. Ainsi, aucune sonde n’avait été placée en orbite autour de Mercure, jusqu’à l’arrivée deMESSENGER. Les progrès de lamécanique spatiale dans les années 1980 et 1990 ont permis de mettre au point des trajectoiresbalistiques et indirectes exploitant l’assistance gravitationnelle des planètes,MESSENGER a exploité ces techniques en recourant à des phases propulsives successives limitées au cours de son transit de sept ans vers la planète Mercure. C'est ainsi qu'en effectuant six survols rapprochés des planètes intérieures (la Terre, Vénus à deux reprises et Mercure à trois reprises), avec quelques corrections de trajectoire intermédiaires, que la masse de carburant embarqué parMESSENGER a été réduite à un peu plus de 50 % de sa masse totale qui ergols compris était de1,1 tonne.
MESSENGER est la septième mission sélectionnée par la NASA dans le cadre de sonprogrammeDiscovery. Celui-ci regroupe des projets d’exploration dusystème solaire à coût modéré et courte durée de développement. La sonde spatiale emporte sept instruments scientifiques : plusieursspectromètres, unaltimètrelaser, unmagnétomètre et des caméras. Les spécifications techniques de la sonde et l’orbite retenue pour la partie scientifique de la mission sont largement dictées par les températures pouvant atteindre350 °C. La sonde effectue ses relevés depuis uneorbite polaire fortement elliptique, de 200 × 15 000 km. L’objectif de la mission est de réaliser unecartographie complète de la planète, d’étudier la composition chimique de sa surface et de sonexosphère, son histoire géologique, samagnétosphère, la taille et les caractéristiques de sonnoyau, ainsi que l’origine de sonchamp magnétique. Les données que la mission a collecté doivent contribuer à affiner la connaissance des mécanismes de formation et d’évolution duSystème solaire.
Lasonde spatiale, lancée le, se place en orbite autour de la planète le. La fin de la mission, fixée initialement à, est repoussée jusqu'en. Lors de la phase finale, la sonde spatiale est placée sur une orbite plus rapprochée qui permet de prolonger la durée d'observation et d'augmenter la résolution des données. La sonde spatiale s'écrase sur le sol de Mercure le, après l'épuisement des ergols qui lui permettaient de se maintenir en orbite.
La mission a fourni un grand nombre d'informations scientifiques. Elle a permis de compléter la couverture photographique de la planète qui a révélé des formations qui n'ont jusqu'à présent pas trouvé d'explications. Par ailleurs, plusieurs découvertes inattendues sur la composition du sol de Mercure ont été effectuées, tandis que le champ magnétique mesuré a confirmé la présence d'un noyau partiellement liquide. Malgré la proximité du Soleil de l'eau stockée sous forme de glace a été détectée dans les régions polaires qui sontplongées en permanence dans l'ombre.
Mercure est une planète difficile à atteindre du fait de sa position dans le puits gravitationnel du Soleil. Aussi,MESSENGER n'est que la deuxièmesonde spatiale à avoir approché Mercure.
Mariner 10 est le seul engin spatial à avoir précédéMESSENGER et survoléMercure à trois reprises en 1974 et 1975. Cette sonde, lancée par la NASA le en direction deVénus, a utilisé pour la première fois l’assistance gravitationnelle d’une planète (Vénus) pour atteindre Mercure, dont le survol n’était pas prévu au lancement. Équipée d’une caméra, d’unmagnétomètre et de plusieursspectromètres,Mariner 10 a notamment permis de découvrir unchamp magnétique significatif et de mesurer la forte densité de la planète, deux facteurs révélateurs d’unnoyau ferreux de grande taille. Lestélescopes terrestres les plus puissants n’avaient pas permis d’obtenir des images de qualité de la surface, du fait de la proximité de l’alignement avec le Soleil. Les photos prises parMariner 10 ont permis de cartographier près de 45 % de la surface de la planète, avec une résolution d’environ 1 km, et révéler une surface ancienne, couverte de cratères, à l’apparence très proche de celle de la Lune[nasa 2].
Aucune mission ne s’est depuis rendue sur Mercure. En effet, la mise en orbite autour de la planète d’une sonde spatiale nécessite de faire face à deux difficultés que seules des évolutions relativement récentes de la techniqueastronautique ont permis de surmonter. Pour se placer en orbite autour de Mercure en suivant une trajectoire directe, une sonde lancée depuis la Terre doit, en vol direct (orbite de Hohmann), réduire fortement savitesse orbitale (de13 km/s, pour un départ depuis une orbite à 300 km de la surface de la Terre, vers une orbite à 200 km de la surface de Mercure), sans compter l'énergie nécessaire pour se placer dans leplan orbital de Mercure, qui est incliné de 7° par rapport à l’écliptique[1]. Le recours à une trajectoire directe est donc particulièrement coûteux. Au milieu des années 1980, les progrès dans le domaine de lamécanique spatiale rendent ce type de mission réalisable à un coût raisonnable, grâce à un enchainement de manœuvres d’assistance gravitationnelle. La proximité du Soleil constitue la deuxième difficulté d’une mission vers Mercure : une sonde orbitant autour de la planète reçoit onze fois plus d’énergie du Soleil que lorsqu’elle se situe sur une orbite terrestre, et le sol de Mercure sur sa face éclairée réfléchit une grande partie de la chaleur qu’il reçoit du Soleil, accroissant les contraintes thermiques subies par un engin croisant à basse altitude.
À la fin des années 1980, un groupe de travail formé de scientifiques étudie, à la demande de la NASA, une mission orbitale vers Mercure. Le scénario retenu comporte deux sondes lancées par une fuséeTitanIV-Centaur, et utilisant à plusieurs reprises l’assistance gravitationnelle, pour atteindre Mercure après un transit de quatre ans. Les deux sondes identiques ont une masse sèche de 1 tonne et emportent 1,6 tonne de carburant et 100 kg d’instruments scientifiques, consommant environ 100 watts. Les deux sondes doivent être injectées sur des orbites de 12 heures, avec un périgée à 200 km situé, pour l’une au niveau du pôle nord, et pour l’autre au niveau de l’équateur. Durant la première moitié de la mission, d’une durée d’un an, les sondes qui circulent avec des inclinaisons écartées de 60° se concentrent sur l’étude de la magnétosphère puis se rejoignent sur une inclinaison pour l’étude de la surface de la planète. Aucune suite n’est donnée à cette étude[jhuapl 1].
