Pour les articles homonymes, voirMSL.
Cet article concerne le contexte, les objectifs et les caractéristiques techniques de la mission Mars Science Laboratory vers Mars. Pour le déroulement de la mission du roverCuriosity sur Mars, voirExploration de Mars parCuriosity.
| Organisation |  NASA |
|---|---|
| Constructeur | Jet Propulsion Laboratory |
| Domaine | Composition moléculaire et atomique du sol de Mars, géologie |
| Statut | Mission en cours |
| Autres noms | Curiosity (rover uniquement) |
| Lancement | |
| Lanceur | Atlas V 541 |
| Début de mission opérationnelle | |
| Fin de mission | Vers 2026 |
| Durée de vie | 22mois (mission primaire) |
| Identifiant COSPAR | 2011-070A |
| Site | NASA Site JPL |
| Distance parcourue | 28,7 km (13 octobre 2022) |
|---|
| Masse au lancement | 899 kg (rover) |
|---|
| MastCam | Camérasspectromètres |
|---|---|
| MAHLI | Caméramicroscope |
| APXS | Spectromètre àrayons X etparticules alpha |
| ChemCam | Ensemble comprenant un triple-spectromètre, un télescope pour focaliser l'ablation parlaser et un micro-imageur (technique LIBS) |
| CheMin | Diffractomètre etspectromètre fluorescence X |
| SAM | Laboratoire d'analyse chimique |
| RAD | Détecteur deradiations |
| DAN | Détecteur deneutrons |
| REMS | Station météorologique |
| MARDI | Caméra de descente |
Mars Science Laboratory (MSL, en français « Laboratoire de science martienne ») est une mission d'exploration de laplanèteMars à l'aide d'unastromobile (rover) développé par le centreJPL associé à laNASA, l'agence spatialeaméricaine. Lasonde spatiale est lancée le par un lanceurAtlasV. Le site d'atterrissage, sur lequel la sonde spatiale s'est posée le, se situe dans lecratère Gale. Celui-ci présente, dans un périmètre restreint, donc compatible avec l'autonomie du rover, des formations reflétant les principalespériodes géologiques de la planète dont celle — leNoachien — qui aurait pu permettre l'apparition d'organismes vivants. Au cours de sa mission, l'astromobile, nomméCuriosity, va rechercher si unenvironnement favorable à l'apparition de lavie a existé, analyser la compositionminéralogique, étudier lagéologie de la zone explorée et collecter des données sur lamétéorologie et lesradiations qui atteignent lesol de la planète. La durée de la mission est fixée initialement à uneannée martienne soit environ 669 sols (jours solaires martiens) ou 687 jours (solaires) terrestres.
Le roverCuriosity est cinq fois plus lourd que ses prédécesseurs, lesMars Exploration Rovers (MER), ce qui lui permet d'emporter75 kg de matériel scientifique, dont deux mini-laboratoires permettant d'analyser lescomposantsorganiques etminéraux ainsi qu'un système d'identification à distance de la composition des roches reposant sur l'action d'unlaser. Les laboratoires embarqués sont alimentés par un système sophistiqué de prélèvement et de conditionnement d'échantillons comprenant uneforeuse. Pour répondre aux besoins accrus d'énergie et s'affranchir des contraintes de l'hiver martien et des périodes nocturnes, le rover utilise ungénérateur thermoélectrique à radioisotope qui remplace lespanneaux solaires mis en œuvre par les précédentes missions. Enfin, il bénéficie delogiciels évolués pour naviguer sur le sol martien et exécuter les tâches complexes qui l'attendent. Le rover est conçu pour parcourir20 km et peut gravir des pentes de 45°.
Lasonde spatiale au départ de laTerre a une masse de3,9 tonnes et comprend un étage de croisière chargé d'amener la sonde jusqu'à proximité de la planète Mars, un véhicule derentrée atmosphérique qui assure la traversée de l'atmosphère martienne à grande vitesse et un étage de descente chargé de la dernière phase aboutissant à l'atterrissage. Pour parvenir à poser le rover de899 kg sur le sol martien avec la précision demandée par les objectifs scientifiques, la technique d'atterrissage utilisée par ses prédécesseurs a été profondément modifiée : la phase de rentrée atmosphérique est en partie pilotée pour restreindre la zone d'atterrissage à uneellipse longue de 20 km et large de 7 km. Le rover est déposé en douceur sur le sol par un étage de descente fonctionnant à la manière d'unhélicoptère-grue, seule méthode compatible avec sa masse.
MSL constitue la mission interplanétaire de la NASA la plus ambitieuse dela décennie. La complexité de la sonde et du rover ainsi que la nécessité de mettre au point de nouvelles technologies spatiales ont entraîné des modifications importantes du concept de départ durant le développement : les dépassements de coût qui en ont résulté ont failli entraîner l'annulation de tout le projet. Le lancement prévu initialement en2009 a dû être repoussé à lafenêtre de lancement suivante,26 mois plus tard, en2011. Le coût total du projet est évalué en 2011 à 2,5 milliards dedollars.
Depuis le début de l'exploration spatiale, la planète Mars constitue l'objectif favori des missions interplanétaires lancées dans leSystème solaire[1]. Contrairement aux autresplanètes du Système solaire, Mars a sans aucun doute connu par le passé des conditions assez proches de celles régnant surTerre. Elles ont pu, mais cela reste à confirmer, permettre l'apparition de la vie. Mars conserve encore actuellement uneatmosphère ainsi que de l'eau sous forme de glace dans les pôles[2]. Sa proximité permet d'y envoyer relativement facilement des sondes spatiales. Également, Mars constitue une destination incontournable si l'humanité doit se lancer dans un programme spatial habité ambitieux. Dans cette perspective, il est nécessaire d'effectuer des missions de reconnaissance. A ce jour (8 août 2022), soit après 10 ans sur Mars,Curiosity est toujours aussi actif que le premier jour.
Sur le plan scientifique l'exploration de Mars comporte trois objectifs :
Depuis le début de l'ère spatiale, l'exploration de Mars est confiée à desmissions robotiques 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 la 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 mesure son sous-sol.
