« Perseverance » redirige ici. Pour les autres significations, voirPersévérance.
Cet article concerne le contexte, les objectifs et les caractéristiques techniques de la missionMars 2020 et de son astromobilePerseverance. Pour le déroulement de la mission de l'astromobile sur Mars, voirExploration de Mars par Perseverance. Pour les détails techniques du drone hélicoptèreIngenuity, voirIngenuity (hélicoptère).
| Organisation |  NASA |
|---|---|
| Constructeur | Jet Propulsion Laboratory |
| Domaine | Collecte d'échantillons du sol martien |
| Type demission | Astromobile |
| Statut | Mission en cours |
| Lancement | |
| Lanceur | Atlas V 541 |
| Durée de vie | 24 mois (mission primaire) |
| Site | Site JPL |
| Masse au lancement | ~3 650 kg dont 1 025 kg pour l'astromobile (Perseverance) |
|---|---|
| Source d'énergie | Étage de croisière :panneaux solaires Astromobile :MMRTG |
| Puissance électrique | Étage de croisière : 1080-2500 Watts Astromobile : 100 Watts |
| Atterrissage | à 20 h 44TU |
|---|---|
| Localisation | Cratère Jezero |
| MastCam-Z | Caméras |
|---|---|
| SuperCam | Plusieursspectromètres associés à unlaser et une caméra + un microphone |
| RIMFAX | Radar |
| PIXL | Spectromètre de fluorescence à rayons X 2D / microscope |
| SHERLOC | Spectromètre Raman 2D / microscope |
| MEDA | Station météorologique |
| MOXIE | Démonstrateur technologiqueISRU |
| MHS (Ingenuity) | Hélicoptère de reconnaissance |
Mars 2020 est une mission spatiale qui consiste à déployer l'astromobile (rover en anglais)Perseverance sur lesol martien pour étudier sa surface et collecter des échantillons du sol. Cette mission d'exploration de la planète Mars est développée par leJPL, établissement de laNASA, l'agence spatialeaméricaine. Elle constitue la première d'une série de trois missions dont l'objectif final est derapporter ces échantillons sur Terre pour permettre leur analyse.
Les missions martiennes précédentes de la NASA ayant confirmé que l'eau liquide a coulé à la surface de la planète par le passé, les scientifiques en ont déduit que desorganismes vivants ont pu se développer à cette époque. L'astromobilePerseverance doit rechercher des terrains ayant pu préserver des indices de cette vie passée. Le retour de ces échantillons sur Terre, une entreprise complexe, risquée et coûteuse, est considéré comme un projet prioritaire par lacommunauté scientifique.
Pour remplir ses objectifs, l'astromobile doit prélever une quarantaine decarottes de sol et de roches sur des sites sélectionnés à l'aide de ses instruments embarqués. Le résultat de ces prélèvements doit être déposé par l'astromobile sur des emplacements soigneusement repérés avant d'être ramenés sur Terre par une future mission étudiée conjointement par la NASA et l'Agence spatiale européenne. Selon le planning élaboré par les deux agences, le retour sur Terre est prévu pour 2031 sous réserve de son financement. Le but est de pouvoir effectuer sur Terre une analyse fine des échantillons du sol martien, notamment d'identifier d'éventuellesformes de vie anciennes. En effet, les capacités des instruments terrestres, contrairement à ceux embarqués sur les engins spatiaux, ne sont pas limitées par lescontraintes de masse.
Lasonde spatialeMars 2020 et l'astromobilePerseverance reprennent l'architecture deMars Science Laboratory et de son astromobileCuriosity qui explore depuis la surface de Mars.Perseverance est un engin de plus d'une tonne qui dispose d'une palette d'instruments scientifiques (caméras,spectromètres de différents types) qui sont utilisés pour identifier les sites les plus intéressants, fournir le contexte du prélèvement effectué (caractéristiques géologiques, conditions climatiques à la formation) et effectuer une première analyse chimique : ce sont lespectromètre de fluorescence des rayons X PIXL, lespectromètre Raman SHERLOC, lespectromètre imageurSuperCam et la caméra Mastcam-Z. L'astromobile emporte également unestation météorologique (MEDA) et unradar destiné à sonder les couches superficielles dusol martien (RIMFAX). Deux expériences doivent tester sur le terrain des technologies avant leur mise en œuvre de manière opérationnelle dans de prochaines missions :MOXIE produit de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne (ISRU) etMHS (Ingenuity), un petithélicoptère de moins de deux kilogrammes, teste les capacités d'un engin aérien dans l'atmosphère très ténue de Mars.
Mars 2020 décolle le en profitant de lafenêtre de lancement vers Mars qui s'ouvre tous les 24 à28 mois. L'astromobile atterrit le dans le cratèreJezero. Ce site, emplacement d'un ancien lac permanent qui conserve les traces de plusieursdeltas de rivière, a été retenu parce qu'il a pu constituer un lieu favorable à l'apparition de la vie et parce qu'il présente une grandediversité géologique. Le coût de la missionMars 2020 est estimé à2,5 milliards dedollars en incluant lelancement et la conduite des opérations durant la mission primaire, qui doit durer deux années terrestres.
Lasonde spatialeMars 2020 développée par laNASA et transportant l'astromobile martienPerserverance est lancée le par unefuséeAtlas V. Après une longue phase de transit, elle pénètre dans l'atmosphère martienne à grande vitesse le. Grâce à des techniques mises en œuvre pour la première fois, elle effectue un atterrissage de grande précision sur le terrain accidenté du cratèreJezero. Après une phase de recette au sol des équipements et des instruments scientifiques ainsi qu'une phase d'expérimentation du petit hélicoptère embarquéIngenuity, l'astromobile se déplacera vers les sites sélectionnés par l'équipe scientifique. Durant sa mission primaire d'une durée de18 mois, qui devrait être prolongée, il recueillera plusieurscarottes de sol sur différents sites choisis pour leurs caractéristiques géologiques.
Les spécialistes de lamécanique spatiale de la NASA ont fixé les bornes de lafenêtre de lancement deMars 2020 vers la planète Mars : celle-ci dépend de la position respective de cette planète par rapport à la Terre. La sonde spatiale doit être lancée entre le et le. Avant et après cette période, lelanceur n'a plus une puissance suffisante permettant à la sonde spatiale d'atteindre Mars. La fenêtre s'ouvre chaque jour à une heure différente durant 30 à120 minutes. Durant cette période le lancement peut avoir lieu une fois toutes les cinq minutes. À la suite de plusieurs problèmes rencontrés courant juin lors de la mise en place et des tests du lanceurAtlas V (notamment une anomalie sur un capteur du circuit d'alimentation en ergols), la première tentative de lancement est décalée au tandis que les ingénieurs de la NASA repoussent la fermeture de la fenêtre de lancement[Note 1] fixée initialement au 11 août jusqu'au 15 août[1],[2].
La sonde spatiale décolle le à11 h 50UTC depuis lecomplexe de lancement 41 de labase de Cap Canaveral[3]. Elle est placée en orbite par un lanceur Atlas V 541, une des versions les plus puissantes de cette fusée, qui a déjà été mis en œuvre pour la sonde spatiale jumelleMars Science Laboratory[4],[5]. 50 à60 minutes après le décollage, la sonde spatiale se sépare du deuxième étageCentaur alors que sa vitesse d'évasion du champ gravitationnel terrestre a atteint3,8 km/s[6]. Sur sa route vers Mars, la Terre interpose son ombre entre la sonde spatiale et le Soleil. La température d'un des équipements de la sonde spatiale (le circuit de refroidissement aufréon du système de production d'énergie), qui n'est plus réchauffé par le Soleil, tombe temporairement sous la valeur minimale qui a été fixée de manière empirique[Note 2]. Comme dans toutes les situations anormales, la sonde spatiale passe automatiquement enMode survie et réduit son activité en attendant des instructions du sol. La situation est rapidement rétablie etMars 2020 entame son transit vers Mars[7].
Après sa séparation avec son lanceur, la sonde spatiale entame une phase de croisière, d'une durée d'environ sept mois[Note 3] durant laquelle elle se rapproche de Mars uniquement grâce à sa vitesse acquise. Au lancement, Mars est distante d'environ105 millions de kilomètres, mais la sonde spatiale va parcourir472 millions de kilomètres car sa trajectoire, contrainte par la mécanique spatiale, doit décrire une orbite partielle autour du Soleil. Durant son transit vers Mars le rôle actif est joué par l'étage de croisière de la sonde spatiale[8] :
L'atterrissage sur Mars se décompose en cinq phases :
L'objectif de la phase d'approche est que la sonde spatiale arrive au point d'entrée prévu dans l'atmosphère martienne à l'heure prévue. À cet effet une dernière correction de trajectoire (TCM-6) est effectuée, si nécessaire, neuf heures avant larentrée atmosphérique[10] après analyse de la position et du vecteur vitesse de la sonde. L'erreur de positionnement à l'entrée dans l'atmosphère doit être inférieure à 2 km et la vitesse doit différer de moins de1,5 m/s de celle prévue. Dix minutes avant de pénétrer dans l'atmosphère martienne, la sonde spatiale largue l'étage de croisière devenu désormais inutile. La rotation de la sonde spatiale est annulée. Cinq minutes avant la rentrée atmosphérique deuxlests de 75 kg sont éjectés pour déplacer lebarycentre jusque-là situé dans l'axe de la sonde : le déséquilibre ainsi engendré permet par la suite de maintenir unangle d'attaque non nul engendrant lui -même uneportance. L'atmosphère martienne beaucoup moins dense que la Terre freine de manière moins efficace la sonde spatiale. La portance va permettre de prolonger la descente[Note 4] et ainsi accroître le temps dont la sonde spatiale dispose pour réduire sa vitesse avant d'arriver au sol.Mars 2020 pénètre dans l'atmosphère à une vitesse de12 000 km/h. Au cours des huit minutes suivantes,Mars 2020 doit annuler cette vitesse et réussir un atterrissage de grande précision.
Durant la rentrée atmosphérique pilotée, lefreinage atmosphérique réduit fortement la vitesse de la sonde spatiale. L'astromobile est encapsulée entre deuxboucliers thermiques jointifs qui le protègent de la chaleur : la température du bouclier avant atteint un pic de1 450 °C mais le corps de la sonde spatiale reste à une température normale. Durant cette phase,Mars 2020 adapte en permanence son angle d'attaque à l'aide de quatre petitsmoteurs-fusées, situés sur le bouclier thermique arrière, et émettant des jets de gaz. Grâce à la poussée de ces moteurs, la trajectoire de la sonde spatiale décrit des S en jouant sur l'inclinaison latérale, ce qui lui permet de prolonger la phase de descente. D'autre part, ces moteurs-fusées sont utilisés pour corriger les écarts par rapport à la trajectoire prévue en jouant sur l'angle d'attaque. Celui-ci, maintenu normalement à 18°, est ajusté pour compenser les écarts engendrés par les perturbations atmosphériques et le comportement aérodynamique du véhicule de rentrée. Lorsque la vitesse de l'engin est tombée en dessous de 900 mètres par seconde, l'angle d'attaque est réduit à 0 par éjection de six lests de 25 kg qui replacent le barycentre dans l'axe de la sonde. L'objectif est de limiter les oscillations créées par le déploiement du parachute. La sortie de celui-ci est déclenchée lorsque la vitesse est tombée sous les 450 mètres par seconde (presqueMach 2).