Le lancement par la NASA, en 1992, duprogrammeDiscovery, dont l’objectif est la mise sur pied de missions scientifiques à coût modéré permettant un rythme de lancement rapide, ouvre de nouvelles opportunités pour les projets d’exploration du système solaire. Pour le premier appel à candidatures de 1994, deux propositions de mission sur 28 ont pour thème l’exploration de Mercure, mais ce sont les missionsCONTOUR,Genesis,Stardust etLunar Prospector qui sont pré-sélectionnées. Pour l’appel à candidatures suivant, en, une mission vers Mercure passe le stade des pré-sélections, mais n’est finalement pas retenue. Le même scénario de mission vers Mercure est de nouveau proposé pour l’appel à idées de, avec quelques changements dans la charge utile scientifique embarquée : ce projet réussit à franchir les étapes de sélection, et est désigné comme la septième mission du programmeDiscovery. Le lancement est prévu pour, avec une fenêtre de lancement de secours en[jhuapl 1]. Le coût de la mission est alors estimé à 286 millions de dollars. Le laboratoireAPL de l’Université Johns-Hopkins est retenu pour la construction de la sonde spatiale. Le responsable scientifique de la mission est Sean C. Solomon duCarnegie Institution of Washington[nasa 3]. Contrairement àMariner 10, qui n’a fait que survoler la planète avec des temps d’observation très courts,MESSENGER doit se placer en orbite autour de Mercure et recueillir des données durant au moins un an. La sonde emporte une instrumentation scientifique plus diversifiée et offrant des performances sans commune mesure avec celles de son prédécesseur : ainsi, la résolution d’une de ses caméras est 100 fois meilleure que celle deMariner 10. Le nom retenu pour la sonde,MESSENGER, fait référence au fait queMercure était le messager (MESSENGER en anglais) des dieux dans lamythologie romaine.
Comme toutes les missions du programmeDiscovery,MESSENGER doit obligatoirement utiliser, pour des raisons de coût, lelanceurDelta, dont la version la plus puissante 7925 H permet de placer 1,1 tonne sur une trajectoire interplanétaire. La capacité d’emport en carburant est donc limitée, et pour parvenir à décélérer suffisamment, la sonde a recours, à six reprises, à l’assistance gravitationnelle d’une planète. Cette manœuvre (cf. schéma ci-contre) consiste à survoler une planète à faible altitude, et sous un angle prédéterminé. Sous l’influence du champ de gravité de la planète, le vecteur vitesse de la sonde (V1 et V2 sur leschéma 1) subit une rotation tout en conservant la même magnitude. Toutefois, la vitesse orbitale par rapport au Soleil (Vh1 et Vh2 sur leschéma 1) est modifiée, et dans le cas illustré, sensiblement réduite : les survols à faible altitude de la Terre, de Vénus à deux reprises et enfin de Mercure à trois reprises permettent tout à la fois de réduire la vitesse, modifier l’orbite et effectuer le changement deplan orbital rendu nécessaire par l’inclinaison de Mercure par rapport à l’écliptique (7°). La contrepartie de ces manœuvres est une durée de transit particulièrement longue (presque sept ans) entre la Terre et Mercure, qui nécessite de s’assurer de la fiabilité des équipements dans la durée en multipliant les redondances[jhuapl 2].
La sonde doit emporter 600 kg de carburant qui sont consommés par les corrections de trajectoire durant le transit entre la Terre et Mercure, l’insertion en orbite autour de Mercure et les modifications de son orbite autour de Mercure. Différentes méthodes ont été utilisées pour limiter la masse à sec restante à ce qu’autorise la capacité du lanceur soit 500 kg, sans sacrifier l’instrumentation scientifique. La structure de laplate-forme, des réservoirs et du pare-soleil, rendu nécessaire par la proximité du Soleil, a recours à des matériaux élaborés permettant d’alléger leur masse tout en garantissant leur rigidité. Pour limiter les coûts, seules les caméras n'ont pas un pointage fixe. L’antenne à grand gain a recours pour la première fois sur une sonde spatiale à la technique de lacommande de phase, ce qui permet de supprimer un système d’orientation pesant tout en conservant la capacité de modifier l’axe du faisceau radio de plus ou moins 45°. Les panneaux solaires qui doivent supporter des températures qui peuvent atteindre270 °C, incluent des réflecteurs sur les deux tiers de leur surface, qui permettent de limiter les contraintes thermiques[jhuapl 2].
La phase de conception deMESSENGER débute en et s’achève en avec la Revue critique de conception (Critical Design Review, CDR), qui permet le lancement de la phase de développement. Le début de mission est alors encore planifié pour, avec desfenêtres de lancement de substitution situées en mai et juillet/. L’assemblage et les tests de la structure et du système de propulsion débutent en. Durant l’été 2003, on découvre que plusieurs sous-systèmes ne respectent pas le cahier des charges, notamment lacentrale à inertie et certaines cartes électroniques. Les responsables du projet décident de remplacer les cartes défaillantes, au prix d’un glissement de la date de lancement à. Puis, les tests fonctionnels s’avèrent plus compliqués que prévu, car les concepteurs de la sonde ont raffiné les modes de fonctionnement autonomes pour s’assurer queMESSENGER ne sera pas exposée au Soleil plus de quinze minutes en cas de défaillance du système decontrôle d’attitude. En, la NASA décide de repousser le lancement en août pour pouvoir mener à bien les tests et éviter des conflits avec d’autres lancements programmés sur la même période. Un lancement à cette date permettait initialement une arrivée sur Mercure en, après un survol de la Terre, deux de Vénus et deux de Mercure. Mais durant la phase de développement,MESSENGER a pris du poids, et elle n’est plus en mesure de se mettre en orbite de Mercure en suivant cette trajectoire : il faut ajouter un survol de Mercure au plan prévu, ce qui repousse l’arrivée à[jhuapl 1].