Mariner 4 est la première sonde interplanétaire à s'être approchée de Mars, le ; elle a alors anéanti l'image d'une planète aux caractéristiques proches de la Terre en renvoyant les premières photos d'un monde désolé criblé decratères d'impact, assez proche en apparence de laLune. Le premier orbiteur martienMariner 9 (1971) a nuancé cette vision en montrant que Mars présentait des formations géologiques variées :canyons,volcans,calottes polaires, champs de dunes. Cette première vague d'engins d'exploration, dont certainssoviétiques commeMars 3 (1972) etMars 6 (1974), s'est conclue avec les deux orbiteurs et les deux atterrisseurs duprogramme Viking (1975). Ces derniers transportaient un mini-laboratoire chimique susceptible de détecter l'existence de formes de vie. Les résultats des analyses, ambigus, ont été généralement interprétés comme une réponse négative. Les vingt années suivantes ont marqué une pause dans l'envoi de missions vers Mars, entrecoupées de trois échecsaméricains et soviétiques. Toutefois certaines découvertes ont remis en question l'idée d'une planète Mars stérile : desformes de vie ont été découvertes dans des lieux particulièrement hostiles, sur Terre, au fond desocéans ou dans desrégions désertiques. L'orbiteurMars Global Surveyor (1996) marque le retour de la NASA vers Mars. Il découvre des régions riches enhématite grise — unoxyde de fer qui se forme en présence d'eau —, détecte unchamp magnétique résiduel qui semble indiquer que par le passé Mars était protégé des rayons stérilisants venus de l'espace par une barrière magnétique, et enfin trouve plusieurs manifestations d'une atmosphère dynamique comme la présence deravines, absentes des photos prises par les missions précédentes, et qui auraient pu être formées par l'action de l'eau. 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 découvrent des sédiments argileux qui n'ont pu apparaître qu'en présence d'eaux de surface peuacides, donc dans un environnement 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 : dépôts d'argiles, decarbonates et desulfates. 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[3].
Lesatterrisseurs (fixes) et lesrovers mobiles, capables de circuler sur le sol, ont jusqu'àCuriosity joué un rôle plus modeste dans l'exploration de Mars : ils sont essentiellement chargés de valider sur le terrain les déductions tirées des observations des orbiteurs. MSL prend la suite des deux atterrisseursViking statiques qui ont tenté d'identifier des traces du vivant (1975), de l'atterrisseurPathfinder (1996) qui pour la première fois a mis en œuvre le rover de taille modeste (10,6 kg) baptiséSojourner, des roversMER (2003) de174 kg qui sont les premiers à avoir effectué un véritable travail degéologue sur le terrain avec toutefois une palette d'instruments limitée par les contraintes de poids et enfin de l'atterrisseur statiquePhoenix (2008) chargé d'étudier la région du pôle Nord martien.
Poser un engin sur le sol martien est un exercice difficile, comme l'ont démontré les échecs de trois engins soviétiques et plus récemment deMars Polar Lander (1998) etBeagle 2 (2003). Mars a en effet unegravité forte si on la compare à laLune (un peu plus du tiers de celle de la Terre soit plus du double de la Lune) ; par ailleurs les sondes spatiales, pour parvenir jusqu'à la planète, doivent arriver à grande vitesse (environ 5 à 6 km/s). Un recours important au freinage à l'aide de moteurs-fusées comme cela s'est pratiqué sur la Lune (module lunaire duprogramme Apollo ou sondeLunokhod) est exclu car la masse à lancer serait hors de portée des fusées existantes et le coût serait prohibitif. Il est donc nécessaire d'exploiter les forces de freinage générées par le frottement de l'engin spatial dans l'atmosphère martienne. Mais celle-ci est ténue et de faible épaisseur : avec les techniques maîtrisées au moment de la conception du rover MSL, il n'est pratiquement pas possible d'acheminer par cette méthode un engin de plus d'une tonne sur le sol martien, c'est-à-dire le poids deCuriosity de Mars Science Laboratory[4].
| Caractéristique | Mars Science Laboratory | Mars Exploration Rover |
|---|---|---|
| Taille | 3 × 2,7 m 2,2 m de haut | 1,6 × 1,6 m 1,5 m de haut |
| Masse | 899 kg | 170 kg |
| Charge utile | 75 kg (10 instruments) | 5 kg (5 instruments) |
| Bras télécommandé | 2,1 mètres de long, 2 instruments, préparation d'échantillon | 0,8 mètre de long, 3 instruments |
| Énergie | 2 700 watts-heures parsol | 1 000 watts-heures parsol |
| Autonomie | 20 km | 700 m[Note 1] |
| Durée nominale de la mission | 98 semaines | 13 semaines[Note 2] |
L'un des objectifs majeurs desplanétologues spécialistes de Mars est de pouvoir analyser un échantillon du sol martien dans des laboratoires sur Terre. En1988, un projet de retour d'échantillon est élaboré mais son coût, évalué à l'époque à sept milliards de dollars américains[Note 3], est jugé beaucoup trop élevé par les décideurs. Au cours desannées 1990, le projet est réactivé par la NASA en partenariat avec leCNES : le scénario est élaboré en s'appuyant sur la « doctrine » des missions à bas coûts (better, faster, cheaper, en français « mieux, plus vite, moins cher ») promulguée par l'administrateur de la NASA de l'époqueDaniel Goldin. Mais l'échec des deux missions martiennes de1999,Mars Polar Lander etMars Climate Orbiter, produits de cette politique, ainsi qu'une approche plus réaliste des coûts[Note 4] mettent fin au projet de retour d'échantillon au début desannées 2000. La communauté scientifique poursuivait un autre objectif majeur, consistant à mettre en place un réseaugéophysique constitué de stations automatiques statiques, disposées à la surface de Mars et chargées de collecter des donnéesmétéorologiques,sismologiques etgéologiques. Au cours des années 1990, plusieurs projets (MarsNet,InterMarsNet[Note 5]) sont élaborés dans le cadre d'une coopération internationale pour mettre sur pied ce réseau de stations mais tous échouent pour des raisons financières[6].
Au début des années 2000, les projets martiens d'envergure ne sont plus à l'ordre du jour au sein de la NASA, comme dans le cadre d'une coopération internationale, faute d'appuis financiers. L'agence spatiale américaine développe les roversMER aux capacités limitées tandis que l'Agence spatiale européenne réalise son premier orbiteur martienMars Express[7]. Pour disposer d'une stratégie à moyen terme, la NASA demande à un groupe de travail représentant la communauté scientifique internationale, leMars Science Program Synthesis Group, de définir les orientations à donner à l'exploration martienne pour ladécennie 2010-2020. Lelivre blanc qui résulte des travaux de cette commission est produit en2003. Larecherche de l'eau qui avait servi de fil conducteur aux missions des années 1990 est remplacée par celle des composants permettant l'apparition de la vie. Quatre axes d'exploration sont identifiés avec des priorités qui pourront évoluer au fil des découvertes d'indices par les missions existantes — notammentMRO, dont le lancement est prévu en 2005 — ou futures :
La décision de lancer le développement du rover lourd et polyvalentMars Science Laboratory est prise en 2003 et découle directement de ces travaux. Son instrumentation lui permet d'étudier lachimie du carbone sur Mars, de fournir des données dépourvues d’ambiguïté sur la géologie martienne et d'analyser les dépôts hydrothermaux, c'est-à-dire de constituer un instrument adapté pour trois des axes de recherche envisagés. La précision de son atterrissage (marge d'erreur de moins de 20 km) et son autonomie garantie (au moins 20 km) permettent pour la première fois, dans une mission impliquant d'atterrir à la surface de Mars, de cibler les sites martiens les plus intéressants, caractérisés généralement par la présence de reliefs tourmentés ou par une surface peu étendue[8],[9]. Compte tenu de son coût, Mars Science Laboratory est rattaché auprogramme Flagship qui regroupe les missions interplanétaires les plus ambitieuses de la NASA dont le budget peut atteindre plusieurs milliards de dollars et qui sont lancées tous les dix ans environ[Note 6].