Le parachute d'un diamètre de 21,5 m est, à un facteur d'échelle près, un héritage du parachute développé pour leprogrammeViking. Ses caractéristiques générales sont proches de celui deMars Science Laboratory mais il a été renforcé carMars 2020 est plus lourd. Durant sa descente sous parachute qui dure entre 50 et90 secondes, la vitesse deMars 2020 est ramenée à100 m/s (360 km/h) et environ 95 % de l'énergie cinétique qui subsistait avant son ouverture a été dissipée. Le bouclier thermique avant est éjecté dès que la vitesse tombe en dessous deMach 0,8[Note 5], ce qui dégage l'antenne du radar Doppler de l'étage de descente qui peut alors fournir une première estimation de l'altitude et de la vitesse en utilisant les réflexions de ses émissions sur lesol martien. Durant cette phase, la sonde doit limiter la rotation de la capsule sous le parachute, un phénomène difficile à modéliser et dangereux qui découle des oscillations à vitesse supersonique ; les moteurs de contrôle d'orientation du bouclier arrière sont utilisés pour contrecarrer ces mouvements.
La sonde spatialeMars 2020 met en œuvre deux nouvelles techniques qui permettent d'effectuer un atterrissage avec une précision accrue en réduisant de 50 % la taille de l'ellipse dans laquelle l'engin devrait se poser. Cette précision permet de rendre accessible une série de sites intéressant les spécialistes de Mars mais handicapés par un relief plus accidenté (rochers et autres obstacles). Elle permet également de réduire la distance à parcourir par l'astromobile pour atteindre les portions de terrain présentant un intérêt scientifique. La première innovation porte sur les modalités d'ouverture du parachute. Celui-ci n'est plus ouvert seulement lorsque la vitesse a été ramenée en dessous d'un certain seuil, mais cette opération est réalisée en tenant également compte de l'écart de la sonde spatiale par rapport à la trajectoire prévue. Cette trajectoire est calculée à partir de relevés radio effectués juste avant l'entrée dans l'atmosphère martienne, qui permettent de déterminer l'écart avec une précision de 1 à 2 km. Cette connaissance de la trajectoire passe à 2–3 km au cours de la première phase de la descente. Si la trajectoire suivie jusque-là aboutit à dépasser le point d'atterrissage visé, le parachute est ouvert plus tôt ; dans le cas contraire, il est ouvert plus tard. La deuxième nouveauté repose sur l'analyse des photos du terrain situé sous l'engin spatial qui sont prises dès que le bouclier thermique avant est largué et alors queMars 2020 se situe à une altitude de 4,2 km. Ces images, dont larésolution spatiale atteint six mètres, sont comparées à des photos de la même zone prises auparavant par les satellites en orbite autour de Mars et stockées dans la mémoire de la sonde spatiale. Lorsque le logiciel de reconnaissance optique a identifié sur ces photos quinze points remarquables (cratères, falaises ou rochers de grande taille), il considère que la position de la sonde spatiale est connue avec précision. Il décide alors dans quelle mesure, durant la phase finale propulsée, les moteurs-fusées doivent être utilisés pour modifier le site d'atterrissage. Toutes ces opérations se déroulent en 10 s alors que l'engin spatial continue à descendre sous son parachute. Ce système de vision intelligente permet de faire passer la probabilité d'un atterrissage réussi de 85 à 99 %[11].
La descente retro-propulsée a deux objectifs : amener la sonde jusqu'à l'altitude de 18,6 m avec une vitesse verticale résiduelle de0,75 m/s et une vitesse horizontale nulle, tout en modifiant la trajectoire de la sonde, afin que le rover n'atterrisse pas au même endroit que le bouclier arrière ou le parachute. Au début de cette phase le bouclier arrière et le parachute qui lui est attaché sont largués par déclenchement de charges pyrotechniques. L'étage de descente tombe durant une seconde en chute libre pour s'éloigner suffisamment, puis les 8 moteurs augmentent leur poussée pour parvenir, à une altitude de 100 mètres, à réduire la vitesse verticale à20 m/s et à annuler la vitesse horizontale. Parallèlement, la sonde est écartée de 300 mètres de la trajectoire suivie par le bouclier et le parachute. La descente se poursuit à la verticale pour disposer d'une mesure de l'altitude précise et corriger une estimation antérieure qui peut être erronée de 50 mètres du fait du relief et du déplacement en partie horizontal de la sonde. À partir de 50 mètres d'altitude, la vitesse verticale est ramenée à0,75 m/s lorsque l'altitude de 21 mètres est atteinte. La sonde fait alors quasiment du surplace. Si l'engin spatial se dirige vers un site jugé dangereux, il peut utiliser son système de retro-propulsion pour venir se poser jusqu'à une distance de300 mètres du site d'atterrissage initial[12],[13].
Alors que l'étage de descente se trouve à21 mètres au-dessus du sol avec une vitesse horizontale nulle et une vitesse verticale descendante constante limitée à0,75 m/s, un système pyrotechnique désolidarise l'astromobilePerseverance de l'étage de descente. L'astromobile descend suspendu au bout des trois câbles longs de 7,50 m qui exercent leur traction près dubarycentre de l'étage de descente pour éviter de perturber l'équilibre de celui-ci. Les roues du rover sont déployées. Un cordon ombilical relie par ailleurs le rover, dont l'ordinateur contrôle le déroulement de l'opération, et l'étage de descente. Sept secondes après le début de cette séquence, les câbles sont complètement déroulés[14].
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Durant les deux secondes qui suivent, les mouvements provoqués par l'interruption du déroulement des câbles sont amortis. Tout est alors prêt pour la prise du contact avec le sol. Celle-ci est détectée lorsque la traction sur les câbles diminue. Les moteurs réagissent immédiatement en réduisant fortement la poussée exercée jusque là pour maintenir une vitesse de descente constante. L'ordinateur de bord étudie sur une période d'une seconde l'évolution du comportement de l'étage de descente (valeur de la poussée des moteurs et variation de celle-ci), et en déduit que le rover est correctement posé sur le sol. Lorsque le contact avec le sol est confirmé, l'ordre de couper les suspentes au niveau du rover est donné. Puis l'étage de descente, désormais piloté par son propre processeur, entame une manœuvre qui l'écarte de la zone d'atterrissage : la poussée des moteurs est augmentée durant un certain laps de temps pour que l'étage de descente reprenne de l'altitude puis celui-ci modifie son orientation de 45° et ensuite augmente la poussée de ses moteurs jusqu'à 100 % et maintient ce mode de fonctionnement jusqu'à épuisement du carburant. Il est prévu que dans tous les cas de figure l'étage de descente s'écrase à au moins 150 mètres du lieu d'atterrissage du rover. De son côté, l'astromobile détermine dès son arrivée sur le sol sa position avec une précision de 40 mètres contre trois kilomètres pour son prédécesseurCuriosity. L'astromobilePerseverance se pose le à20 h 44TU (21 h 44 heure française) après avoir parcouru 472 millions de kilomètres depuis la Terre en 203 jours. L'information parvient sur Terre 11 minutes plus tard[15].
La mission primaire a une durée de deuxannées martiennes à compter de l'atterrissage (687 jours terrestres, un jour martien, ou sol, durant24 heures39 minutes terrestres) qui sera sans aucun doute prolongée car sa durée ne permet pas d'atteindre tous les objectifs. Le déroulement prévu des opérations comprend trois phases[16] :
La première phase après l'atterrissage, qui a eu lieu le, consiste à réaliser le déploiement des équipements de l'astromobile qui étaient en position repliée pour les protéger, ou pour des raisons d'encombrement, puis à vérifier ces équipements ainsi que les instruments scientifiques. Cette phase doit durer 60 jours martiens (sols).
Durant les30 premiers jours, tous les systèmes de l'astromobile et ses instruments seront vérifiés et leur fonctionnement sera testé. Les opérations suivantes sont prévues[17],[18] :
Les30 jours suivants sont réservés à des opérations principalement liées à la préparation des tests de l'hélicoptèreIngenuity. Parmi les activités prévues durant cette période figurent la recherche d'une zone propice au test de fonctionnement de l'hélicoptère et l'éjection du couvercle protégeant l'hélicoptère sous le châssis[19].
L'aérobot martien embarquéIngenuity est fixé sous l'astromobile. Une fois ce dernier posé à la surface de Mars, l'hélicoptère est déployé puis déposé sur le sol. Après une phase de vérification d'une dizaine de jours, trente jours sont consacrés à tester ses capacités. À cet effet l'astromobile se place à une distance de sécurité (50 à100 mètres) puis l'hélicoptère s'élève à la verticale jusqu'à une hauteur de trois mètres avant d'exécuter un vol stationnaire durant 30 secondes. Quatre autres vols de quelques centaines de mètres sont prévus. Leur durée peut atteindre 90 secondes[20]. Le premier vol a lieu le 19 avril 2021. Une fois la phase d'expérimentation achevée, l'hélicoptère devait être abandonné sur place[21] mais sa mission est prolongée à la suite des succès obtenus.
La mission primaire débute une fois la période de mise en service achevée. Durant cette période, l'astromobile doit parvenir à prélever20 carottes de sol. Il est prévu qu'il parcoure une quinzaine de kilomètres. Pour remplir ses objectifs l'astromobile se déplace afin de trouver des roches formées dans un milieu aqueux ou modifiées par l'action de l'eau et d'en prélever des échantillons. Les roches susceptibles d'avoir préservé des traces chimiques de la vie durant plusieurs milliards d'années sont particulièrement visées. D'autres échantillons sont prélevés sur des roches volcaniques ou d'une nature permettant d'identifier les changements intervenus sur l'environnement du site au cours du temps. Lorsqu'une roche a été sélectionnée, une carotte de celle-ci de5 centimètres de profondeur est prélevée, broyée et un échantillon de15 grammes est stocké dans un tube qui est scellé de manière hermétique. Le tube est stocké à bord de l'astromobile. L'équipe projet sur Terre définit le ou les sites dans lesquels les43 tubes d'échantillons doivent être déposés. Les coordonnées des différents dépôts sont relevés par les orbiteurs martiens avec une précision d'environ1 mètre[22].
L'astromobile n'est que partiellement autonome et le déroulement des opérations doit être établi quotidiennement par les équipes de techniciens et de scientifiques sur Terre. Les échanges entre l'astromobile et la Terre doivent prendre en compte des contraintes importantes : la communication directe nécessite que la surface de Mars soit tournée vers la Terre, la communication via les orbiteurs suppose que le site d'atterrissage soit survolé par celui-ci. Enfin les périodes de jour sur Terre durant laquelle le support (techniciens et scientifiques) est actif ne coïncident pas avec les journées martiennes. Le déroulement des échanges est généralement le suivant[23] :
Pour préparer les opérations du jour, l'équipe au sol doit commencer par analyser les données transmises la veille en fin de journée par l'astromobile. Grâce à celles-ci, elle s'assure que l'astromobile fonctionne normalement, étudie l'avancement et les résultats obtenus et programme les instructions du jour suivant en tenant compte des objectifs scientifiques fixés et des contraintes qui sont formulées par les ingénieurs. Les nouvelles instructions sont codées puis transmises directement à l'astromobile. Au début des opérations sur Mars, l'équipe au sol vit à l'heure martienne pour optimiser l'enchaînement des opérations : les données sont analysées et les nouvelles instructions sont transmises durant la nuit martienne. Ce mode de fonctionnement impose un décalage de40 minutes des heures de veille du fait de la longueur du jour martien. Ce rythme épuisant n'est maintenu que durant les90 premiers jours[23].