Mercure est une des quatre planètes intérieures, avecVénus, la Terre etMars. Par rapport à ces dernières, elle présente des caractéristiques extrêmes : c’est à la fois la plus petite de ces planètes, la plus dense, celle dont la surface est la plus ancienne. Étant la plus proche du Soleil, Mercure est la planète qui présente les contrastes thermiques quotidiens les plus importants. Cette planète a été uniquement survolée à trois reprises parMariner 10, la dernière fois en 1975, et est donc pratiquement inexplorée. Une bonne connaissance de cette planète, la plus proche duSoleil, est essentielle pour améliorer notre compréhension de la genèse dusystème solaire et de son évolution[jhuapl 3].
La missionMESSENGER doit répondre principalement à six questions :
MESSENGER est une sonde spatiale interplanétaire de 1,1 tonne, de relativement petite taille, ce qui résulte à la fois de la disposition ramassée de ses composants et de la modestie de son budget. Lapartie centrale deMESSENGER a la forme d’un parallélépipède allongé (1,27 m × 1,42 m × 1,85 m). Sa structure engraphite /epoxy est constituée de deux panneaux verticaux, qui supportent les deux réservoirs de carburant, et de deux panneaux verticaux perpendiculaires, auxquels est accroché le réservoir decomburant. Un panneau horizontal coiffe ces quatre panneaux, et sert de support au propulseur principal (LVA), aux propulseurs auxiliaires et à leurs réservoirs, au réservoir d’hélium, auxviseurs d'étoiles et à la batterie. Un pare-soleil semi-cylindrique entoure la partie de la sonde tournée vers le Soleil. Réalisé dans un tissu en fibre de céramique, il est tenu par une armature tubulaire solidaire du bus. Deuxpanneaux solaires s’articulent latéralement sur la partie centrale de la sonde, et débordent latéralement dubouclier thermique. La partie inférieure de la sonde, qui fait face à la planète, lorsqu’elle est en orbite autour de Mercure, abrite cinq des sept instruments scientifiques : certains d’entre eux sont installés au milieu de l’adaptateur utilisé pour fixerMESSENGER à son lanceur. Enfin le mât, long de 3,6 mètres, qui porte à son extrémité lemagnétomètre, s’étend à l’opposé de la direction du Soleil (cf.schéma 3 et4)[jhuapl 9].
La puissance électrique est fournie par les panneaux solaires, qui s’étendent au-delà du bouclier thermique et sont orientés de façon à contrôler leur température et la puissance délivrée.MESSENGER dispose en tout de deux panneaux de 1,54 m × 1,75 m qui sont déployés une fois la sonde en orbite. La structure d’un panneau solaire est réalisée ennid d’abeilles d’aluminium de 18 mm d’épaisseur. Les faces avant et arrière sont revêtues d’une couche isolante dekapton. Les panneaux solaires peuvent être soumis à des températures extrêmes de275 °C durant le séjour en orbite autour de Mercure. Pour permettre de résister à cette température, plusieurs dispositifs sont prévus. D’une part, les panneaux sont recouverts à 70 % deréflecteurs optiques (OSR) et seulement à 30 % decellules photovoltaïquesAsGa /Ge, ce qui permet d’éviter un échauffement excessif. D’autre part, lorsque la sonde quitte la Terre, les panneaux solaires sont perpendiculaires au Soleil pour recueillir le maximum d’énergie, mais au fur et à mesure de son approche de son objectif, les panneaux sont progressivement inclinés par rapport à la direction du Soleil, pour maintenir leur température à moins de150 °C. La consommation des différents équipements est comprise entre 385 et 485 watts durant la phase de croisière, et est de 640 watts durant le séjour en orbite. L’énergie électrique recueillie est stockée dans des batteriesnickel / hydrogène de 23 ampères-heures, pouvant faire face aux périodes d’éclipse du Soleil[jhuapl 10],[jhuapl 11].
Le système de propulsion de la sonde, qui peut fournir undelta-v (une accélération) cumulé de2 300 m/s, comporte17 propulseurs et cinq réservoirs. La propulsion principale est assurée par unmoteur-fuséebiergol de 645 newtons depoussée et 317 s d’impulsion spécifique, qui consomme un mélangehypergolique d’hydrazine et deperoxyde d’azote. Ce propulseur est réservé aux principales corrections de trajectoire, et est chargé d’insérerMESSENGER en orbite autour de Mercure. Quatre propulseursmonergol de 22 N depoussée (impulsion spécifique234 secondes) consommant de l’hydrazine sont chargés d’effectuer des corrections de trajectoire demandant un delta-v modéré, et de contrôler l’orientation de la sonde lorsque le propulseur principal fonctionne. Enfin,12 propulseurs monoergol de 4 N de poussée (impulsion spécifique227 secondes) consommant de l’hydrazine sont utilisés pour désaturer lesroues de réaction chargées ducontrôle d’attitude de l'engin en phase de croisière, effectuer de petites corrections de trajectoire et contrôler l’orientation lorsque les deux autres types de propulsion sont utilisés. Tous les propulseurs utilisés sont des modèles éprouvés lors d'autres vols sur des engins spatiaux. Le système de propulsion comprend par ailleurs deux réservoirs de carburant (hydrazine) contenant au lancement 178 kg d’ergol chacun, un réservoir de comburant contenant 231,6 kg de peroxyde d’azote, un réservoir d’hydrazine auxiliaire d’une capacité de 9,34 kg, qui alimente les petits moteurs, et un réservoir contenant 3 kg d’hélium, utilisé pour mettre sous pression les ergols à fin d’injection dans leschambres de combustion des différents moteurs. L’ensemble des ergols représente une masse de 599,24 kg soit 54 % de la masse totale[jhuapl 12],[jhuapl 13].