La missionMars Science Laboratory poursuit quatre objectifs principaux[10] :
Dans cette optique, et particulièrement du point de vue de l'habitabilité de la planète,Mars Science Laboratory devra travailler selon huit axes principaux[11],[12] :
Le choix du site d'atterrissage de Mars Science Laboratory est crucial pour le succès de la mission. Le site doit présenter un environnement géologique ou un ensemble d'environnements propices à la vie. Il doit permettre de réaliser la plus grande variété d'expériences afin de maximiser le nombre d'axes de recherche pouvant être explorés. Dans l'idéal, la région accessible depuis le site d'atterrissage doit présenter des spectres indiquant la présence simultanée de plusieursminérauxhydratés, par exemple desargiles avec dessulfates hydratés. L'hématite, d'autresoxydes de fer, lessulfates, lessilicates, ainsi peut-être que certainschlorures, pourraient avoir permis la fossilisation d'éventuelles formes de vie martiennes[13].
Les sites susceptibles d'avoir préservé d'éventuelles traces de vie passée présentent unetopographie marquée, offrant ainsi une grande variété d'affleurements et de roches. Les concepteurs de la missionMars Science Laboratory ont donc dû élaborer un véhicule capable d'atteindre et d'explorer de tels sites en toute sécurité[14]. Les contraintes techniques de la mission (masse de la sonde, scénario d'atterrissage) imposent de choisir un site d'atterrissage situé à moins de 45° de l'équateur de Mars et à moins de1 000 m d'altitude au-dessus duniveau de référence martien[15].
Pour sélectionner le meilleur site, la NASA lance un appel à idées auprès de la communauté scientifique internationale. Plus de90 propositions, regroupées en33 sites généraux, font l'objet d'études et sont classés au cours d'un1er congrès consacré à la sélection du site d'atterrissage de MSL qui a lieu en[16]. Ce congrès et les suivants sont ouverts à l'ensemble de la communauté scientifique. Quelques autres sites sont ajoutés à la première liste et examinés au cours du deuxième congrès qui se tient l'année suivante, en[17] et qui se conclut, après un classement puis un vote, par la sélection de dix sites[18]. Le3e congrès, qui a eu lieu en[19],[20],[21], remanie et réduit la sélection à sept sites : lecratère Eberswalde, lecratère Holden, lecratère Gale,Mawrth Vallis,Nili Fossae, lecratère Miyamoto et le sud deMeridiani Planum.
Quatre sites sont finalement retenus en[22]:
| Rang | Site | Coordonnées | Caractéristiques | Points forts | Points faibles |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Delta ducratère Eberswalde | 24.0° S, 327.0° E altitude : -1,45 km | Anciendeltaargileux en relief inversé à l'embouchure d'unbassin fluvial. | Stratigraphie diversifiée dans un cratère de5 km de profondeur datant du Noachien. | Processus de formation reste à mieux définir. La poussière recouvre peut être les sites intéressants. |
| 2 | Cône de déjection ducratère Holden | 26.4° S, 325.3° E altitude : −1,94 km | Cratère comportant des structures liées à un passé lacustre. | Systèmealluvial bien préservé avec des couches sédimentaires permettant de reconstituer le passé climatique. Roches de nombreux types couvrant une vaste période de l'histoire de Mars. | Les dépôts pourraient ne pas être liés au passé lacustre. Faible variété desphyllosilicates susceptibles de préserver des organismes vivants. |
| 3 | Cratère Gale | 4.6° S, 137.2° E altitude :−4,45 km | Cratère d'impact comportant un monticule central haut de5 km et parcouru de brèches. | Strates diversifiées sur le monticule central incluant des minéraux hydratés de typephyllosilicate etsulfate déposés à l'époque où le cratère était occupé par un lac. | Le contexte de la formation géologique reste mal maîtrisé. Les sites les plus intéressants se trouvent à l'extérieur de l'ellipse dans laquelle s'inscrit la zone d'atterrissage. |
| 4 | Mawrth Vallis | 24.0° N, 341.0° E altitude : −2,25 km | Anciennevallée fluviale avec une longue histoire hydrologique. | Accès aux roches les plus anciennes des quatre sites. Proportion particulièrement importante de roches hydratées diversifiées. | Pas de consensus sur le processus de sédimentation. Les instruments de MSL ne seront peut-être pas capables de fournir des informations permettant de retracer l'histoire géologique du site. |
Nili Fossae, qui présente également des caractéristiques intéressantes (notamment de l'hydrothermalisme libérant duméthane), est devancé de très peu parMawrth Vallis lors du vote de 2008, en raison des risques accrus à l'atterrissage par rapport à ce dernier. Le, laNASA demande à recevoir d'autres propositions de sites d'atterrissage, examinés lors du4e congrès de sélection, qui a lieu fin[25]. Cette réunion de travail est suivie d'une dernière, la2e semaine de, avant le lancement de la mission, programmé pour[26]. En juin, le nombre de sites d'atterrissage potentiel est réduit à deux :Gale etEberswalde. Le, le site du cratère Gale est finalement retenu comme cible de la missionMars Science Laboratory[27],[28].
Le rover embarque 10 instruments scientifiques qui doivent lui permettre de détecter d'éventuelles traces d'eau, analyser précisément lesroches, d'étudier lesminéraux présents à la surface deMars, mesurer lachiralité des molécules détectées, et effectuer desphotographies à hauterésolution. Certains de ces instruments sont développés avec la participation de laboratoires étrangers. Ces équipements se rangent dans quatre catégories[29] :
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LeMars Hand Lens Imager (en abrégé MAHLI) est une caméramicroscope montée sur le porte-outils situé au bout du bras du rover. Elle doit permettre de caractériser la composition et la microstructure des roches, du sol, du givre et de la glace identifiables à une échelle comprise entre le micron et le centimètre. Elle fournit des images en couleurs enlumière visible. La tête de la caméra est équipée de 4LED enlumière blanche pour éclairer la cible lorsque celle-ci est plongée dans l'ombre ou de nuit et 2 LED enultraviolet pour produire de lafluorescence et détecter ainsi les minérauxcarbonatés et lesévaporites. La caméra peut faire unemise au point de 20,5 mm à l'infini, son champ optique étant compris entre 34 et 39,4°. Au plus près de l'objet photographié le champ couvert est de 18 × 24 mm et larésolution maximale de 15micromètres parpixel grâce à uncapteur CCD de 1600 × 1200pixels. Deux capteurs permettent au système d'éviter un contact direct de l'optique avec l'objet photographié. MAHLI dispose d'unautofocus mais l'équipe au sol peut lui demander d'acquérir une séquence de 8 images du même objet avec des mises au point différentes pour obtenir une image tridimensionnelle car laprofondeur de champ au plus près est de 1,6 mm (et pourra ainsi réaliser une image avec une grande profondeur de champ grâce à un logiciel defocus stacking embarqué). MAHLI peut être également utilisée pour inspecter le rover ou la configuration du terrain : sa position en bout de bras lui permet d'être placée dans une position plus haute que les caméras MastCam décrites dans le paragraphe suivant. Lespectre lumineux couvert va de380 à 680 nm. La caméra a une capacité vidéo de 7 images par seconde au format720p (1280x720 pixels)[30],[31].