Mars est la planète duSystème solaire qui présente les caractéristiques les plus proches de celles de laTerre. Elle est pour cette raison la destination favorite desmissions d'exploration du Système solaire depuis le début de l'ère spatiale. Lessondes spatiales lancées vers cette destination ont cherché à déterminer les principales caractéristiques physiques de la planète et à reconstituer son histoire. Menées principalement par l'agence spatialeaméricaine, laNASA, ces missions ont pu démontrer, au cours des vingt dernières années, la présence d'eau à la surface de Mars ainsi que, dans le passé, celle d'eau à l'état liquide. L'existence de molécules organiques, briques nécessaires à la formation de la vie, a été plus récemment prouvée à l'aide du mini-laboratoire de l'astromobileCuriosity de la missionMars Science Laboratory (MSL).Mars 2020 constitue la première des trois missions qui se sont donné pour but deramener sur Terre des échantillons du sol martien. Il s'agit, grâce aux instruments puissants disponibles dans les laboratoires terrestres, de reconstituer de manière plus précise l'histoire de la planète et d'identifier d'éventuelles traces de vie passée par une analyse poussée à l'échelle moléculaire et atomique.
L'exploration de la planète Mars tient une place particulièrement importante dans les programmes scientifiques d'exploration spatiale du Système solaire. Mars constitue d'abord une destination proche, ce qui permet d'y envoyer relativement facilement des engins spatiaux. De plus, contrairement aux autres planètes du Système solaire et bien qu'elle soit aujourd'hui probablement stérile, Mars a sans aucun doute connu par le passé des conditions assez proches de celles régnant sur Terre qui ont pu, mais cela reste à confirmer, permettre l'apparition de la vie.
Sur le plan scientifique l'exploration de Mars répond à trois objectifs :
Les réponses à ces trois questions sont susceptibles de nous aider à comprendre notre propre planète.
Pour des raisons à la fois de faisabilité technique et de coût, aucun projet d'exploration par un équipage d'astronautes n'a jusque dans les années 2010 été mis en œuvre[Note 6]. Aussi, depuis le début de l'ère spatiale, l'exploration de Mars est-elle confiée à desmissions robotiques et elle le restera sans doute pour les vingt années qui suivent. Ces missions ont permis progressivement de mieux connaître cette planète sans pour autant apporter des réponses définitives aux principales interrogations scientifiques. Les engins spatiaux qui ont fait le plus progresser notre connaissance sont desorbiteurs (sondes spatiales placées enorbite autour de Mars) capables, grâce à des instruments d'une sophistication croissante, de collecter des données sur la surface de l'ensemble de la planète,son atmosphère ainsi que dans une certaine mesureson sous-sol.
Dessondes spatiales ont été lancées vers Mars pratiquement dès le début de l'ère spatiale. La première à atteindre cette planète avec une instrumentation opérationnelle,Mariner 4 (1965), réduit à néant les spéculations sur la présence d'une vie analogue à celle de la Terre en confirmant l'absence d'une atmosphère dense et donc d'eau liquide à la surface ainsi que l'absence dechamp magnétique pouvant protéger les organismes vivants complexes des rayonnements solaires (ultraviolet) et galactiques (rayons cosmiques). Les sondes spatialesViking, qui se posent à la surface de la planète en 1975, procèdent à des analyses d'échantillons du sol sans pouvoir découvrir d'indices d'une vie présente ou passée. Les instruments démontrent la nature très oxydante du sol martien, qui ne permet pas à des bactéries de se développer. Ces résultats décevants entraînent une pause de20 ans dans le programme d'exploration mené quasi exclusivement par l'agence spatiale américaine, laNASA.
| Mission | Lancement | Eau ? | Habitabilité ? | Vie ? |
|---|---|---|---|---|
| Mars Global Surveyor | 1996 | X | ||
| Mars Pathfinder | 1996 | X | ||
| 2001 Mars Odyssey | 2001 | X | ||
| Mars Express | 2003 | X | ||
| MER (Spirit etOpportunity) | 2003 | X | ||
| Mars Reconnaissance Orbiter | 2005 | X | ||
| Phoenix | 2007 | X | X | |
| MSL (Curiosity) | 2011 | X | X | X |
| MAVEN | 2013 | X | X | X |
| ExoMars Trace Gas Orbiter | 2016 | X | X | |
| InSight | 2018 | X | X | |
| Mars 2020 | 2020 | X | X | |
| Rosalind Franklin | 2022 | X | X |
La sonde spatialeMars Global Surveyor de la NASA (1996) relance l'intérêt pour Mars en découvrant depuis son orbite desdépôts sédimentaires qui démontrent que Mars a connu une période chaude durant laquelle l'eau était liquide à sa surface. Les années 2000 sont des années très fructueuses. Les instruments de l'orbiteureuropéenMars Express (2003) permettent de confirmer la présence de grandes quantités d'eau stockée sous forme deglace au niveau des calottes polaires, détectent la présence de traces deméthane d'apparition récente dans l'atmosphère de la planète dont l'origine pourrait être soit biologique soit volcanique, et enfin découvre des sédiments argileux qui n'ont pu apparaître qu'en présence d'eau restée liquide et faiblementacide sur de longues périodes donc propice à la vie.Mars Reconnaissance Orbiter (2006), doté de caméras particulièrement puissantes, affine toutes ces découvertes en effectuant un inventaire systématique des terrains reflétant la présence d'eau : plus de 100 000 dépôts sédimentaires (argiles, decarbonates) sont détectés toutefois ceux-ci ne représentent que 1% de la surface de Mars. L'orbiteur détecte également la présence d'eau à des latitudes relativement basses confirmant que l'atmosphère martienne conserve les traces d'un changement récent d'inclinaison de l'axe de la planète[25].
Lesatterrisseurs (fixes) et lesastromobiles, capables de circuler sur le sol, jouent un rôle de plus en plus important dans l'exploration de Mars à compter du début des années 2000 : leur principal rôle est de valider sur le terrain les déductions tirées des observations des orbiteurs. Les astromobilesMER (2003) de 174 kg sont les premiers à effectuer un travail degéologue avec toutefois une palette d'instruments limitée par les contraintes de poids. L'atterrisseur statiquePhoenix (2008) aux ambitions relativement modestes se pose dans la région du pôle Nord martien. Il confirme la présence de glace d'eau à la surface de la planète mais découvre que le sol contient une proportion importante deperchlorates peu propice à la vie.
L'objectif principal de la NASA - la détection de la présence d'eau et de son action passée ou présente à la surface - étant désormais pratiquement atteint, la stratégie d'exploration se tourne vers la recherche de molécules prébiotiques indispensables à l'apparition de la vie ou de molécules produites par des formes de vie identifiables par leur signature isotopique. Cet objectif est confié à l'astromobile lourdCuriosity (environ une tonne) de la missionMars Science Laboratory (MSL). Celui-ci est équipé de mini-laboratoires capables d'analyser à l'échelle atomique et moléculaire des échantillons de sol. Il se pose en 2012 dans le cratèreGale à proximité d'un dépôt argileux prometteur qu'il atteint en 2019. Les premiers résultats indiquent que le sol de Mars contient des molécules organiques complexes, un indice important, toutefois en très faibles quantités. Aucunebiosignature, indice direct de présence de vie présente ou passée, n'est toutefois détectée mais ce résultat pourrait s'expliquer par l'action desrayons cosmiques qui dans la durée ont cassé les molécules complexes présentes dans les couches superficielles du sol. D'autres résultats, nécessitant des travaux complexes sur Terre, sont toujours attendus courant 2020[25].
La communauté scientifique internationale considère depuis plusieurs décennies que seule une analyse d'échantillons de sol martien ramenés sur Terre peut permettre de trancher la question de la présence de la vie passée ou présente sur Mars[26]. En effet, les indices d'une éventuelle vie martienne sont complexes à détecter, car se mesurés au niveau atomique ou moléculaires, et les instruments envoyés sur le sol martien sont limités par leur masse (quelques dizaines de kilogrammes). Les équipements disponibles sur Terre ont des capacités de mesure sans commune mesure. De plus, certaines analyses ne peuvent être automatisées et ne peuvent donc être effectuées par des robots envoyés à la surface de Mars. Enfin, une fois les échantillons de sol rapportés sur Terre, les analyses peuvent être recommencées avec plusieurs types d'instrument et bénéficier de futurs progrès des outils d'investigation.
Envisagée dès les années 1980, unemission ramenant des échantillons de sol martien a fait l'objet de dizaines d'études qui n'ont toutefois jamais abouti. Son coût (jusqu'à 10 milliards de dollars américains) la range dans la même catégorie que les missions spatiales les plus complexes menées jusque-là dans le système solaire et le risque est particulièrement important : enchainement complexe d'opérations, premières technologiques (aller-retour Terre-Mars, atterrissage de très grande précision, décollage depuis le sol martien). Mais en 2013 la missionMars Science Laboratory a levé une importante barrière en validant une technique d'atterrissage de précision ce qui permet d'envisager le passage à la phase suivante de l'exploration de Mars. Selon le scénario mis au point par la NASA pour ramener les échantillons sur Terre trois missions distinctes doivent être enchainées : la première identifie les sites propices puis collecte et stocke les carottes du sol martien, la deuxième ramène les échantillons en orbite martienne et la dernière ramène ceux-ci sur Terre.Mars 2020 est chargée de réaliser la première étape de cette mission.
Les données collectées par les différentes missions spatiales ont permis de reconstituer une grande partie l'histoire de Mars mais de nombreuses questions restent en suspens[25] :
LeRapport décennal sur les sciences planétaires rédigé en 2011 par des représentants de la communauté scientifique et publié par leConseil national de la recherche des États-Unis définit les objectifs scientifiques prioritaires de l'exploration spatiale pour la décennie à venir. Le rapport place au premier rang le retour d'un échantillon de sol martien sur Terre. Il recommande que l'agence spatialeaméricaine, laNASA, lance avant 2022 la mission réalisant la première étape de ce programme, c'est-à-dire la mission de collecte des échantillons, dans la mesure où son coût peut être maintenu sous la barre des 2,5 milliards de dollars. À l'époque la NASA a entamé une collaboration avec l'Agence spatiale européenne pour ramener des échantillons sur Terre. La première mission de ce projet, à la charge de la NASA, est baptiséeMars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C). L'architecture de cette mission repose sur celle deMars Science Laboratory qui est sur le point d'être lancée par la NASA[27].
En 2011 la NASA, pour des raisons budgétaires, décide d'annuler le projet MAX-C. La mission de retour d'échantillons martiens est repoussée à une date indéterminée[28].