MESSENGER eststabilisé sur trois axes, c’est-à-dire que son orientation est maintenue fixe sur ses trois axes[N 1]. Le système de contrôle de l’orientation est similaire à celui de la sondeNEAR Shoemaker. L’orientation et le déplacement de la sonde sont déterminés grâce à deuxviseurs d'étoiles, unecentrale à inertie (IMU) et six senseurs solaires. La centrale à inertie, qui détermine les accélérations linéaires sur les trois axes, ainsi que les changements de vitesse radiale, comporte troisaccéléromètres et troisgyroscopes. Ceux-ci fournissent une double redondance. Les accéléromètres ne sont activés que pour les phases propulsées. Le contrôle de l’orientation de la sonde est assuré par un des deuxviseurs d'étoiles, le deuxième étant activé en secours. Le viseur d'étoiles prend, cinq fois par seconde, une image des étoiles, pour détecter toute déviation, tandis que les gyroscopes fournissent des données 100 fois par seconde sur les changements de vitesse radiale. Les cinq senseurs solaires, dont quatre sont installés sur le pare-soleil, fonctionnent en permanence et sont utilisés en cas de désorientation importante de la sonde. Leur champ visuel cumulé assure une couverture de 99 % de l’enveloppe. Les corrections d’orientation sont effectuées grâce à quatreroues de réaction et à dix propulseurs mono-ergol de 4 newtons de poussée. Normalement, les roues de réaction, qui sont redondantes, assurent seules les corrections. Les petits moteurs-fusées sont utilisés durant les phases propulsées, pour désaturer les roues de réaction, et dans des situations d’urgence[2],[jhuapl 14].
Pour protéger la sonde des températures rencontrées au niveau de l’orbite de Mercure, celle-ci dispose d’un pare-soleil composé d’un tissu decéramiqueNextel et de plusieurs couches deKapton recouvert d’aluminium. L’orientation de la sonde est contrôlée de manière que le pare-soleil s’interpose en permanence entre l’astre et la partie centrale de la sonde. Plusieurs équipements accrochés au pare-soleil, du côté tourné vers l’astre, reçoivent des protections thermiques spécifiques : quatre senseurs solaires, une des deux antennes grand gain, une antenne faible gain. La protection passive du pare-soleil suffit à maintenir la sonde dans une plage de températures acceptable. Des systèmes de régulation thermiques actifs permettent également d’évacuer la chaleur excédentaire, produite par les différents appareillages électroniques, vers des radiateurs montés sur les flancs de la sonde, à l’abri du pare-soleil. Des résistances sont incorporées aux différents composants, pour maintenir une température minimale au cours de la première partie du voyage, lorsque la sonde est encore éloignée du Soleil, et durant les éclipses provoquées par l’interposition de Mercure. Enfin, desisolants multicouches et des joints à faible conductivité sont également utilisés pour maintenir les températures dans les limites de fonctionnement[jhuapl 10].
L’électronique du bord est concentrée dans deux boîtiers IEM (Integrated Electronics Modules) dont l’un assure la redondance de l’autre. Chaque boîtier contient 5 cartes électroniques[3],[jhuapl 15] :
Les communications vers la Terre se font enbande X. Deuxantennes réseau à commande de phase à grandgain permettent d’orienter, sans pièce mobile, un faisceau étroit de 45° de part et d’autre de sa position médiane dans le plan perpendiculaire à l’axe de la sonde. Ces antennes autorisent un grand débit, qui permet de transmettre 100 kilobits de données par seconde (liaison descendante). L’une de ces antennes est installée sur le pare-soleil, l’autre sur la face de la sonde située à l’opposé. Quatre antennes faible gain sont utilisées pour la réception de commandes envoyées depuis la Terre (liaison montante), l’envoi dedonnées sur le fonctionnement de la sonde et comme système de secours lorsque la liaison à haut débit ne fonctionne pas. Les opérateurs peuvent transmettre des commandes au rythme de 7,8 à 500 bits par seconde[jhuapl 16].
| Composant | Masse¹ (kg) | Consommation ¹ ² (W) |
|---|---|---|
| Structure | 71,2 | - |
| Câblage | 31,8 | 4,5/4,9 |
| Moteurs et réservoirs | 71,4 | 8/8 |
| Panneaux solaires | 74,4 | 31/24 |
| Contrôle orientation | 27 | 48/48 |
| Contrôle thermique | 31,8 | 105/70 |
| Calculateurs | 12,9 | 35,4/44,3 |
| Télécommunications | 25 | 76,6/76,6 |
| Masse sèche | 339 | 308,5/275,8 |
| Caméras | 7,9³ | 0/0³ |
| Spectromètre GRNS | 13,1³ | 0/28³ |
| Spectromètre X | 3,4³ | 0/6,8³ |
| Magnétomètre | 4,4³ | 0/4,4³ |
| Altimètre laser | 7,4³ | 0/25³ |
| Spectromètre MASCS | 3,1³ | 0/6,7³ |
| Spectromètre EPPS | 3,1³ | 0/8,8³ |
| Électronique et câblage | 4,6³ | 0/16,3³ |
| Masse charge utile | 47 | 0/96 |
| Hélium et ergols | 607,8 | |
| ¹Chiffres de 2001 à la conception. ²Consommation en croisière et en orbite autour de Mercure. ³Valeur effective au lancement. | ||
La sondeMESSENGER embarque sept instruments scientifiques auquel s’ajoute le système de télécommunications qui est utilisé pour les mesures du champ de gravité.
Les deux caméras MDIS (Mercury Dual Imaging System) sont montées sur un support unique qui peut pivoter pour élargir le champ de visée. La caméragrand angle WAC (Wide Angle Camera) permet de photographier une zone de 10,5° sur 10,5° en couleurs ou en noir et blanc en utilisant11 filtres différents. Lespectre lumineux couvert va du visible au procheinfrarouge (395 à 1 440 nm). La deuxième caméra NAC (Narrow Angle Camera) est munie d’un téléobjectif permettant d’obtenir des photos en noir et blanc en haute résolution. Ces photos prises, couvrant un champ de 1,5° × 1,5°, doivent permettre d'observer des détails de surface avec une précision nominale de 18 mètres par pixel[jhuapl 17].