MastCam (Mast Camera) est un ensemble de deux caméras fixées au sommet du mât du rover MSL à une hauteur d'environ 1,97 mètre au-dessus du sol pouvant fournir des images en couleurs, enlumière visible et en procheinfrarouge. Elles sont utilisées pour identifier les caractéristiques géologiques des terrains environnants et reconstituer la topographie du site. Elles doivent également enregistrer les phénomènes météorologiques (nuages, givre, poussières soulevées par le vent) et apporter leur contribution dans les tâches de navigation. Elles peuvent observer des détails d'une taille allant jusqu'à 0,15 mm. Selon les plans initiaux, les deux caméras devaient être identiques et munies d'unzoom avec unefocale allant de 6,5 à 100 mm (rapport de 15). À la suite d'arbitrages budgétaires et après plusieurs rebondissements, deux caméras à focale fixes ont été finalement sélectionnées : à gauche, une caméra « grand angle » de focale de 34 mm (baptisée MastCam 34) ouvrant à f/8 et couvrant un champ de 15°x15°, et à droite, une caméra dotée d'untéléobjectif de 100 mm (baptisée MastCam 100) ouvrant à f/10 et couvrant un champ de 5,1°x5,1°. La caméra grand angle peut réaliser un panorama de 360° en 25 minutes par superposition de 150 photos[32].
Huitfiltres avec unebande passante s'étageant entre 440 nm et 1035 nm peuvent être placés devant l'objectif. Seuls trois de ces filtres sont communs aux deux caméras. Contrairement aux modèles embarqués jusque-là sur les atterrisseurs et les rovers, une image en couleur est obtenue sans avoir à superposer 3 photos prises avec des filtres bleu-vert-rouge. L'image est enregistrée par un capteur de 1 200×1 600pixels au formatcompresséJPEG ou au format brutRAW. Les images prises sont stockées dans unemémoire flash de 8gigaoctets qui peut conserver 5 500 photos. Cette capacité de stockage est toutefois juste suffisante pour enregistrer unpanorama en utilisant l'ensemble des filtres disponibles. Lamise au point se fait de 2,1 m à l'infini : celle-ci peut être fixée par l'équipe sur Terre ou être déterminée par unautofocus. Ladurée d'exposition peut être également calculée automatiquement ou imposée par les contrôleurs au sol. Les caméras peuvent enregistrer desvidéos au format720p (1280x720 pixels) à la cadence de 10 images par seconde ou de 5 images par seconde en utilisant toute la surface du capteur[33],[34].
MARDI (MARs Descent Imager) est une caméra en couleur montée sous le châssis du rover et chargée de cartographier le site d'atterrissage durant la descente vers le sol martien. Elle couvre un champ de 70°x55°. La caméra doit prendre environ 500 photos (5 photos par seconde) à partir d'une altitude de 3,7 km (zone photographiée de 3 × 4 km) jusqu'à l'atterrissage (zone photographiée de 1 × 0,75 mètre) avec une résolution croissante de 2,5 mètres par pixel à 1,5 mm par pixel, soit sur une période de 2 minutes. La caméra comporte une mémoire de 8 gigabits qui permet théoriquement de stocker 4 000 photos en modeRAW. Les photos doivent être enregistrées dans ce mode et compressées avant leur transmission à Terre bien que la caméra puisse réaliser cette compression en temps réel. Ces photos seront utilisées par l'équipe au sol pour situer le site d'atterrissage et identifier les sites intéressants sur le plan géologique se trouvant à proximité du lieu d'atterrissage. Il est prévu que les mouvements de giration à grande vitesse angulaire qui animeront la sonde durant la descente sous parachute et les vibrations générées par les moteurs-fusées de l'étage de descente rendent un grand nombre de photos floues malgré un temps d'exposition de 1,3 milliseconde. La caméra a une résolution utile de 1600 × 1200pixels. MARDI avait été éliminée de la charge utile de MSL lors des premiers arbitrages financiers en 2007 avant d'être réintégrée par la suite[35],[36].
ChemCam (“CHEMistry CAMera”) est un instrument qui permet d'analyser à distance la nature, la composition et l’état d'altération des roches. Il utilise pour la première fois sur un engin spatial la technique d'analyse spectroscopique induite parablation laser : un laser pulsé tire sur la roche à analyser provoquant la fusion de sa couche superficielle et générant unplasma. Lalumière dedésexcitation émise dans levisible et l'ultraviolet est collectée par untélescope et envoyée à desspectromètres qui établissent la composition chimique élémentaire de la roche. Avec une portée de7 mètres, cet instrument permet d'analyser rapidement plusieurs échantillons de sol ou de roche et de déterminer s'il y a lieu de poursuivre l'analyse avec d'autres instruments. De plus son utilisation consomme relativement peu d'énergie. ChemCam est composé d'une partie optique montée au sommet du mât du rover et de trois spectromètres abrités dans le corps du rover avec la majorité de l'électronique. La partie optique comprend le laser qui envoie des impulsions venant frapper la cible sur un diamètre de0,3 à 0,6 mm durant 55 nanosecondes pour effectuer des mesures par le procédé LIBS(Laser-Induced Breakdown Spectrometer). De 50 à 70 impulsions successives sont nécessaires pour obtenir une analyse spectrale correcte de la roche. L'optique de 110 mm utilisée pour viser la cible avec le laser permet de recueillir l'image renvoyée et de la transmettre parfibre optique aux spectromètres. Les spectromètres analysent la lumière sur unelongueur d'onde allant de 240 à 850 nm avec une résolution de 0,09 à 0,3 nm. La partie optique comprend également une caméra (Remote Micro-Imager ou RMI) fournissant une image du contexte de l'échantillon analysé. Commandée auCNES par laNASA, la réalisation de ChemCam est confiée auCESR/Observatoire de Toulouse. Celui-ci demande auCEA, grâce à la plateforme « laser nanoseconde pour applications industrielles » du département de physique et chimie, de réaliser les études préliminaires et la mise au point. La partie optique de l'instrument est développée par l'IRAP àToulouse sur la base d'un laser développé parThales[37], sous financement CNES, tandis que les spectromètres et l'intégration de l'instrument sont placés sous la responsabilité duLaboratoire national de Los Alamos[38].