Mais à la suite de l'atterrissage réussi de l'astromobileCuriosity (missionMars Science Laboratory) en, le président des États-UnisBarack Obama décide d'inclure dans le budget de la NASA la réalisation d'un nouvel astromobile martien. Contrairement à la démarche habituelle cette décision est prise sans qu'aucun objectif scientifique n'ait été fixé à la future mission. Ce projet est rendu public par la NASA le, au cours d'un congrès de l'Union américaine de géophysique àSan Francisco : l'astromobile, qui reprend l'architecture duMSL/Curiosity y compris le système de rentrée atmosphérique et d'atterrissage, doit être lancé vers Mars en 2020. Lacharge utile de l'astromobile doit être différente de celle deCuriosity. Grâce à la réutilisation des composants du MSL, l'agence spatiale table sur un coût de1,5 milliard dedollars contre1,5 milliard pour MSL[29],[30],[31].
En, à la demande de la NASA, un comité issu de la communauté scientifique (laScience Definition Team ou SDT) est constitué pour définir les objectifs de la future mission. Le rapport de plus de 150 pages rendu début fixe comme principal objectif la collecte d'échantillons martiens et leur stockage à la surface de la planète en attendant une mission chargée de les ramener sur Terre. Il lance donc le projet deretour d'échantillons de sol martien sur Terre régulièrement différé sans toutefois que soit planifié et financé ce retour. Les autres recommandations du document sont les suivantes[32],[33] :
Ce rapport préconise également de modifier lesystème de télécommunications utilisé par l'astromobileCuriosity pour que celui-ci puisse transmettre directement ses données vers la Terre au cas où le relais assuré actuellement enUHF par lesorbiteurs martiens ne serait plus opérationnel dans les années 2020. La modification baptisée DTE (Direct-to-Earth) consiste à remplacer l'antenne grandgain par une antenne de plus grande taille et à remplacer l'amplificateur actuel par untube à ondes progressives plus puissant[34]. Mais cette option n'est pas retenue. Pour les instruments le rapport propose deux configurations de lacharge utile de masse totale équivalente et pouvant remplir les objectifs fixés à la mission. Les trois instruments les plus complexes de MSL - SAM, ChemCam et CheMin - n'en font pas partie. Ils sont en partie remplacés par de nouveaux instruments plus performants (comme laSuperCam à la place de la ChemCam) :
| Fonctionnalité | Configuration 1 (bleue) | Coût | Configuration 2 (orange) | Coût |
|---|---|---|---|---|
| Contexte (image) | Mastcam ou dérivé | Moyen | Mastcam ou dérivé | Moyen |
| Contexte (minéralogie) | UCIS[Note 7] ou dérivé | Moyen | miniTES[Note 8] ou dérivé | Moyen |
| Chimie des éléments | APXS[Note 9] ou dérivé | Faible | μXRF[Note 10] ou dérivé | Faible |
| Imagerie à petite échelle | MAHLI[Note 11] ou dérivé | Moyen | ||
| MMI[Note 12] ou dérivé | Moyen | |||
| Minéralogie à petite échelle | Green Raman[Note 13] ou dérivé | Élevé | ||
| Détection des matériaux organiques | Deep-UV ou dérivé | Élevé | ||
| Équipements en support de l'activité scientifique | Ceci comprend le système de collecte et de stockage d'échantillons, ainsi que les instruments de préparation des surfaces rocheuses (brosse, etc.) | |||
| Coût configuration minimale | ~ 90 M de dollars | ~ 90 M de dollars | ||
| Instruments optionnels | GPR[Note 14] | Moyen | GPR | Moyen |
| Contribution au programme habité | ISRU[Note 15] | ISRU | ||
| Modifications technologiques | TRN et Range Trigger | |||
| Coût total | ~ 105 M de dollars | ~ 105 M de dollars | ||
Le rapport rédigé par laScience Definition Team assigne cinq objectifs à la mission deMars 2020 :
La sélection des instruments embarqués est figée par la NASA en. Le lanceurAtlas V 541 qui a placé en orbite la sonde spatialeMars Science Laboratory est également retenu pour le lancement deMars 2020[4].
En, les responsables de la NASA, après une phase d'évaluation, décident queMars 2020 embarquera à titre expérimental le petit hélicoptèreMars Helicopter Scout (MHS) de 1,8 kg chargé de tester le recours à des vols de reconnaissance optique. Cette expérimentation doit durer une trentaine de jours. Le responsable scientifique de la mission s'oppose en vain à cette décision car il estime que ces tests empièteront sur le déroulement très tendu des opérations au sol. Le coût de cette expérimentation, évalué à 55 millions de dollars n'est pas pris en charge par le projetMars 2020[20],[21].
La conception générale de la sonde spatiale est figée et validée en (phase B). Les spécifications détaillées et la construction deMars 2020 (phase C) peuvent débuter[42]. Le parachute qui doit freiner la sonde spatiale durant sa descente vers le sol de Mars est testé à l'aide d'un tir effectué par une fusée-sonde Black Brant effectué en octobre 2017[43]. L'assemblage de l'étage de descente débute en mars 2018 dans les locaux du Jet Propulsion Laboratory à Pasadena (Californie)[44]. Durant des tests effectués durant le premier trimestre 2017 sur la structure du bouclier thermique d'un modèle de test, une fracture est détectée. Toutefois cet incident ne remet pas en cause la conception du bouclier (inchangée par rapport à Mars Science Laboratory) et ne modifie pas la date de lancement[45]. Le troisième test effectué avec une fusée-sondeBlack Brant en octobre 2018 permet de valider une version renforcée du parachute de Mars Science Laboratory qui sera utilisée pour Mars 2020. Le parachute a résisté à une traction de37 tonnes (soit 85% de plus que ce qui est prévu) à vitesse supersonique[46].
Les premiers tests électriques et informatiques des différents composants de la sonde spatiale débutent en mars 2019 dans la salle blanche numéro 1 du centre JPL[47]. Les tests de l'hélicoptère NHS dans une chambre à vide de7,62 mètres de diamètre reproduisant l'environnement de Mars — composition et pression de l'atmosphère et température descendant jusqu'à -90°C — s'achèvent avec succès au même moment[48]. Le système de déploiement sur le sol de Mars de l'hélicoptère est testé chez Lockheed Martin[49]. Un premier assemblage de l'ensemble des éléments de la sonde spatiale est effectué en avril pour identifier d'éventuelles erreurs de dimensionnement. L'ensemble est ensuite utilisé en mai pour effectuer des tests dans une chambre à vide et réaliser des tests acoustiques simulant la phase de lancement[50],[51]. En juin, le mât sur lequel sont fixés la caméra Mastcam-Z et les capteurs deSuperCam et de la station météorologique sont assemblés avec l'astromobile[52], puis c'est le tour des roues[53] et du bras[54]. La partie interne de l'instrument SuperCam est installée dans le corps de l'astromobile début juillet[55]. Le fonctionnement du bras est testé le même mois[56]. En août le dernier composant important de l'astromobile, le système de carrousel qui fournit les forets, est à son tour mis en place[57].
L'astromobile est placé sur une table tournante pour déterminer son centre de gravité. À l'issue de ces mesures, neuf masses d'une masse totale de20 kilogrammes sont fixées à différents points du rover pour l'équilibrer parfaitement[58]. La procédure de séparation de l'étage de descente et de l'astromobile est testée en octobre. Il s'agit essentiellement de s'assurer que les dispositifs pyrotechniques fonctionnent sans générer de dégâts[59]. En octobre l'astromobile est déplacé de la salle d'assemblage vers celle destinée à tester son fonctionnement[60]. En application d'une procédure standard, une étude sur les risques liés à la présence de plutonium embarqué est rendue publique. Selon celle-ci, dans le scénario le plus pessimiste (dispersion du plutonium en dehors de son blindage à la suite d'une destruction du lanceur immédiatement après son lancement dont la probabilité est évaluée à 1 sur 960), la dose maximale de radioactivité subie par une personne présente sur le pas de tir est considérée comme faible et équivalente à huit mois de radioactivité naturelle[61].
En décembre 2019 l'astromobile effectue ses premiers tours de roue. Le véhicule de rentrée développé parLockheed Martin est de son côté transféré le même mois à labase de lancement de Cap Canaveral en Floride. Mi-février 2020, l'astromobile est à son tour convoyé depuis les locaux duJet Propulsion Laboratory en Californie, où il a été assemblé, vers Cap Canaveral pour y être testé, assemblé avec l'étage de croisière et le véhicule de rentrée et préparé avant son lancement[62].
Le coût de la missionMars 2020 est évalué initialement en 2012 entre 1,3 et1,7 milliard de dollars. Une fois la phase de conception achevée, il est figé à2,44 milliards de dollars et reste stable sur la période 2014-2016. Ce coût inclut576 millions de dollars pour les opérations de lancement et l'acquisition du lanceurAtlas V ainsi que456 millions de dollars pour la conduite des opérations durant la mission primaire de deux ans. Ce dernier chiffre incorpore des réserves permettant de faire face à des dépassements en phase de développement[63]. Plusieurs difficultés rencontrées durant la phase de développement, en particulier dans la mise au point des instruments PIXL, SHERLOC et du système de gestion des échantillons, entraine une augmentation du coût de la mission de359,3 millions. Cet accroissement est partiellement compensé par une réduction des coûts de gestion en phase opérationnelle évaluée à84 millions de dollars. Le coût total du projet est évalué en avril 2020 à 2 725,8 millions[64]. Le développement du petit hélicoptèreMars Helicopter Scout (MHS -Ingenuity) a de son côté coûté80 millions de dollars auxquels il faut ajouter5 millions de dépenses pour sa mise en œuvre sur Mars[65].
Le site d'atterrissage deMars 2020 est, comme dans le cas deCuriosity, sélectionné par consultation de la communauté internationale des spécialistes de Mars. Le site retenu doit avoir par le passé, vu circuler de l'eau et, par ailleurs, répondre aux critères suivants[38] :
Initialement, 28 sites d'atterrissage sur Mars sont proposés et classés en[66]. Dix sites sont sélectionnés au cours d'une deuxième séance de travail qui a lieu en. Dans l'ordre de leur classement (en commençant par le mieux noté), ce sont[67] : lecratère Jezero (18,50 N, 77.40 E), lesColumbia Hills (cratère Goussev, 14,40 S, 175,60 E),Syrtis Major Planum (17,80 N, 77,10 E), lecratère Eberswalde (23,00 S, 327,00 E), le bassin Melas (12,20 S, 290,00 E),Nili Fossae (21,00 N, 74,50 E), Nili Fossae Carbonate (21,90 N, 74,50 E),Mawrth Vallis (24,00 N, 341,10 E), lecratère Holden (26,40 S, 325,10 E) et le cratère McLaughlin (21,90 N, 337,80 E).
En, une deuxième séance de travail réduit le nombre de sites à trois : cratère Jezero, Syrtis Major Planum et Columbia Hills. Les deux premiers ont des appréciations largement au-dessus du troisième[68]. Le cratère Jezero est finalement sélectionné en.