L’instrument GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer) combine unspectromètre àrayons gamma et un spectromètre àneutrons qui fournissent des données permettant de déterminer la composition de la surface de Mercure. Le spectromètre gamma GRS (Gamma-Ray Spectrometer) mesure lerayonnement gamma émis par lesnoyaux des atomes de la surface de Mercure lorsqu’ils sont frappés par desrayons cosmiques. Chaque élément atomique a sa propre signature, et le GRS devrait permettre de fournir des informations sur des éléments géologiquement importants, comme l’hydrogène, lemagnésium, lesilicium, l’oxygène, lefer, letitane, lesodium et lecalcium. Il pourrait également détecter des éléments naturellementradioactifs, tels que lepotassium 40, lethorium et l’uranium. Le spectromètre à neutrons NS (Neutron Spectrometer) détecte lesneutrons rapides et thermiques (lents) émis par la surface de Mercure frappée par les rayons cosmiques. Les neutrons thermiques sont produits par la rencontre d’un neutron rapide avec un atome d’hydrogène. Le ratio entre le nombre de neutrons thermiques et celui de neutrons rapides permet d’estimer la quantité d’hydrogène, éventuellement piégée dans des molécules d’eau, ainsi que d’autres éléments[jhuapl 18].
Le spectromètre àrayons X XRS (X-Ray Spectrometer) doit analyser la composition de la surface de Mercure sur le premier millimètre d’épaisseur, en utilisant 3 détecteurs à gaz MXU (Mercury X-Ray) pointés vers la surface et undétecteur à semiconducteur SAX (Solar Assembly for X-rays) pointé vers le Soleil. Les détecteurs à gaz mesurent lafluorescence X émise par la surface bombardée par lerayonnement X émis par le Soleil, qui est lui-même mesuré par le détecteur SAX. Le spectromètre permet de mesurer les émissions dans la gamme 1 à10 keV, qui doivent permettre de détecter en particulier le magnésium, l’aluminium, le silicium, le soufre, le calcium, le titane et le fer. Le détecteur SAX est monté sur le pare-soleil[jhuapl 19].
Lemagnétomètre MAG doit effectuer des mesures tridimensionnelles du champ magnétique autour de Mercure, permettant d’en préciser la force et les variations en fonction de l’altitude et de la position au-dessus de la planète. Les données recueillies jouent un rôle essentiel pour déterminer la source de ce champ magnétique. Le senseur est monté au bout d’un mât de 3,5 mètres pour le maintenir à l’écart du champ magnétique généré par la sonde. Un petit pare-soleil le protège lorsque la sonde doit s’incliner pour mettre en œuvre les autres instruments scientifiques, ce qui expose le senseur au Soleil. Les mesures sont prises à un intervalle compris entre 50 millisecondes (aux limites de la magnétosphère)[5].
L’altimètre laser MLA (Mercury Laser Altimeter) comporte un émetteurlaser infrarouge (1 064 nm) qui émet 8 impulsions par seconde, et des récepteurs qui permettent de mesurer le temps mis par l’impulsion laser pour faire le trajet aller-retour entre l’instrument et la surface de la planète. Lorsque la sonde se situe à une altitude de 1 500 km, la distance est mesurée avec une précision de 30 centimètres. L’instrument est utilisé pour effectuer un relevé précis des reliefs de Mercure, mais également pour mesurer lalibration de la planète, ce qui doit contribuer à mieux connaitre la composition dunoyau. Combiné avec les mesuresDoppler effectuées à l’aide du système radio, les mesures de l’altimètre doivent également permettre d’établir une carte duchamp de gravité de Mercure[jhuapl 20].
L’instrument MACS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) combine un spectromètre ultraviolet et un spectrographe infrarouge. Le spectromètre ultraviolet et visible UVVS (Ultraviolet and Visible Spectrometer) doit déterminer la composition et la structure de l’exosphère (c’est-à-dire l’atmosphère de faible densité) qui entoure la planète, et étudier les émissions degaz neutres. Il doit également rechercher et mesurer les ions atmosphériques. Les données collectées doivent permettre de déterminer les processus qui génèrent et renouvellent l’atmosphère, ainsi que la relation entre la composition de l’atmosphère, celle de la surface, la dynamique des matériaux volatils sur Mercure et près de Mercure, et la nature des matériaux réfléchissants situés aux pôles. La résolution spatiale de l’instrument est de 25 km. Le spectrographe fonctionnant dans le visible et l’infrarouge, VIRS (Visible and Infrared Spectrograph), doit permettre de mesurer l’abondance de minéraux, tels que lefer et lessilicates comprenant dutitane situés en surface, tels que lepyroxène, l’olivine et l’ilménite. La meilleure résolution du senseur est de 3 km à la surface de Mercure[jhuapl 21].
L’instrument EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer) est composé de deux instruments chargés de mesurer les caractéristiques et la composition des particules chargées dans la magnétosphère et sur son pourtour. Le spectromètre à particules énergétiques EPS (Energetic Particle Spectrometer), situé sur la partie supérieure de la plate-forme, doit étudier les ions et les électrons accélérés dans la magnétosphère. L’instrument mesure le spectre énergétique et l’angle d’incidence des particules sur un champ observable de 160° × 12°. L’instrument FIPS (Fast Imaging Plasma Spectrometer), monté sur le côté de la plate-forme, permet d’étudier les ions à faible énergie venant de la surface de Mercure et de son atmosphère, les atomes ionisés arrachés par le vent solaire et les autres composants du vent solaire[jhuapl 22].