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APXS (Alpha-Particle-X-ray-Spectrometer) est unspectromètre àrayons X qui doit mesurer l’abondance deséléments chimiques lourds dans les roches et le sol. Il combine les techniques de laspectrométrie de fluorescence X et de lasonde nucléaire PIXE. L'instrument utilise ducurium 244 comme source de rayons X. Il peut déterminer l'abondance relative des éléments allant dusodium aubrome. Le capteur est monté sur le porte-outils situé au bout du bras du rover tandis que l'électronique se trouve dans le corps central du rover. La tête de l'instrument, dont la partie active a un diamètre de1,7 cm, est placée à moins de2 cm de l'échantillon à analyser durant une période allant de 15 minutes à 3 heures et restitue dans ce dernier cas jusqu'à 13 spectres électromagnétiques. Il s'agit d'une version améliorée d'un instrument qui a équipé les rovers Mars Pathfinder et MER. La demi-vie du curium 244 (18,1 ans) garantit qu'il sera opérationnel même si la mission est prolongée à plusieurs reprises. Contrairement à l'instrument de MER il peut être utilisé de jour grâce à un système de refroidissement électrique. Il est de 3 à 6 fois plus sensible que l'instrument équipant les rovers MER et le spectre analysé va jusqu'à25 keV au lieu de15 keV. Une analyse de trois heures permet de détecter une quantité denickel de 100 parties par million et de20 ppm de brome. La détection de certains éléments comme lesodium, lemagnésium, l'aluminium, le silicium, lecalcium, lefer et lesoufre peut être obtenue au bout de 10 minutes si leur abondance est supérieure à 0,5 %. Un échantillon de rochebasaltique monté sur le bras est utilisé pour calibrer périodiquement l'instrument. APXS est fourni par l'université de Guelph auCanada[39].
CheMin (Chemistry & Mineralogy) est un instrument qui effectue l'analyse minéralogique d'échantillons de roches pardiffraction X et parfluorescence des rayons X. La première technique permet d'identifier lastructure cristalline des composants de l'échantillon tandis que la deuxième méthode fournit la composition en éléments et laconcentration massique des différents éléments. Durant la phase de développement la capacité de l'instrument dans le domaine de la fluorescence des rayons X qui devait être fournie par unediode PIN a été réduite avec l'abandon de ce composant. L'objectif est de détecter la présence de minéraux formés en présence d’eau. CheMin est logé dans la partie avant du corps du rover avec des ouvertures débouchant sur le pont supérieur permettant au bras d'introduire l'échantillon à analyser qui a été préparé auparavant. L'échantillon est introduit dans une capsule d'analyse situé sur un plateau tournant comprenant 26 autres capsules utilisables. Une analyse complète dure généralement 10 heures et est effectuée de nuit pour permettre le refroidissement ducapteur CCD à−60 °C[40].
SAM (Sample Analysis at Mars) est un mini laboratoire qui doit contribuer à déterminer l'habitabilité présente et passée de la planète. SAM est composé de trois instruments qui sont destinés à fournir la composition chimique (moléculaire, élémentaire etisotopique) de l'atmosphère et de la surface de Mars. Cette suite d'instruments est essentiellement destinée à la recherche d'indices possibles de vie passée sur Mars, ou d'une activitéprébiotique, principalement par la recherche et la caractérisation des molécules organiques qui peuvent se trouver dans le sol martien. SAM comprend les éléments suivants[41] :
SAM est situé, comme CheMin, dans la partie avant du corps du rover, avec des ouvertures débouchant sur le pont supérieur pour introduire les échantillons solides, et d'autres sur l'avant du rover pour les échantillons gazeux.
RAD (Radiation Assessment Detector) caractérise l'ensemble desparticules élémentaires chargées (protons,électrons, noyaux d’hélium…) ou non (neutrons) qui atteignent le sol martien : ces particules sont émises par leSoleil ou sont d'origine plus lointaine (rayon cosmique). L'instrument doit identifier la nature des particules ainsi que mesurer leur fréquence et leur énergie. Les données recueillies doivent permettre de :
Les particules étudiées par RAD sont les ions d'unemasse atomique allant jusqu'à 26, les neutrons énergétiques et lesrayons gamma ayant une énergie comprise entre10 et 100 MeV par noyau. L'instrument comprend untélescope à particules chargées comportant trois détecteursplans utilisant desdiodes PIN sur supportsilicium, uncalorimètre à base deiodure de césium et unscintillateur plastique sensible aux neutrons. Un système anti-coïncidence fournit unblindage au calorimètre et au scintillateur[44],[45].
DAN (Dynamic of Albedo Neutrons) est un détecteur actif et passif de neutrons qui doit mesurer l’hydrogène présent dans la couche superficielle du sol martien (moins de1 mètre de profondeur) le long de la trajectoire suivie par le rover. Ces données doivent permettre de déduire l'abondance de l'eau sous forme libre ou dans des minéraux hydratés. Cet instrument est développé par l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie[46].
REMS (Rover Environmental Monitoring Station) est unestation météorologique qui mesure la pression atmosphérique, l’humidité, les radiations ultraviolettes, la vitesse du vent, la température du sol et de l’air. Les capteurs sont répartis sur plusieurs emplacements : deux grappes d'instruments sont attachés au mât de la caméra (Remote Sensing Mast RSM), à 1,5 mètre au-dessus du sol, et pointent dans deux directions écartées de 120° pour obtenir une bonne mesure de la direction et de la force des vents locaux ; sixphotodiodes sont situées sur le pont supérieur du rover et mesurent le rayonnement ultraviolet dans différentes longueurs d'onde. Enfin l'électronique de l'instrument située au sein du corps du rover est reliée à l'extérieur par un canal afin de mesurer la pression atmosphérique. L'instrument REMS est fourni par le Centro de Astrobiologia (CAB)espagnol[47].
Le véhicule de rentrée comprend un ensemble, baptisé MEDLI (MSL EDL Instrument) qui permet aux équipes au sol un suivi des paramètres atmosphériques et du comportement de la sonde MSL durant larentrée atmosphérique. Les informations recueillies doivent permettre d'améliorer la conception des futurs sondes spatiales martiennes. MEDLI comprend[48] :
Le recueil des données démarre 10 minutes avant la rentrée atmosphérique avec une fréquence d'échantillonnage de 8 Hz et s'achève après le déploiement du parachute soit 4 minutes après la rentrée atmosphérique. Pour des raisons de volumes seule une faible partie des données recueillies est transmise en temps réel, le reste étant envoyé au cours du premier mois de la mission au sol.