Mars 2020 doit explorer lecratère Jezero, autrefois emplacement d'un lac permanent et qui conserve les traces de plusieurs deltas de rivière. Le site est sélectionné par la communauté scientifique parmi soixante candidats. Le cratère (18.4°N, 77.7°E) est situé dans la région deNili Fossae. Il se trouve, comme lecratère Gale exploré par l'astromobileCuriosity, à la limite qui sépare la plaine qui recouvre l'hémisphère nord de la planète et les plateaux élevés et souvent accidentés recouvrant l'hémisphère sud. Le cratère Jezero se situe sur la bordure nord-ouest du bassinIsidis Planitia dernier épisode sur Mars du grand bombardement et qui remonte à plus de 3,9 milliards d'années. Le choc de l'impact est à l'origine du réseau de failles Nili Fossae situé à l'ouest du cratère Jezero. Ce dernier est formé par un impact postérieur. Par la suite deux réseaux de rivières alimentées par des précipitations neigeuses drainent la région en déversant leurs eaux dans le cratère Jezero. Un lac d'une profondeur d'au moins250 mètres est alors formé dans le cratère. Une brèche dans la bordure nord-est du cratère a permis aux eaux de s'écouler vers l'extérieur[69]. Lecône de déjection est visible surGoogle Maps[70].
Selon les observations effectuées par les instruments de l'orbiteurMars Reconnaissance Orbiter, les terrains situés dans ce cratère de45 kilomètres de diamètre comportent cinq différents types de roches dont desargiles et descarbonates. Le site, très prometteur du fait de cette diversité géologique, constitue un terrain d'atterrissage difficile car on y trouve à l'est de nombreux rochers, des falaises à l'ouest et des dépressions remplies de dunes de sable à différents emplacements. Mais les améliorations apportées par la NASA dans les techniques de guidage durant la descente de l'astromobile vers le sol, se traduisent par une réduction de la taille de l'ellipse d'atterrissage de 50 % par rapport à la mission deCuriosity en 2012 et permettent désormais d'accéder à ce type de site[71].
La sonde spatialeMars 2020 reprend l'architecture de l'engin de la missionMars Science Laboratory. Comme celui-ci et comme les sondes spatiales ayant atterri sur Mars qui l'ont précédé, il se compose de quatre éléments principaux (cf.schéma 1) :
 |  |
| À gaucheMars 2020 en cours d'assemblage final. À droiteSchéma 3 : Vue éclatée de la sonde spatiale.1 – Étage de croisière,2 – Bouclier arrière,3 – Étage de descente,4 – Astromobile,5 – Bouclier thermique avant,6 – Logement du parachute. | |
| Composant principal | Référence schéma | Sous-composant | Masse (kg) | Commentaire |
|---|---|---|---|---|
| Étage de croisière | 1 | — | 539 kg | dont 70 kg de carburant |
| Véhicule de rentrée et étage de descente | 5 | Bouclier thermique avant | 440 kg[72] | — |
| 2 | Bouclier arrière | 575 kg[72] | — | |
| 3 | Étage de descente | 1 070 kg[72] | dont 400 kg de carburant | |
| — | Total | 2 400 kg | [Note 16] | |
| Astromobile | 4 | — | 1 025 kg | — |
| Sonde spatialeMars 2020 | — | Masse totale | ~3 650 kg | — |
Les caractéristiques deMars 2020, hormis lesinstruments scientifiques et le système de prélèvement et de stockage des échantillons de sol martien diffèrent très peu de celles deMars Science Laboratory. Elles sont principalement destinées à améliorer la précision de l'atterrissage et diminuer les risques liés à cette phase :
Le recours à despanneaux solaires au lieu dugénérateur thermoélectrique à radioisotope multi-mission (MMRTG) utilisé par leMSL a été envisagé mais écarté.
L'étage de croisière est similaire à celui de MSL. C'est une structure cylindrique en aluminium de quatre mètres de diamètre et de faible hauteur d'une masse de 539 kg qui coiffe le reste de la sonde et supporte sur la partie opposée à celle-ci l'adaptateur permettant de solidariser MSL et son lanceur. Son rôle est de prendre en charge le transit de la sonde spatiale entre l'orbite terrestre et la banlieue de Mars. À l'approche de Mars, l'étage de croisière, qui achève sa mission et constitue désormais une masse pénalisante, est largué avant que le véhicule de rentrée n'entame larentrée atmosphérique. L'étage de croisière effectue à l'aide de son système de propulsion les cinq à six corrections de trajectoire nécessaires pour que la sonde se présente à proximité de la planète Mars avec la vitesse et la position lui permettant d'effectuer un atterrissage de précision ; durant le transit de 8-9 mois entre la Terre et Mars, il assure la surveillance et la maintenance des équipements de l'ensemble de la sonde[75],[76].
La traversée de l'atmosphère martienne à une vitesse initiale atteignant 6 km par seconde provoque un échauffement important des parties externes de la sonde qui atteignent une température de2 100 °C. Pour protéger l'astromobile durant cette phase, il est encapsulé dans un véhicule de rentrée. Celui-ci est composé d'un bouclier thermique avant, conçu pour résister à la forte chaleur que subit cette partie de la sonde, et d'un bouclier arrière, qui notamment contient le parachute. Le véhicule de rentrée a la forme d'une sphère-cône de demi-angle de 70° héritage duprogrammeViking repris sur tous les engins de la NASA envoyés à la surface de Mars par la suite. Par contre, la sonde innove avec des moteurs-fusées qui permettent de contrôler de manière active et non plus passive l'orientation du véhicule de rentrée jusqu'au déploiement du parachute afin de corriger les écarts par rapport à la trajectoire nominale et de permettre un atterrissage de précision. Le bouclier encapsule l'étage de descente et l'astromobile et est solidaire de l'étage de croisière durant le transit Terre-Mars.
L'étage de descente (leskycrane) est responsable de la dernière phase de la descente et dépose en douceur l'astromobile sur le sol martien. Une fois cette mission achevée, il reprend de la hauteur et va s'écraser à quelques centaines de mètres de l'astromobile. Pour réaliser sa mission, l'étage de descente comprend :
L'astromobilePerseverance est inspiré deCuriosity mais comporte plusieurs différences portant sur les instruments embarqués, le bras (plus massif), la présence d'un espace de stockage des échantillons martiens, et les roues modifiées pour tenir compte des problèmes rencontrés parCuriosity. Ces modifications se traduisent par une masse sensiblement plus importante (1 025 kilogrammes contre 899 kg) et un châssis allongé de3 centimètres. L'astromobile est long de 3 mètres (en ne prenant pas en compte le bras), large de 2,7 mètres et haut de 2,2 mètres[77],[78].
L'astromobile doit parcourir un terrain accidenté parsemé de rochers, présentant parfois des pentes fortes et un sol dont la consistance, parfois sableuse, peut conduire à l'enlisement du véhicule et entraîner sa perte comme ce fut le cas pourSpirit. Le rover deMars 2020, comme son prédécesseurCuriosity, peut s'aventurer sur des pentes à 45° sans se retourner (mais il est prévu d'éviter les pentes de plus de 30°). Il peut escalader des rochers ou franchir des trous d'une hauteur supérieure au diamètre de ses roues (52,5 cm). Pour y parvenir il utilise unesuspension, baptiséerocker-bogie, mise au point par la NASA pour les rovers MER : celle-ci limite l'inclinaison de la caisse du rover lorsque celui-ci franchit un obstacle qui ne soulève qu'un seul des deux côtés. Ces suspensions sont constituées par des tubes en titane. Chacune des six roues de 52,5 cm de diamètre est constituée d'un cylindre creux en aluminium comportant sur sa surface externe48 cannelures pratiquement droites (contre 24 pourCuriosity) pour une meilleure prise dans un sol mou ou sur des rochers présentant une face abrupte. Pour éviter les problèmes rencontrés par l'astromobileCuriosity (perforation des roues), la bande de roulement est deux fois plus épaisse. Les roues sont équipées chacune d’un moteur individuel. Chacune des quatre roues d'extrémité comporte un moteur agissant sur la direction ce qui permet au rover de pivoter sur place. Un tour de roue fait avancer le rover de 1,65 mètre. La vitesse maximale sur un terrain plat est de 4,2 centimètres par seconde soit 152 mètres par heure. À cette vitesse, les moteurs assurant la propulsion consomment 200 watts[79],[80].
Le rover a besoin d'énergie pour faire fonctionner ses équipements ainsi que ses instruments, pour communiquer avec la Terre et pour que ses organes sensibles soient maintenus dans une plage de température acceptable. Cette énergie est fournie par ungénérateur thermoélectrique à radioisotope (ou GTR), leMMRTG développé par leDoE et produit parBoeing. Celui-ci utilise 4,8 kg dedioxyde de plutonium PuO2 enrichi enplutonium 238 générant une puissance initiale d'environ 2 000 W thermiques convertis nominalement en 120 W électriques par desthermocouples à base de matériauxthermoélectriques, à savoirPbTe/TAGS. Le rover dispose de 2,7 kWh/j. Cette puissance est indépendante de l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'imposera donc pas d'arrêter la mission pendant l'hiver martien.Mars 2020 dispose d'une autonomie nominale d'une année martienne, soit près de deux années terrestres, mais sa source d'énergie devrait encore fournir 100 W électriques après 14 années terrestres de fonctionnement. L'électricité est stockée dans deux batteries rechargeables au lithium ion ayant chacune une capacité de 42Ah. Un système de radiateurs comportant près de cinquante mètres de tubes dans lesquels circule unfluide caloporteur permet de rejeter la chaleur excédentaire. Le MMRTG est installé à l'extrémité arrière du rover d'où il émerge pour permettre au système de refroidissement d'être en contact avec l'atmosphère martienne. Il a un diamètre de 64 centimètres pour une longueur de 66 centimètres et sa masse est de 45 kilogrammes[Note 17],[81],[82].
Pour transmettre les données scientifiques recueillies, les données de navigation et les données télémétriques sur son fonctionnement ainsi que pour recevoir les instructions mises au point par l'équipe sur Terre, le rover dispose de troisantennes qui fournissent une grande flexibilité opérationnelle tout en permettant de faire face à une panne d'un des systèmes. Ces antennes, qui sont fixées sur l'arrière du pont supérieur du rover, sont[83] :
Le rover dispose de deux ordinateurs identiques et redondants, baptisés RCE (Rover Compute Element), qui pilotent son fonctionnement. Un seul des deux ordinateurs est en activité à un moment donné. L'autre ordinateur est activé en cas de problème sur l'ordinateur actif. Chaque ordinateur est relié aux différents équipements par un réseau conforme aux standards de l'industrie aérospatiale c'est-à-dire répondant aux besoins de fiabilité des avions et des engins spatiaux. Les deux ordinateurs sont« radiodurcis » pour résister auxrayons cosmiques. Ils utilisent tous deux unmicroprocesseurRAD750 cadencé à 200 MHz. Chaque ordinateur comporte 256 kilooctets d’EEPROM, 256 mégaoctets demémoire DRAM et 2 gigaoctets demémoire flash. L'ordinateur assure plusieurs fonctions grâce à différents capteurs[85] :
L'astromobile deMars 2020 dispose d'un bras (Robot Arm RA) fixé à l'avant du châssis et portant à son extrémité un ensemble d'outils utilisés pour analyserin situ des échantillons de sol et de roche : SHERLOC combine une caméra (WATSON), un laser et un spectromètre ultraviolet pour déterminer les composants minéraux et organiques tandis que PIXL, qui combine une caméra et unspectromètre de fluorescence X détermine les éléments chimiques présents. Le bras porte également un ensemble d'outils permettant de recueillir descarottes du sol : GDRT (Gaseous Dust Removal Tool) pour nettoyer la surface, un capteur de contact et une foreuse. Le bras est fixé sur la face avant du rover et est long de 2,1 mètres. Les outils situés au bout du bras peuvent être positionnés face à la zone à analyser, sans que le rover se déplace, grâce à plusieurs articulations motorisées qui fournissent 5degrés de liberté[86].