Le système de télécommunications n’est pas un équipement scientifique à proprement parler, mais les émissions radio sont utilisées pour mesurer avec précision, pareffet Doppler, la vitesse et la distance entre MESSENGER et la Terre. Les changements constatés dans la trajectoire de la sonde en orbite, dus aux variations de densité de l’intérieur de la planète, combinés avec les mesures de l’altimètre laser, permettent de déterminer la taille et les caractéristiques du noyau de Mercure[jhuapl 23].
La sonde est lancée le à6 h 16UTC par unefuséeBoeingDeltaII de la base deCap Canaveral, enFloride, après un ultime retard de 24 heures provoqué par unetempête tropicale. Conséquence du changement de fenêtre de lancement intervenu à la suite des retards accumulés durant le développement, la sonde doit entamer son périple par une première boucle autour du Soleil, au niveau de l’orbite de la Terre, alors que selon les plans initiaux, elle devait plonger en direction du Soleil. Or, la sonde est, du point de vue thermique, optimisée pour des conditions de température élevée, et les panneaux solaires, à la surface réduite, peuvent tout juste, à cette distance, fournir le minimum requis pour maintenir la sonde en état de fonctionnement, en particulier faire fonctionner les radiateurs chargés de maintenir les équipements à une température minimale. Pour faire face à cette situation, l’orientation de la sonde est inversée, c’est-à-dire que le pare-soleil est tourné dans la direction opposée au Soleil, pour permettre à celui-ci de réchauffer les composants. Durant les 2 ans qui vont suivre, cette orientation est adoptée à plusieurs reprises, avant d’être abandonnée en, lorsque la sonde s’est suffisamment approchée du Soleil. Une première correction de trajectoire (Trajectory Correction Maneuvers, TCM) est effectuée[jhuapl 12],[2],[jhuapl 24].
La sonde MESSENGER survole laTerre le, à 2 347 kilomètres d’altitude. L’assistance gravitationnelle fournie par la planète permet à la sonde de plonger vers l’intérieur du système solaire. Le vaisseau prend à cette occasion plusieurs photos de la planète en s’en éloignant (voir galerie ci-dessous)[jhuapl 25].
Il s’écoule 14 mois entre le survol de la Terre et le premier passage près de Vénus. Durant ce trajet, cinq corrections de trajectoire sont effectuées, dont l’une utilise pour la première fois le propulseur principalDSM 1 (Deep SpaceManeuver 1)[jhuapl 12].Vénus est atteinte le, et la sonde la survole à 2 987 km. Cette manœuvre s’effectue dans des conditions complexes : uneconjonction du Soleil de 30 jours (le Soleil s’interpose entre la sonde et la Terre) a débuté, rendant les communications difficiles, et une éclipse du Soleil de 56 minutes débute peu avant le survol. Dans ces conditions, les responsables de la mission renoncent à toute collecte de données scientifiques à l’occasion du survol[jhuapl 26].
Durant son périple en vue de son deuxième survol de Vénus, la sonde effectue 3 corrections de trajectoire, dont l’une recourt brièvement au propulseur principal[jhuapl 12]. Le deuxième survol est effectué avec une grande précision, à une altitude de 337 km. Tous les instruments scientifiques sont testés avec succès à l’occasion de ce survol, et notamment 614 photos de Vénus sont prises. L'assistance gravitationnelle reçue de la planète lors du passage à proximité de celle-ci est la plus importante de toute la mission[jhuapl 27].
Sur son trajet en direction de Mercure, la sonde effectue une seule correction importante avec la propulsion principale (DSM-2). La sonde connait une nouvelle conjonction solaire, d’une durée particulièrement longue, entre le et le, qui prive pratiquement de communication l’équipe à terre.
Lors de son premier survol de Mercure, à seulement 200 km de sa surface, le, la moitié de l'hémisphère qui n'avait pu être photographiée il y a30 ans parMariner 10, est cette fois visible. Les caméras MDIS sont braquées sur la planète alors que celle-ci défile à quelques milliers de kilomètres de la sondeMESSENGER, et 1 200 photos sont prises, dont certaines de la partie inconnue de la planète. De nouveaux cratères sont identifiés en grand nombre ; les données recueillies confirment les spécificités de Mercure. Tous les instruments scientifiques ont été mis en marche et ont parfaitement fonctionné[jhuapl 28],[jhuapl 29],[jhuapl 30].
Lors de son deuxième survol de Mercure, toujours à 200 km de sa surface, le, la sonde prend plus de 1 200 clichés[6] haute résolution de la face inconnue de la planète, couvrant ainsi 30 % de sa surface[6],[jhuapl 31]. Après le troisième et dernier survol de Mercure, qui se déroule le, seule 2 % de la surface de la planète, au niveau des pôles, reste à photographier[jhuapl 32].
Lors de son quatrième passage près de Mercure, le,MESSENGER a suffisamment réduit sa vitesse et modifié les caractéristiques de sa trajectoire pour pouvoir se placer en orbite autour de la planète avec la quantité de carburant dont elle dispose[jhuapl 33]. La sonde aura alors parcouru 7,9 milliards de kilomètres depuis son lancement. Pour réussir cette manœuvre d’insertion cruciale (Mercury orbit insertion, MOI), la sonde arrive selon une trajectoire rasant le pôle nord et, peu après avoir survolé celui-ci, réduit sa vitesse de0,86 km/s. Elle utilise à cette fin sa propulsion principale durant 15 minutes en consommant environ 31 % de la masse des ergols dont elle disposait au départ de la Terre. Trois jours après son arrivée, des petites corrections sont apportées pour parfaire l’orbite[N 2],[jhuapl 34],[jhuapl 35]. Avant d’entamer la phase de recueil de données scientifiques, le fonctionnement de la sonde et de ses instruments dans l’environnement thermique très dur de l’orbite est vérifié durant plusieurs semaines. Les instruments scientifiques sont mis en marche le et les premières données scientifiques sont collectées à partir du[jhuapl 36].