Les caméras de navigation, bien que ne faisant pas partie des instruments scientifiques, fournissent dans certains cas des images exploitées à des fins scientifiques. Quatre paires redondantes, ditesHazCam (Hazard Avoidance Cameras), sont montées deux par deux à l'avant et à l'arrière du corps du rover. Ces appareils dotés d'unobjectif fisheye avec un champ optique de124° fournissent des images en noir et blanc permettant de reconstituer une image tridimensionnelle de ce qui se situe devant et derrière le rover jusqu'à3 mètres de distance et sur une largeur de4 mètres. Deux autres paires de caméras (Navigation Cameras ou NavCams) montées au sommet du mât du rover de part et d'autre des caméras à usage scientifique MastCam, permettent d'obtenir des panoramiques en relief sur un champ de 45°[49].
La sonde spatiale Mars Science Laboratory, comme les engins de sa catégorie qui l'ont précédée, se compose de quatre éléments principaux (cfschéma 1) :
| Composant principal | Référ. schéma | Sous-composant | Masse | Commentaire |
|---|---|---|---|---|
| Étage de croisière | 1 | - | 540,3 kg[50] | dont 73,8 kg de carburant |
| Véhicule de rentrée et étage de descente | 5 | Bouclier thermique avant | 440,7 kg[51] | |
| 2 | Bouclier arrière | 576,6 kg[51] | ||
| 3 | Étage de descente | 1 068 kg[52] | dont 397 kg de carburant | |
| - | Total | 2 085,3 kg | ||
| RoverCuriosity | 4 | - | 899 kg[53] | |
| Sonde spatiale MSL | - | Masse totale | environ 3 524,6 kg |
L'étage de croisière est une structure cylindrique en aluminium de4 mètres de diamètre et de faible hauteur d'une masse de 540,3 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 a achevé sa mission et constitue désormais une masse pénalisante, est largué avant que le véhicule de rentrée n'entame larentrée atmosphérique. La conception de l'étage de croisière est identique à celle utilisée par les sondes Mars Pathfinder et MER. Il effectue à l'aide de son système de propulsion les 5 à 6 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[50],[54],[55].
L'étage de croisière sert d'interface durant le lancement entre la fusée et la sonde spatiale. À l'approche de Mars, peu avant la séparation avec l'étage de rentrée qui prend la conduite de la phase suivante, il fournit à celui-ci les dernières instructions de l'équipe au sol envoyées par les équipes du JPL et recueillies par ses deux antennes fonctionnant enbande X. Durant le transit entre la Terre et Mars il transmet à la Terre les informations sur l'état de la sonde collectées par l'ordinateur de bord du rover. À l'aide d'unviseur d'étoiles l'étage de croisière détermine en permanence sa position et son orientation en utilisant comme repère des étoiles de laVoie lactée et effectue les corrections de trajectoire préprogrammées à l'aide de son système de propulsion constitué de 8 petits moteurs-fusées consommant de l'hydrazinehypergolique stockés dans deux réservoirs entitane contenant 73,8 kg de carburant[Note 7]. Les équipements de l'étage de croisière doivent maintenir la température de l'étage de croisière mais également des autres composants de la sonde dans des limites acceptables. La chaleur produite par le générateur isotopique est transféréevia unfluide caloporteur circulant dans une tuyauterie et est utilisée pour maintenir l'électronique de bord à une température suffisante. L'excédent de chaleur est évacué par 10radiateurs situés sur la tranche du cylindre. L'étage de croisière dispose de son propre système de production d'énergie constitué par 6panneaux solaires d'une superficie de 12,8 m2 produisant entre 2 500 watts au niveau de l'orbite terrestre et 1 080 watts à proximité de Mars. Pour stabiliser l'orientation de la sonde durant le trajet Terre-Mars, le système de propulsion de l'étage de croisière maintient MSLen rotation autour de son axe à une vitesse de 2 tours par minute[54],[56].
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 le rover 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 duprogramme Viking 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 permettre un atterrissage de précision. Le bouclier encapsule l'étage de descente et le rover et est solidaire de l'étage de croisière durant le transit Terre-Mars[57],[58].
Lebouclier thermique avant, d'une masse de 440,7 kg, est une structure de 4,5 m de diamètre c'est-à-dire que sa taille est supérieure au bouclier de la capsule Apollo (4 m) et à celui utilisé par les rovers MER (2,65 m). Il y a une relation directe entre le diamètre du bouclier, l'efficacité du freinage atmosphérique et la masse qui peut être posée sur le sol martien en toute sécurité. Le diamètre retenu est la valeur maximale autorisée par les caractéristiques géométriques du lanceur et des installations de lancement[Note 8]. La masse de MSL se situe très près de la limite supérieure autorisée par ce diamètre[Note 9]. Le bouclier est recouvert d'un assemblage de tuiles faites d'un matériau ablatif, le PICA, qui évacue la chaleur en s'évaporant progressivement[57],[58].
Le bouclier arrière, d'une masse de 576,6 kg, doit faire face à des températures moins extrêmes. Sa structure, réalisée ennid d'abeilles d'aluminium subit des contraintes thermiques fortes du fait du rôle très actif joué par lesmoteurs-fusées durant la rentrée atmosphérique et il a fallu utiliser le matériau ablatif mis en œuvre sur le bouclier thermique avant par ses prédécesseurs. Il est percé de quatre ouvertures par lesquelles débouchent les tuyères des 8 moteurs-fusées d'unepoussée de 308newtons[59] utilisés pour contrôler l'angle d'attaque et plus généralement l'orientation de l'engin : le ratioportance/traînée (lafinesse est ainsi adaptée en permanence durant larentrée atmosphérique ce qui permet de corriger les erreurs de trajectoire). Des lests entungstène, représentant une masse totale de 300 kg, sont largués avant et après la rentrée atmosphérique pour modifier lebarycentre de la sonde. Le bouclier arrière comporte deux panneaux d'accès qui permettent d'intervenir jusqu'au dernier moment avant le lancement. Le bouclier est coiffé par le compartiment duparachute qui est déployé lorsque la vitesse de la sonde tombe en dessous de Mach 2. À la base de ce compartiment se trouvent lesradômes des deux antennes à faiblegain (l'une d'elles est inclinée) : celles-ci sont utilisées pour transmettre à la Terre des informations sur le déroulement de la rentrée atmosphérique.
L'étage de descente prend en charge la dernière phase de la descente et dépose en douceur le rover sur le sol martien. Il met en œuvre une architecture complètement différente de celle retenue pour les atterrisseurs martiens qui l'ont précédé[60] :
La masse deCuriosity exclut le recours aux coussins gonflables. Les concepteurs de MSL n'ont pas voulu reprendre le concept développé pour Viking et Phoenix car il comporte des risques importants de perte du rover si l'atterrissage s'effectue dans une zone parsemée de rochers, en pente ou en présence de vents forts. Le roverCuriosity est descendu au bout de 3 câbles longs de 7,5 mètres par l'étage de descente, qui reste en position fixe au-dessus du sol à la manière d'un hélicoptère-grue grâce à ses moteurs-fusées : le rover est ainsi posé à très faible vitesse (0,75 m/s) sur le sol martien. Cette technique permet tout à la fois de poser le rover sur un sol pentu ou comportant des rochers, d'éviter que le souffle des moteurs ne soulève la poussière du sol et supprime le recours à un système de débarquement depuis l'étage de descente. Il se traduit par contre par une grande complexité de la phase de développement en particulier du système de guidage, navigation et pilotage[60].