Comme le bras deCuriosity, celui dePerseverance est conçu pour fonctionner malgré une amplitude thermique qui atteint100 °C et qui affecte notamment la géométrie du bras et les mesures effectuées par lescapteurs de force. Le système de forage et de récupération des carottes de sol est beaucoup plus sophistiqué que la foreuse deCuriosity et le bras doit supporter une masse d'équipements et d'instruments augmentée de 50 % (40 kilogrammes[56]) sans pour autant augmenter son propre poids. Alors que pourCuriosity les capteurs de force sont uniquement utilisés pour éviter de dépasser la résistance des équipements, ceux dePerseverance permettent de moduler la pression exercée par la foreuse et sont également utilisés pour effectuer les changements deforet[87].
Le système de collecte et de stockage des échantillons martiens représente plus de la moitié de la masse de lacharge utile de l'astromobile. C'est un ensemble mécanique extrêmement complexe composé de trois robots. Sa conception a nécessité une longue mise au point pour garantir sa fiabilité et limiter la contamination des échantillons prélevés. Son rôle est de prélever par forage jusqu'à 43carottes du sol (roche ourégolithe) du diamètre d'un crayon (13 millimètres) et de la moitié de sa longueur (60 millimètres). Celles-ci sont stockées dans des tubes qui sont scellés après remplissage et rangés dans un emplacement situé sous la partie avant du rover. Les tubes seront par la suite déposés dans un endroit identifié avec précision pour pouvoir être collectés par unemission de retour d'échantillons martiens qui reste à financer (début 2020). Pour collecter les échantillons, le sol est d'abord analysé à l'aide des instruments SHERLOC (spectromètre et caméra), WATSON (caméra à fort grossissement) et PIXL (spectromètre à rayons X fixés au bout du bras articulé. Un petit réservoir contenant de l'azote permet de produire un jet de gaz afin de chasser la poussière et les particules avant de procéder à une analyse à l'aide des instruments SHERLOC et PIXL. La foreuse va chercher un foret adapté au type de sol sur un carrousel mobile. Cet équipement est logé dans la partie avant de l'astromobile et fait partie d'un ensemble complexe baptiséAdaptive Caching Assembly (ACA). Le foret est creux et un bras long de 0,5 mètre (leSample Handling Assembly ou SHA) disposant de troisdegrés de liberté place dans celui-ci un tube qui sera rempli par la carotte de sol au moment du forage. La foreuse peut fonctionner selon deux modes : rotation ou rotation/percussion. Le forage permet d'obtenir un échantillon de sol de six centimètres de long et 1,3 centimètre de diamètre dont la masse est d'environ 10 à 15 grammes. Le foret est alors replacé sur le système de carrousel. Le bras SHA intervient alors pour effectuer les opérations de stockage définitif. Il extrait du foret creux le tube contenant l'échantillon de sol et le déplace vers un équipement responsable des opérations finales. Celui-ci mesure le volume de l'échantillon, prend une image de celui-ci, installe un bouchon destiné à limiter les mouvements de l'échantillon dans le tube puis scelle le tube et le range dans le système de stockage définitif. À la fin de la mission, c'est ce bras qui aura la responsabilité de déposer les tubes sur le sol pour constituer le dépôt récupéré ultérieurement par la mission ramenant ceux-ci sur Terre. Le système comprend également six tubes témoins qui contiennent des échantillons de sol terrestre stérilisés comme les tubes vides et qui sont exposés à l'atmosphère de Mars avant d'être scellés[88],[89],[90],[91],[92].
| Le système de collecte et de stockage des échantillons martiens |
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Comme tous les engins envoyés vers le sol de Mars, la sonde spatialeMars 2020 est débarrassée avant son lancement des micro-organismes qui pourraient venir contaminer la planète et ainsi compromettre l'étude scientifique de celle-ci. Cet objectif deprotection planétaire est rempli par différentes mesures : assemblage de l'engin spatial ensalle blanche qui limite la quantité de particules en suspension dans l'atmosphère, nettoyage régulier des surfaces et des sols avec des produits bactéricides, stérilisation thermique de certains composants qui sont portés jusqu'à des températures de200 °C, port de combinaisons protectrices par les personnes responsables de l'assemblage de la sonde spatiale, etc. L'objectif fixé est que l'ensemble des composants atteignant le sol de Mars ne contienne pas plus de 300 000 spores de bactéries et que l'astromobile proprement dit ne comporte pas plus de 41 000 spores. D'autre part la trajectoire initiale de la sonde spatiale ne vise pas Mars de manière que le deuxième étage du lanceur qui suit une trajectoire parallèle ne vienne pas s'écraser sur le sol martien. Par ailleurs le site d'atterrissage choisi ne doit pas comporter de réservoirs de glace d'eau à une profondeur inférieure à 5 mètres pour éviter la propagation des bactéries transportées[93].
Une contrainte supplémentaire résulte du fait que les échantillons de sol martien doivent être ramenés sur Terre pour une analyse scientifique approfondie et la recherche de traces de vie passées. Les composants impliqués dans la collecte des échantillons et leur stockage subissent une stérilisation plus poussée. Les mécanismes impliqués directement dans le stockage sont isolés de l'extérieur par un couvercle qui se détache uniquement lorsque l'astromobile est arrivée sur Mars. Des tubes témoins permettent de mesurer l'environnement de cet équipement y compris les traces de contamination antérieure au lancement. L'état de stérilisation des différents composants impliqués est documenté de manière détaillée[93].
L'instrumentation scientifique est en partie différente de celle deMars Science Laboratory. Les instruments embarqués doivent permettre des mesures plus précises dans plusieurs domaines[94],[95] :
La communauté scientifique et la NASA ont fait le pari qu'unemission de retour d'échantillons martiens sera finalement programmée et budgétée : ils ont choisi de retenir, non pas des instruments capables de faire les analyses les plus poussées, mais ceux capables d'identifier de la manière la plus efficace les portions de sol les plus intéressantes pour une analyse ultérieure sur Terre. Alors queCuriosity emportait deux laboratoires (SAM et CheMin) permettant une analyse sur place, l'astromobile deMars 2020 n'en emporte aucun : le mini-laboratoire CODEX, bien que très prometteur, n'a pas été retenu. La moitié de la charge utile est réservée au système de prélèvement et de stockage des échantillons. Le reste de la charge utile comprend six instruments scientifiques et deux expériences technologiques. Certains des instruments ont été sélectionnés pour permettre l'identification rapide de la composition du sol (une information pouvant nécessiter plus d'un mois pourCuriosity). Il s'agit d'obtenir dans un délai relativement court (les contraintes temporelles sont la durée de vie de l'astromobile, le temps de déplacement de celui-ci d'une zone à l'autre et l'arrivée de la mission chargée de ramener les échantillons sur Terre)43 carottes de sol bien choisis :
| Instrument | Type instrument | Objectifs | Principales caractéristiques | Responsable / Laboratoire / Pays | Masse | Consommation électrique | Volumes données en sortie |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mastcam-Z[96] | Caméra couleur (photos et vidéos) avec un zoom | Prise d'images tridimensionnelles et de vidéos du sol et du ciel | 1 600 × 1 200 pixels Résolution spatiale : 150 micromètres à 7,4 mm selon la distance | Jim Bell | 4 kg | 17,4 watts | 148 mégabits par jour |
| MEDA[97] | Station météorologique | Mesure des températures, pression atmosphérique, taux d'humidité, radiations, taille et quantité poussière, vent, rayonnement infrarouge infrarouge | Jose A. Rodriguez Manfredi | 5,5 kg | 17 watts | 11 mégaoctets par jour | |
| PIXL[98] | Spectromètre rayons X | Composition chimique des roches avec une résolution élevée | 1 600 × 1 200 pixels Résolution spatiale : 150 micromètres à 7,4 mm selon la distance | Jose A. Rodriguez Manfredi | 6,5 kg | 25 watts | 16 mégabits par jour |
| RIMFAX[99] | Radar | Structure géologique du sous-sol | Jusqu'à 10 mètres de profondeur Résolution verticale : 15 à 30 centimètres | Svein-Erik Hamran | 3 kg | 5 à 10 watts | 5 à 10 kilooctets par site étudié |
| SHERLOC[100] | Spectromètre, laser et caméra (contexte) | Détection des minéraux, molécules organiques et signatures de micro-organismes avec une résolution élevée | Résolution : laser 50 micromètres, caméra 30 micromètres Champ de vue : caméra 2,3 × 1,5 cm spectromètre 7 × 7 mm | Luther Beegle | 4,7 kg | 49 watts | 80 mégabits (brut) par jour |
| SuperCam[101] | Spectromètre, laser et caméra (contexte) | Composition chimique (atomique et moléculaire) des roches et des sols | Spectroscopie LIBS (portée 7 mètres) Spectroscopie Raman et de luminescence Spectromètre infrarouge | Roger Wiens | 10,6 kg | 17,9 watts | 15,2 mégabits par jour |
| MOXIE[102] | ÉquipementISRU | Production d'oxygène à partir de l'atmosphère martienne (prototype) | Production de 10 grammes par heure | Michael Hecht | 17,1 kg | 300 watts |
La sonde spatiale embarque23 caméras utilisées pour la navigation, les travaux scientifiques et la maintenance[103]. L'astromobile emporte19 caméras : neuf en couleurs pour ingénierie, trois dont deux en couleur pour filmer la phase de descente dans l'atmosphère et d'atterrissage et réaliser un atterrissage de précision, les deux caméras couleurs avec zoom de l'instrument Mastcam-Z, la caméra couleur RMI de l'instrumentSuperCam, les deux caméras couleurs de l'instrument SHERLOC, la caméra blanc et noir de l'instrument PIXL et la caméra noir et blanc de l'instrument MEDA). Le bouclier arrière emporte trois caméras couleur pour filmer le déploiement du parachute. L'étage de descente emporte une caméra couleur tournée vers le sol qui filme l'astromobile vu du dessus. L'hélicoptèreIngenuity emporte une caméra couleur qui fournit des images de la surface et une caméra noir et blanc pour la navigation[104].