La sonde se trouve sur uneorbite polaire d’inclinaison 82,5° très elliptique (200 × 15 193 km), qu’elle parcourt en 12 heures. Sur cette trajectoire, la sonde survole au plus près Mercure au niveau des 60° de latitude nord. Cette orbite permet les meilleures observations au niveau de l’hémisphère nord, où se situe leBassin Caloris, le cratère le plus vaste et la formation la plus intéressante de la planète. Une orbite très elliptique a été préférée à une orbite circulaire, car la sonde, lorsqu’elle survole à 200 km Mercure, est soumise à la chaleur que la planète réfléchit (celle-ci est quatre fois plus importante que celle réfléchie lors d’un survol de la Terre à la même altitude) : en se tenant écartée de Mercure sur une partie de son orbite, la sonde parvient à maintenir sa température dans une fourchette acceptable[nasa 4]. Au fur et à mesure de l’avancement de la mission, l’attraction gravitationnelle du Soleil déforme l’orbite, en augmentant l’altitude et la latitude au périgée, ainsi que l’inclinaison. Pour compenser ces modifications, il est prévu que chaque année mercurienne (tous les 88 jours terrestres), deux manœuvres destinées à rétablir l’orbite d’origine soient effectuées à des dates qui permettent une exposition réduite du corps de la sonde au Soleil ; en effet, l’utilisation de la propulsion implique de modifier l’orientation de la sonde qui n’est alors plus protégée par le pare-soleil. La première de ces corrections est effectuée au périgée et accélère la sonde pour ramener sa période orbitale à 12 heures 15 minutes tandis que la deuxième manœuvre, exécutée à l’apogée, ralentitMESSENGER pour ramener la période orbitale à 12 heures et l’altitude minimale à 200 km[jhuapl 34].
Mercure effectue une rotation sur elle-même (jour sidéral) en 58,7 jours terrestres. Par ailleurs, en raison de la proximité du Soleil, Mercure décrit une orbite autour de celui-ci en seulement 88 jours terrestres. Il en résulte qu’unjour solaire, c’est-à-dire la durée entre deux retours successifs du Soleil au méridien local, dure 176 jours terrestres. Au cours de la durée nominale de la mission (une année terrestre),MESSENGER, qui circule sur un plan orbital fixe dans un repère inertiel, et donc en rotation par rapport à la direction du Soleil, va voir défiler seulement deux fois le même terrain sous ses instruments. La première de ces « journées mercuriennes » est consacrée à une cartographie de l’ensemble de Mercure, tandis que la deuxième journée sera dédiée à des observations plus ciblées[nasa 2],[jhuapl 37].
Pour chaque orbite de 12 heures, la sonde consacre 4 heures au recueil de données scientifiques puis, après avoir modifié son orientation pour pointer son antenne vers la Terre, transmet durant 8 heures les données collectées vers les stations terrestres. La séquence des opérations à exécuter par les instruments scientifiques, qui comprend des dizaines de milliers de commandes, est transmise une fois par semaine à la sonde depuis la Terre, après avoir été testée et validée. En cas d’anomalie de fonctionnement d’un instrument ou si le réseau d’antennes sur Terre a perdu une partie des données transmises par la sonde, des modifications dans le déroulement des opérations peuvent être apportées très rapidement[nasa 5].
En, la NASA annonce que la mission d'étude de Mercure, dont la durée initiale était d'un an, est prolongée d'une nouvelle année, jusqu'en. Durant cette deuxième phase de la mission, la sonde passe plus de temps à faible distance de la planète pour permettre de poursuivre des objectifs scientifiques élargis et d'effectuer des observations plus ciblées. Cette phase est utilisée pour étudier les réactions de l'environnement de Mercure à l'accroissement de l'activité solaire en cours. Six nouveaux objectifs découlant des observations effectuées depuis queMESSENGER s'est placée en orbite autour de la planète[jhuapl 38], sont identifiés :
Le changement d'orbite intervient entre le 16 et. Seul l'apogée (le point le plus éloigné de l'orbite) est modifié : il est ramené de 14 700 km à 10 300 km, ce qui permet à la sonde de boucler trois orbites par jour au lieu de deux. Ce changement permet aux scientifiques de bénéficier d'un accroissement de 50 % des données collectées par les instruments (ceux-ci ne fonctionnent que lorsque la sonde est proche de Mercure). La nouvelle orbite permet d'accroitre la qualité des données fournies pour les latitudes septentrionales par les spectromètres chargés d'analyser la surface de Mercure, de multiplier les mesures d'altitude effectuées par l'altimètre laser dans ces régions et de réaliser des images de l'hémisphère sud monochromes et multispectrales, avec unerésolution accrue. Sur sa nouvelle orbite, la sonde dispose de moins de temps pour évacuer la chaleur reçue lors de son passage à faible distance de Mercure, mais les calculs et l'expérience acquise ont démontré que l'impact se limitait à une augmentation de5 °C de quelques équipements, qui restaient dans la limite de leurs conditions de fonctionnement[jhuapl 39].
En, une deuxième extension de mission est décidée, qui doit notamment répondre aux questions suivantes[jhuapl 40]:
En, la trajectoire des comètes2P/Encke etISON les fait passer à portée de la sonde spatiale, ce qui permet aux instruments de celle-ci de réaliser des observations de qualité[jhuapl 41]. En, MESSENGER transmet sa 200 000e photo, alors que l'objectif fixé était la réalisation de 2 000 photos[jhuapl 42]. Lors de la discussion du budget de la NASA qui a lieu début 2014, l'extension de la mission jusqu'à épuisement du carburant en est remise en cause par les réductions budgétaires proposées par la NASA. Finalement, une ligne budgétaire plus importante que prévu pour les sciences planétaires permet de mener la mission de MESSENGER jusqu'à son terme.