Pour réaliser sa mission, l'étage de descente, d'une masse de 1 068 kg, comprend[60],[61] :
LeroverCuriosity est un engin particulièrement imposant avec une masse de 899 kg à comparer aux 174 kg pour lesroversSpirit etOpportunity, et à peine 10,6 kg pourSojourner. Sa taille lui permet d'embarquer 75 kg d'instruments contre 6,8 kg pour les rovers MER. Le rover est long de 2,7 m. La partie centrale du rover montée sur roues, la « boîte électronique chaude » (warm electronics box ou WEB) renferme l'électronique et les deux instruments scientifiques qui doivent analyser les échantillons de sol et de roche. Un mât, qui est implanté sur l'avant de ce boîtier et qui culmine à 2,13 m, porte plusieurs caméras, des sondes atmosphériques, ainsi que le spectromètre laser. Le bras télécommandé est articulé à l'avant du rover et supporte à son extrémité les équipements de prélèvement d'échantillon ainsi que deux instruments scientifiques. L'arrière du boîtier est occupé par legénérateur thermoélectrique à radioisotope que surplombent les antennes de télécommunications.
Le rover doit parcourir des terrains présentant des irrégularités (rochers), 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. Toutefois plusieurs caractéristiques permettent au rover de mieux faire face à ces difficultés que ses prédécesseurs.Curiosity peut s'aventurer sur des pentes à45° sans se retourner. Il peut escalader des rochers ou franchir des trous d'une hauteur supérieure au diamètre de ses roues (50 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. Les 6 roues, qui comportent à leur surface des cannelures pour une meilleure prise dans un sol mou ou sur des rochers présentant une face abrupte, sont équipées chacune d’un moteur individuel. Chacune des 4 roues d'extrémité comporte un moteur agissant sur la direction ce qui permet au rover de pivoter sur place[62].
Le roverCuriosity dispose d'une source d'énergie indépendante de l'éclairement. Elle provient d'un générateur électrique nucléaire[63]. Il s'agit plus précisément d'ungénérateur thermoélectrique à radioisotope (GTR) de nouvelle génération, leMMRTG développé par leDOE et produit parBoeing, utilisant une charge de 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[63] par desthermocouples à base de nouveaux matériauxthermoélectriques, à savoirPbTe/TAGS[64] au lieu des anciens composantssilicium-germanium. Le rover dispose de 2,7 kWh/j au lieu de 0,6 à 1 kWh/j surOpportunity, dont la puissance résiduelle, le (après 1884 sols) n'était plus que de 460 Wh/j. De surcroît, cette puissance sera indépendante de l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'imposera donc pas d'arrêter la mission pendant l'hiver martien, contrairement au cas de Spirit et d'Opportunity. MSL 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[Note 11].
Le rover dispose de deux ordinateurs identiques« radiodurcis » pour résister auxrayons cosmiques. Ils utilisent tous deux unmicroprocesseurRAD750 fournissant une puissance de 400 MIPS à 200 MHz[65], successeur duRAD6000 utilisé par lesMars Exploration Rovers. Chaque ordinateur comporte 256 Ko d’EEPROM, 256 Mo demémoire DRAM et 2 Go demémoire flash. L'ordinateur de bord deCuriosity a une capacité dix fois supérieure à celle des rovers MER. Il pilote les activités du rover à la surface de Mars mais il joue également le rôle d'ordinateur de bord pour l'ensemble de la sonde durant toutes les phases allant du lancement jusqu'à l'arrivée sur le sol martien[66].
Comme les rovers MER, le rover MSL dispose d'un bras (Robot Arm RA) portant à son extrémité un ensemble d'outils utilisés pour analyserin situ des échantillons de sol et de roche ; le bras permet également de recueillir des échantillons qui sont analysés par les mini-laboratoires SAM et CheMin. Le bras est fixé sur la face avant du rover et, lorsqu'il est à son extension maximale, permet de positionner le porte-outils à 1,9 mètre de celle-ci. 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. Le volume d'espace accessible forme un cylindre vertical de 80 cm de diamètre, 100 cm de haut positionné à 1,05 mètre de la face avant du rover et dont la base peut se situer, sur un terrain plat, à 20 cm au-dessous du niveau du sol[67].
Le porte-outils, dont le diamètre extérieur est de 60 cm, comprend cinq outils[67] :
Les échantillons du sol martien peuvent être recueillis à l'aide de la foreuse qui comporte un système de collecte de la roche broyée ; celui-ci est relié par une canalisation au système de préparation d'échantillons CHIMRA. L'échantillon peut être également recueilli par la pelleteuse incluse dans ce dernier équipement. En utilisant des mouvements de vibration imprimés à CHIMRA, en faisant marcher le système de percussion de la foreuse et à l'aide de mouvements de rotation du porte-outils exploitant la gravité martienne, l'échantillon est transféré au sein de CHIMRA dans des chambres de stockage puis, en passant par des tamis aux mailles plus ou moins fines, dirigé vers l'un des deux compartiments dont le contenu sera analysé : l'un d'une capacité de 45 à 65 mm3 ne peut accueillir que des composants solides d'un diamètre inférieur à 150 microns à destination de CheMin, l'autre, d'une capacité de45 à 130 mm3, peut recevoir des composants solides d'un diamètre allant jusqu'à 1 mm. Le bras de MSL positionne alors l'ouverture du compartiment choisi au-dessus de l'ouverture d'un des deux instruments scientifiques (CheMin ou SAM) située sur le pont supérieur du rover : le contenu du compartiment à échantillon est alors déversé dans l'instrument scientifique après ouverture de portes en imprimant des vibrations à CHIMRA. L'échantillon peut être également déversé sur un petit plateau d'observation situé à l'avant du rover et étudié à l'aide de la caméra microscope et du APXS situés à l'extrémité du bras. Pour nettoyer le contenu de CHIMRA entre deux prélèvements d'échantillon, les différentes chambres de cet équipement sont ouvertes, mises en vibration pour évacuer complètement leur contenu et peuvent être examinées à l'aide des caméras du rover[68].
Pour s'assurer que les échantillons de sol martien analysés par SAM ou CheMin ne sont pas contaminés par des composants venus de la Terre qui auraient résisté aux procédures de stérilisation effectuées avant le départ, des vérifications peuvent être effectuées à cinq reprises au cours du séjour sur Mars : à cet effet cinq échantillons de référence ditsOrganic Check Material (OCM) ont été fixés sur le devant du rover dans des boîtiers scellés. Ces OCM contiennent du dioxyde de silicium amorphe dopés avec de petites quantités de produits organiques qui n'existent ni sur Terre nia priori sur Mars. La foreuse est utilisée pour prélever un échantillon qui est ensuite analysé par SAM pour s'assurer qu'il ne détecte pas d'autres composants d'origine terrestre[69].