| Utilisation | Désignation | Nombre de caméras | Couleur/N&B | Pixels | Autre caractéristique | Localisation |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Caméras d'ingénierie (9 installées sur l'astromobile) | ||||||
| Caméra utilisée pour la navigation | Navcam | 2 | Couleur | 20mégapixels | Au sommet du mât. | |
| Caméra de détection des obstacles | Hazcam | 6 | Couleur | 20 mégapixels | Objectiffisheye | 4 à l'avant 2 à l'arrière. |
| Caméra du système de stockage des échantillons | CacgeCam | 1 | Couleur | 20 mégapixels | Dans le système de stockage des échantillons | |
| Caméras utilisées durant la phase d'atterrissage (7) | ||||||
| Caméras de surveillance des parachutes | PUC | 3 | Couleur | 1,3 mégapixels | Bouclier thermique arrière. | |
| Caméra de suivi de la descente pointée vers le sol | DDC | 1 | Couleur | 3,1 mégapixels | Étage de descente | |
| Caméra d'astromobile pointée vers le zénith | RUC | 1 | Couleur | 1,3 mégapixels | Sur le pont supérieur de l'astromobile | |
| Caméra d'astromobile pointée vers le sol | RDC | 1 | Couleur | 1,3 mégapixels | Sous l'astromobile au coin gauche avant | |
| Caméra du système d'atterrissage de précision (LVS) | LCAM | 1 | Noir et blanc | 1,3 mégapixels | Sous l'astromobile au coin droit avant | |
| Caméras scientifiques (7 installées sur l'astromobile) | ||||||
| Caméras de Mastcam-Z | ZCAM | 2 | Couleur | 2 mégapixels | Zoom, stéréo | A gauche et à droite de la tête du mât. |
| Caméra de Supercam | RMI | 1 | Couleur | 4 mégapixels | Tête du mât. | |
| Caméras de SHERLOC | WATSON et ACI | 2 | Couleur et N&B | 2 mégapixels | Au bout du bras. | |
| Caméra de PIXL | MCC | 1 | N&B et couleur (partiel) | 43 mégapixels | Au bout du bras. | |
| Caméra de MEDA | SkyCam | 1 | N&B | ~1 mégapixels | Objectiffisheye | Sur le pont de l'astromobile. |
La caméra principale est laMastcam-Z. Il s'agit d'une version améliorée de la caméra équipantCuriosity car elle embarque un zoom permettant ungrandissement x3, abandonné en cours de développement pour son prédécesseur. La caméra effectue desimages en couleurspanoramiques,tri-dimensionnelles et, grâce au zoom, peut effectuer des photos détaillées. Elle comprend deuxobjectifs distincts écartés de 24,2 centimètres qui permettent des photosstéréo et sont fixés au sommet d'un mât à deux mètres de hauteur. Lecapteur CCD, identique à celui deCuriosity, dispose de 2mégapixels (1 600 × 1 200). L'ensemble a une masse de 4 kilogrammes et consomme 17,4 watts[106]. Le responsable scientifique de l'instrument est Jim Bell de l'université de l'Arizona. L'instrument est développé parMalin Space Science Systems[107].
Le zoom est un objectif 28-100 mm (grand angle à téléobjectif modéré) et l'ouverture est comprise entre f/8 et f/10 (téléobjectif). Le champ de vue est de 23° x 18° (grand angle) et de 6° x 5° (téléobjectif). Lepouvoir de résolution de la caméra est d'environ 1 millimètre dans la zone accessible par le bras télécommandé de l'astromobile et quelques centimètres à une distance de 100 mètres. Elle est équipée de 11 filtres étroits dans labande spectrale comprise entre 400 et 1 000 nanomètres qui permettent de déterminer si les matériaux photographiés ont été altérés ouérodés et qui fournissent des informations importantes sur lacomposition des roches. Une paire de filtres permet d'effectuer des images du Soleil.
La caméra peut réaliser des films avec une vitesse de quatre images par seconde. Cette fréquence peut être augmentée en diminuant la définition. Cette fonction permet d'observer des phénomènes comme lestourbillons de poussière, le déplacement des nuages, les phénomènes astronomiques mais également le déroulement des opérations réalisées par l'astromobile telles que les déplacements, la collecte d'échantillon ou le stockage de ceux-ci[108].
LaSuperCam est une version fortement améliorée de l'instrument franco-américainChemCam embarqué sur l'astromobileCuriosity. Elle utilise unlaser et troisspectromètres pour analyser à distance la composition élémentaire et minérale des roches ciblées. Le laser pulsé tire sur la roche à analyser provoquant la vaporisation de sa couche superficielle et générant unplasma. L'optique de 110 mm utilisée pour viser la cible avec le laser, un télescope de type Schmidt-Cassegrain, permet de recueillir l'image renvoyée de l'étincelle de plasma, et de la transmettre parfibre optique aux spectromètres. L'instrument a été conçu et réalisé conjointement par leLANL américain et leCNES français. L'instrument est capable d'effectuer quatre types de mesure[109],[110] :
Deux autres équipements fournissent des données qui viennent compléter les données recueillies :
SuperCam a une masse totale de 10,6 kg répartie entre le module optique logé dans le mât (5,6 kg), les spectromètres logés dans le corps de l'astromobile (4,8 kg) et les cibles utilisées pour étalonner l'instrument (0,2 kg). L'instrument en fonctionnement consomme 17,9 watts. Il génère un volume de données moyen de 4,2 mégabits par jour. L'instrument est développé par leLaboratoire national de Los Alamos qui fournit les spectromètres et l'institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP) de l'université Paul Sabatier deToulouse en France qui livre la partie optique ainsi que le laser (fourni parThales) sous maîtrise d'œuvre de l'agence spatiale française (CNES). Le responsable scientifique est Roger Wiens de Los Alamos et son adjointSylvestre Maurice de l'IRAP[112],[113].
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Leradar RIMFAX (Radar Imager for Mars Subsurface Exploration) développé par un institut de recherche norvégien. Il permet de compléter les analyses effectuées par SuperCam qui ne peut étudier que la surface des roches. RIMFAX permet d'analyser les couches géologiques enfouies jusqu'à une profondeur de 500 mètres avec une résolution verticale comprise entre 15 et 30 centimètres. Il est constitué d'un radar qui émet dans des fréquences modifiables (comprise entre 150 et 1 200 mégahertz) pour tenir compte de la nature du terrain. L'instrument analyse les ondes réfléchies par les couches superficielles de la surface (jusqu'à 10 mètres de profondeur), ce qui permet de détecter la présence de glace, de roche, de sable et d'eau liquide. Ces sondages sont effectués au fur et à mesure de l'avancement de l'astromobile tous les 10 centimètres. L'instrument permet de déterminer l'épaisseur durégolithe, détecter les différentes strates superficielles du terrain situées sous la surface et associées aux structures qui en émergent, associer une section stratigraphique aux échantillons qui sont prélevés[114],[115],[116].
Chaque sondage produit 5 à 10 kilooctets de données. L'instrument est composé d'une antenne fixée sous le RTG et d'un boîtier électronique placé dans le corps de l'astromobile tout à l'arrière. Sa masse est de 3 kilogrammes et il consomme de 5 à 10 watts en fonctionnement. Le responsable scientifique de RIMFAX est le chercheur norvégien Svein-Erik Hamran qui est également un des deux responsables scientifiques du radar WISDOM embarqué à bord de l'astromobileExoMars de l'Agence spatiale européenne qui doit atterrir sur Mars à la même époque que Mars 2020[114],[117].
Le PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) est unspectromètre de fluorescence des rayons X qui détermine leséléments chimiques présents dans un échantillon de roche à l'échelle d'un grain de sel (0,1 millimètre ou 100 micromètres) et grâce à une caméra associe cette composition à la texture fine de la roche. L'instrument est monté à l'extrémité du bras de l'astromobile. Le principe de fonctionnement repose sur l'émission d'un rayonnement X qui est focalisé par une optique constituée de millions de fibres optiques de manière à frapper l'échantillon à analyser sur un rayon réduit à 100 micromètres (0,1 millimètre). Lespectre desphotons X renvoyés par la cible (fluorescence) est fourni par undétecteur à dérive en silicium (SDD). Pour pouvoir associer l'analyse spectrale effectuée à une texture donnée et localisée de la roche, une caméra co-alignée prend une image (26 × 36 millimètres) de la cible avec unerésolution spatiale de 50 micromètres. Un petit projecteur de typeDEL projette une grille visible sur les images prises pour fournir un cadre de référence. Pour réaliser l'analyse d'une roche, la tête de l'instrument est positionnée par le bras de l'astromobile à 2 centimètres de sa cible. Le capteur est positionné au-dessus de sa cible grâce à 6 petits vérins qui permettent de le déplacer lentement avec une très grande précision. Un spectre est obtenu en 5 à 10 secondes. En 10 à 20 minutes, l'instrument effectue l'analyse d'une centaine de particules de la taille d'un grain de sable. PIXL peut mesurer les 16éléments chimiques couramment détectés par ce type d'instrument mais égalementV,Co,Cu,Ga,As,Rb,Sr,Y,Zr etCe. Il peut détecter un élément présent à hauteur de 10 parties par million[118],[119].
PIXL envoie environ 16 mégabits de données à chaque analyse. L'instrument a une masse totale d'environ 7 kilogrammes dont 4,3 kg pour le capteur monté au bout du bras, 2,6 kg pour l'électronique installée dans le corps de l'astromobile et 0,15 kg pour les cibles utilisées pour étalonner PIXL. L'ensemble consomme 25 watts lorsqu'il est mis en œuvre. La responsable scientifique de l'instrument est Abigail Allwood duJet Propulsion Laboratory. Le développement de l'instrument est également effectué sous la maîtrise d'œuvre de cet établissement de la NASA[118],[120],[121].
Lespectromètre SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals) est un instrument situé à l'extrémité du bras de l'astromobile qui fournit des images à faible échelle et utilise un laser ultraviolet pour déterminer la minéralogie et la composition organique dusol martien afin de déterminer si ceux-ci ont été altérés par un environnement aqueux et s'ils contiennent des indices d'une vie microbienne passée. Il s'agit du premierspectromètre Raman œuvrant à la surface de Mars. L'instrument met en œuvre deux types d'effet. D'une part lafluorescence qui permet d'identifier les formes condensées du carbone et lescomposés aromatiques présents à hauteur d'une partie par million avec une résolution spatiale de 100 micromètres. D'autre part ladiffusion Raman permet l'identification et la classification des composés aromatiques etaliphatiques présents avec une concentration comprise entre 1 % et 1 partie par 10 000 avec une résolution spatiale de 100 micromètres. La diffusion Raman permet également l'identification et la classification des minéraux issus d'une chimie aqueuse dans des grains dont la taille peut descendre jusqu'à 20 micromètres. L'instrument utilise un laser émettant un faisceau large de 50 micromètres dans l'ultraviolet (248,6 nanomètres) et une caméra dont la résolution spatiale est de 30 micromètres. Un système d'autofocus permet de positionner la tête de l'instrument à la distance adéquate de l'échantillon à analyser sans avoir à déplacer le bras. La caméra peut être également utilisée pour étudier les parois du forage. Un miroir pivotant permet de déplacer le point d'impact du laser et ainsi d'analyser de manière systématique une région de 0,7 × 0,7 centimètre. La caméra fournit le contexte avec un champ de vue de 2,3 × 1,5 centimètres[122].