Du fait des modifications apportées à l'orbite, celle-ci s'abaisse selon un rythme beaucoup plus rapide à partir de. La latitude du périgée glisse progressivement de 85 à environ 60°. La dernière extension de mission prévoit d'exploiter l'abaissement du périgée pour réaliser des mesures très précises et très fines, notamment du champ magnétique résiduel. La sonde pourra également réaliser des images à très haute résolution, puisque l'altitude atteindra à certains moments 25 km. Il est prévu que les moteurs-fusées de la sonde spatiale soient utilisées à quatre reprises pour relever le périgée et éviter à la sonde spatiale de percuter un relief de Mercure (manœuvres notées OCM-9 à OCM-12 sur le schéma ci-dessous). La sonde spatiale, après épuisement de son carburant, devrait s'écraser sur le sol de Mercure entre mars et avril 2015[jhuapl 43],[jhuapl 44],[7].
Le, les moteurs de la sonde spatiale sont mis à feu pour modifier l'orbite, de manière que le point le plus bas prenne une valeur comprise entre 25,4 et 184,4 km. Le, une nouvelle manœuvre est effectuée avec un delta-v de9,67 m/s pour relever le périgée de l'orbite de25,7 à 105,1 km[jhuapl 45]. La campagne d'observation à basse altitude permise par cette orbite basse permet de déterminer que le refroidissement de Mercure se poursuit actuellement, car certains escarpements générés par ce processus remontent à moins de50 millions d'années. Des images prises à faible distance des dépôts de glace observés aux pôles dans les zones des cratères plongées en permanence dans l'ombre montrent que certains dépôts sont récents, sans que le processus impliqué puisse être identifié[jhuapl 46]. Alors que les réserves d'ergols s'épuisent, les responsables de la mission décident de réaliser une série de manœuvres plus risquées mais moins coûteuses en carburant. La première des cinq manœuvres est réalisée le et permet de relever à 35,4 km le périgée, qui était tombé à 11,6 km. La deuxième manœuvre a lieu le[jhuapl 47].MESSENGER s'estécrasé sur lesol deMercure après avoir épuisé ses ergols le à19 h 26, en creusant selon les calculs un cratère d'impact de 16 mètres de diamètre au nord du cratèreShakespeare[jhuapl 48],[nasa 6].
Les données collectées par le spectromètre à neutrons lors du survol de Vénus ont été utilisées en 2020 pour calculer la demi-vie dedésintégration du neutron libre[8]. La valeur obtenue, bien que sujette à une incertitude nettement plus élevée que d'autres méthodes de mesures, est considérée par ses auteurs comme une preuve de l'intérêt d'effectuer une nouvelle fois l'expérience avec un instrument en orbite et non en simple survol[8].
Les trois survols de Mercure effectués en 2008 et 2009 ont déjà permis, malgré la brièveté du temps d’observation, de collecter de nombreuses données exploitables sur le plan scientifique. La couverture photographique de la planète, qui était de 45 % avant le lancement deMESSENGER, atteint 98 % après les trois survols. Deux zones situées au niveau de chaque pôle restent à photographier. Toutefois, parmi les prises de vue effectuées durant les survols, certaines ont été réalisées dans des conditions d’éclairage qui ne sont pas idéales pour mettre en évidence la topographie. Les photos prises ont fourni des aperçus des formations les plus remarquables de Mercure, comme les escarpements, hauts parfois de plusieurs kilomètres qui s’allongent sur des centaines de kilomètres, et les bassins d’impact entourés d’anneaux concentriques. Contrairement à la Lune et à Mars, le relief des grandes régions de Mercure ne présente pas de dissymétrie particulière. L’analyse de l’exosphère de Mercure au cours des trois survols successifs a permis de constater que ses caractéristiques variaient fortement en fonction de la pression solaire, ces variations étant elles-mêmes induites par l’orbite à forte excentricité de Mercure. Le troisième survol a confirmé l’abondance particulière dutitane et dufer à la surface de la planète, en contradiction avec les prévisions des scientifiques. La sonde a pu mesurer que lechamp magnétique est de type dipolaire et est parfaitement aligné avec l’axe de rotation de la planète, ce qui constitue un élément important dans la détermination de l’origine du magnétisme de Mercure[jhuapl 49],[jhuapl 50].
Fin 2011, alors que les trois quarts de la durée de la mission primaire sont écoulés, la sonde MESSENGER, qui fonctionne jusque-là sans incident notable, a fourni de nouveaux éclairages sur Mercure dans plusieurs domaines :
D'autres résultats ont été produits durant les extensions de la mission :
Au cours de sa mission,MESSENGER a effectué 4 104 fois le tour de Mercure, et pris plus de 270 000 photos[14].
La caméra grand angle WAC deMESSENGER a réalisé, entre le 3 et le, 34 photos, qui ont permis par photomontage, d'obtenir un portrait de l'ensemble dusystème solaire, symétrique decelui réalisé parVoyager 1 le. Seules les planètesUranus etNeptune n'y figurent pas car, situées entre 3 et 4,4 milliards de kilomètres, elles ne peuvent être discernées à cette distance[jhuapl 53].
La missionBepiColombo développée conjointement par l'Agence spatiale européenne et l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) doit prendre la suite de l'étude de Mercure. Cette mission lourde (coût global équivalent à environ2 milliards de dollars soit quatres fois celui deMESSENGER) a été lancée le et se placera en orbite autour de Mercure en. Elle comprend deux orbiteurs :
Un troisième module, leMercury Transfer Module, ouMTM, dont la maîtrise d'œuvre est confiée à l'ESA, prend en charge la propulsion des modules MPO et MMO jusqu'à l'orbite de Mercure. Pour parvenir jusqu'à cette planète, BepiColombo a néanmoins recours à neuf reprises à l'assistance gravitationnelle des planètes intérieures. La mission primaire qui doit durer un an pourra être prolongée de manière optionnelle d'une année supplémentaire.
Cette mission devrait apporter de nombreuses informations complémentaires car elle emporte une gamme d'instruments plus performants et beaucoup plus étendue que MESSENGER. Les orbites retenues pour les deux orbiteurs sont par ailleurs optimisés pour répondre aux besoins tout en étant dans le même plan orbital ce qui facilite le recoupement entre les données collectées[15].
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