L'instrument SHERLOC inclut également la caméra WATSON pouvant prendre des images à faible distance jusqu'à l'infini qui est utilisée aussi bien pour effectuer des vérifications d'ordre technique qu'à des fins scientifiques. WATSON dérive de la caméra MAHLI installée sur le bras de l'astromobileCuriosity[122]. À l'avant du roverPerseverance est fixée une cible permettant d'étalonner à la fois la caméra et le fonctionnement du spectromètre grâce à six échantillons, notamment de roches. La cible comprend également six échantillons de tissus (vectran,dacron,teflon...) qui serviront à effectuer des opérations d'étalonnage et à mesurer la résistance dans le temps de futurescombinaisons spatiales[123]. La masse totale de l'instrument est de 4,7 kilogrammes répartis entre le capteur situé en bout de bras (3,11 kg) et l'électronique située dans le corps de l'astromobile (1,61 kg). Le spectromètre consomme 48,8 watts lorsqu'elle fonctionne dont 32,2 watts au niveau du détecteur. Le responsable scientifique est Luther Beegle duJet Propulsion Laboratory[124],[125],.
CommeCuriosity,Mars 2020 emporte unestation météorologique développée par la même équipe espagnole et baptisée MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer). Celle-ci est équipée de capteurs mesurant six paramètres atmosphériques - température au sol, température de l'air, pression, humidité, direction et vitesse des vents et rayonnement dans différentes bandes spectrales en ultraviolet, visible et infrarouge - ainsi que les propriétés optiques de la poussière, caractéristiques de la poussière. L'ensemble formé par les capteurs et l'électronique associée représente une masse de 5,5 kilogrammes et consomme jusqu'à 17 watts. Les capteurs sont répartis à différents endroits de l'astromobile[126],[127] :
L'astromobile emporte également l'expérience de démonstration technologiqueMOXIE (Mars OXygen ISRU Experiment). Cet équipement expérimental de typeISRU (c'est-à-dire utilisation de ressourcesin situ) teste la production d'oxygène à partir dudioxyde de carbone présent dans l'atmosphère martienne. Ce type d'équipement, dont la première phase opérationnelle a été réalisée avec succès le mardi 20 avril 2021 en produisant près de 5 grammes d'oxygène[128] a permis pour la première fois la transformation d'une ressource naturelle ailleurs que sur Terre. L'expérience ouvre la voie à de futures missions martiennes, robotiques ou habitées, qui reconstitueront leurs réserves d'oxydant à partir de substances disponibles localement avant de décoller vers la Terre. L'oxygène ainsi récupéré pourrait également servir à constituer des réserves utilisables par de futurs astronautes. Toutefois, de nombreux défis technologiques de taille restent encore à résoudre pour stocker en quantité suffisante (sous forme comprimée ou liquide ?) l'oxygène produit.
L'appareil doit également permettre de déterminer la taille et la morphologie des grains de poussière en suspension dans l'atmosphère martienne[129],[90],[91].
L'oxygène est produit par le MOXIE en captant ledioxyde de carbone (CO2) de l'atmosphère martienne puis en rompant cette molécule pour produire de l'oxygène (O2) d'une part et dumonoxyde de carbone (CO) d'autre part. L'atmosphère martienne est aspirée dans l'instrument, filtrée et puis comprimée à une pression de 1bar. La molécule dedioxyde de carbone est "cassée" dans le module SOXE (Solid OXide Electrolyzer) parvoie electrolytique. La température est portée à800 °C. Pour produire de l'oxygène, le MOXIE doit fonctionner 2 heures en consommant une puissance électrique de 300 watts. Il produit 10 grammes d'oxygène par heure. Le responsable scientifique de l'expérience est Michael Hecht duMassachusetts Institute of Technology[130],[131].
L'astromobile emporte un petit hélicoptère expérimentalMHS (Mars Helicopter Scout), baptiséIngenuity, qui est le premier engin volant utilisé sur une autre planète. Il ne joue aucun rôle dans la réalisation des objectifs scientifiques de la mission. Il s'agit d'un démonstrateur technologique qui doit permettre de vérifier le potentiel de ce type de véhicule dans un environnement peu propice au fonctionnement d'un engin volant du fait de l'atmosphère extrêmement ténue (portance faible), de l'éloignement de Mars qui ne permet pas un contrôle par un téléopérateur et des températures extrêmes[132],[Note 18].
Pesant environ 1,8 kilogramme l'hélicoptère effectuera plusieurs vols de reconnaissance en début de mission pour tester ses capacités puis sera abandonné. L'hélicoptère est fixé sous l'astromobile avant son déploiement sur le sol de Mars. Il se déplace dans les airs grâce à deux rotors bipales tournant en sens contraire. Leur vitesse de rotation est comprise entre 2 400 et 2 900 tours par minute soit 10 fois celle d'un hélicoptère sur Terre, pour pouvoir être efficace dans l'atmosphère particulièrement peu dense de Mars (équivalent à l'atmosphère terrestre à une altitude de 25 kilomètres). Le fuselage de l'hélicoptère a le diamètre d'un ballon de basket (13,6 × 19,5 cm). Le rotor mesure 1,2 m d'une extrémité à l'autre et la hauteur totale de l'hélicoptère est de 0,8 m. Quatre pieds longs de 0,384 m maintiennent le corps de l'hélicoptère à 0,13 m au-dessus du sol.
L'hélicoptère martien est propulsé par l'énergie électrique fournie par une batterie lithium-ion. Celle-ci est rechargée par des cellules solaires qui permettent en une journée d'accumuler une énergie suffisante pour effectuer un vol de 90 secondes (puissance moyenne consommée en vol : 350 Watts). Des résistances chauffantes maintiennent les systèmes à une température compatible avec les contraintes de fonctionnement.
L'hélicoptère emporte une caméra de navigation qui fournit des images en blanc et noir et une caméra couleur à haute résolution pour effectuer des prises d'images du terrain et ainsi remplir les objectifs qui lui sont assignés. Compte tenu du délai des échanges avec la Terre (16 minutes pour un échange dans la configuration Terre-Mars la plus favorable), l'hélicoptère vole de manière autonome à partir d'instructions transmises avant le vol. Un système radio embarqué reçoit ces commandes et transmet les images et télémesures via les équipements radio de l'astromobile[133],[20],[134].
L'atterrisseurInSight est le premier à avoir enregistré des sons sur Mars. Deux missions de la NASA équipées d'un système d'enregistrement des sons avaient été lancées par le passé : la sonde spatialeMars Polar Lander lancée 1999 a été perdue du fait d'une erreur de conception peu avant son atterrissage sur Mars tandis que le microphone dePhoenix, qui s'était posée sur un des pôles de Mars en 2008, n'a jamais pu fonctionner.
La missionMars 2020 emporte deux microphones :
L'instrument, qui ne fait pas partie de la charge utile scientifique, a été financé par l'associationThe Planetary Society et est identique au modèle lancé en 1999 déjà sponsorisé par cette association. Constitué principalement d'une carte électronique, il pèse environ 50 grammes[135].
Mars 2020 est la première étape du programme deretour d'échantillons martiens sur TerreMars Sample Return. La deuxième partie de ce programme, qui constitue un défi technique, est en cours de conception en, doit être lancée en 2026 et revenir sur Terre en 2031.
Selon le scénario détaillé en avril 2020, deux sondes spatiales développées respectivement par la NASA et l'Agence spatiale européenne doivent être lancées en 2026 dans le but de récupérer les échantillons de sol déposés sur Mars par l'astromobilePerseverance et les ramener sur Terre en 2031[136]. En 2018 la phase de spécifications des deux missions démarre à l'Agence spatiale européenne et à la NASA[137].Airbus Defence and Space a été sélectionné par l'ESA pour le développement de la mission qui lui est impartie[138]. Des fonds sont débloqués pour réaliser ces études mais les deux agences n'ont pas le budget pour les implémenter.
Ces deux missions chargées de la suite du programme sont, d'une part, SRL qui doit aller chercher les échantillons sur le sol martien (astromobile SFR) et les ramener sur une orbite martienne (fusée MAV) et, d'autre part, l'orbiteur martien ERO qui doit assurer le support des opérations au sol (télécommunications) depuis l'orbite martienne, récupérer le container contenant les échantillons à la suite d'un rendez-vous en orbite martienne puis revenir sur Terre et larguer dans l'atmosphère terrestre la capsule contenant le container. Cette dernière doit se poser en douceur sur un site terrestre sélectionné. La planification du projet constitue un des aspects les plus complexes de ces deux missions[136] :
L'ensemble de ces contraintes aboutit à une campagne 26-26-31 : ces trois chiffres correspondant respectivement aux dates de lancement des deux engins (2026) et à l'année de l'arrivée de la capsule d'échantillons sur Terre (2031)[136].
La missionSample Retrieval Lander (SRL), développée par la NASA, consiste à poser sur Mars un engin spatial dont l'objectif final est de ramener sur l'orbite martienne un container des échantillons de sol. Pour remplir cet objectif la sonde spatiale transporte d'une part un petit astromobile baptisé SFR (Sample Fetch Rover), qui va chercher les tubes contenant les échantillons de sol là où ils ont été déposés par l'astromobilePerseverance deMars 2020, et d'autre part une fusée MAV (Mars Ascent Vehicle) àpropergol solide, qui doit ramener les échantillons sur une orbite basse martienne. Le déroulement de cette mission est le suivant[136] :
Earth Return Orbiter (ERO), développé par l'Agence spatiale européenne, est un engin spatial qui doit se placer sur une orbite basse martienne. Il sert de relais de télécommunications durant les opérations au sol de SRL puis récupère le container amené en orbite par la fusée MAV. Après avoir quitté l'orbite martienne il regagne la Terre. Arrivé à proximité de celle-ci en 2031, il largue la capsule contenant les échantillons de sol martien qui vient se poser en douceur à la surface de la Terre. Le déroulement détaillé de cette mission est le suivant[136] :
Un message caché fut conçu par les ingénieurs de la NASA. La devise duJet Propulsion Laboratory« Dare Mighty Things » et lescoordonnées géographiques du JET sont représentées encode binaire sur les motifs du parachute[139].
Plusieurs objets symboliques sont présents dans l'astromobile comme uncadran solaire ou une plaque avec un « portrait de famille » des astromobiles martiens (deSojourner àPerseverance)[140].
Comme pour les autres missions d'exploration du système solaire de la NASA, l'astromobilePerseverance embarque des puces ensilicium sur lesquelles ont été gravés à l'aide d'unfaisceau d'électrons les noms de personnes désireuses d'y figurer. Dans le cadre de l'opérationSend your name (Envoyez votre nom) 10 932 295 personnes de tous les pays[Note 19] ont fourni leurs coordonnées (nom/prénom, pays, code postal) sur le site de la NASA et ont pu imprimer une carte d'embarquement symbolique pour Mars à leur nom. Les trois puces gravées sont fixées sur une plaque enaluminium elle-même vissée sur l'arceau arrière de la structure de l'astromobile. Elles sont situées dans lechamp de vue des caméras du mât. Les puces contiennent également les 155 textes des finalistes ayant concouru pour baptiser l'astromobile[141],[142].
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