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 à Terre, le rover dispose de plusieursantennes. Une antenne hélice quadrifilaire fonctionnant en bandeUHF est utilisée pour les communications à courte portée avec les sondes en orbite autour de Mars. Le débit maximum est de 1,35mégabit par seconde dans le sens rover-satellite et 256 kilobits dans le sens inverse[70]. C'est ce mode de communication qui est privilégié car les satellites sont fréquemment à portée d'antenne du rover :Odyssey etMRO stockent les données et les transmettent vers la Terre lorsque les stations terrestres sont en vue. Les deux antennes enbande X sont utilisées pour les communications à longue distance directement avec la Terre. L'antenne à faible gain omnidirectionnelle n'a pas besoin d'être orientée mais son débit est limité. L'antenne à grand gain en forme d'hexagone plat permet des débits importants mais doit être orientée avec précision vers la Terre. Elle a été développée par l'Espagne (EADS CASA ESPACIO) et dispose de deux degrés de liberté ce qui permet de la tourner vers sa cible sans déplacer le rover. Ces antennes sont fixées sur l'arrière du pont supérieur du rover[71].
La NASA a estimé le volume moyen de données scientifiques qui doit être transféré vers la Terre chaque jour à 250 mégabits tandis que les données utilisées pour établir le plan de travail représentent 100 mégabits par jour. L'essentiel de ce transfert devrait être assuré par MRO[Note 12] qui collectera les données en UHF durant son survol quotidien du site d'atterrissage de MSL aux alentours de 3 heures du matin. En moyenne MRO peut collecter chaque jour 687 mégabits de données avec un plus bas de 125 mégabits. La réception par le rover des instructions de la Terre se fera au début de la journée de travail en bande X à l'aide de l'antenne grand gain tandis que le compte rendu de la journée envoyé par le rover passera par la bande UHF[72].
Pour que le rover puisse se déplacer le rover et les équipes au sol utilisent les images fournies par plusieurs caméras. Quatre paires redondantes, ditesHazCam (Hazard Avoidance Cameras), sont montées deux par deux à l'avant et à l'arrière du corps du rover et sont utilisées pour détecter les obstacles qui se présentent sur la trajectoire du rover. Ces appareils dotés d'unobjectif fisheye avec un champ optique de 124° fournissent des images en noir et blanc permettant de reconstituer une image tridimensionnelle de ce qui se situe devant et derrière le rover jusqu'à 3 mètres de distance et sur une largeur de 4 mètres. Pour protéger les objectifs de la poussière soulevée par l'atterrissage, ceux-ci sont couverts par un cache qui est largué par un dispositifpyrotechnique une fois le rover sur le sol martien. Deux autres paires de caméras (Navigation Cameras ou NavCams) montées au sommet du mât du rover de part et d'autre des caméras à usage scientifique MastCam, permettent d'obtenir des panoramiques en relief sur un champ de 45°. Elles sont utilisées avec les camérasHazCam pour déterminer la configuration du terrain et planifier les déplacements du rover[73],[49]. Unecentrale à inertie à trois axes doit faciliter la navigation sur le terrain. Le rover peut se déplacer à une vitesse de4 cm/s en navigation automatique sans détection d'obstacles soit 150 m/h, mais si la détection d'obstacle est activée sa vitesse chute à2 cm/s soit 75 m/h en moyenne compte tenu des irrégularités du terrain ou des problèmes de visibilité. Le roverCuriosity est conçu pour parcourir au moins une vingtaine de kilomètres au cours des 22 mois terrestres que doit durer au minimum sa mission primaire[74].
Le lanceurDelta II utilisé habituellement par la NASA pour le lancement de ses sondes interplanétaires n'a pu être retenu pour MSL compte tenu de sa masse et de son diamètre. La sonde doit être lancée par une fuséeAtlas V 541 ; cette version du lanceur, de la classe de puissance de la fuséeAriane V, dispose d'une coiffe d'un diamètre de5 mètres et peut placer une sonde de4 tonnes sur une trajectoire interplanétaire[75].
La distance entre la Terre et Mars évolue constamment et cette dernière ne devient accessible que durant une période de quelques mois tous les deux ans. Par ailleurs, le lancement doit permettre à la sonde spatiale d'arriver à proximité de Mars dans des conditions très précises :
Toutes ces conditions ainsi que les capacités du lanceur retenu[Note 13] ont abouti à la sélection de deuxfenêtres de lancement de 24 jours. La première située entre le et le est plus favorable, car elle permet une entrée à une vitesse inférieure à5,6 km/s mais est toutefois conditionnée par le respect du planning de lancement de la sonde jovienneJuno planifié en et qui utilise les mêmes installations de lancement de labase de Cap Canaveral en Floride[Note 14] ; la seconde fenêtre de lancement, finalement retenue, se situe entre le et le. En fonction du jour de lancement, le lanceur doit imprimer unevitesse de libération comprise entre11,2 et19,9 km/s. Pour répondre à la réglementation imposée pour les lancements emportant du matériel radioactif, le lancement doit avoir lieu de jour. La fenêtre de lancement résultante est d'environ 2 heures par jour[76].
Le lancement se déroule en deux phases. Le deuxième étageCentaur du lanceur place la sonde MSL sur uneorbite basse terrestre de 165 km × 271 km avec uneinclinaison de 29°. Puis, après avoir accompli un nombre variable d'orbites autour de la Terre, lorsque la position de l'ensemble permet d'obtenir des conditions optimales d'arrivée sur Mars le deuxième étage Centaur est remis à feu et celui-ci injecte MSL sur une trajectoire interplanétaire vers Mars qui doit lui permettre d'atteindre Mars sur son inertie en décrivant uneorbite de Hohmann. Après l'extinction de l'étage Centaur, celui-ci met en rotation lente (2 tours par minute) la sonde pour stabiliser sa trajectoire puis la séparation de la sonde et du lanceur est déclenchée[77].
Après sa séparation avec son lanceur, la sonde spatiale entame la phase de croisière, d'une durée d'environ sept mois, durant laquelle elle se rapproche de Mars uniquement grâce à sa vitesse acquise. Durant cette phase le rôle actif est joué par l'étage de croisière[78] :
La date d'arrivée sur le sol martien, qui dépend de la date de lancement, doit avoir lieu entre le6 et le 20 août 2012. La sonde entame les préparatifs pour l'atterrissage, qui est la partie la plus délicate de la mission, 45 jours avant celui-ci. D'ultimes corrections de trajectoire sont effectuées après des mesures très précises depuis la Terre de la position et du déplacement de MSL. Les dernières instructions pour la phase de rentrée et la séquence des opérations au sol pour les premiers jours sont actualisées[80].
Pour pouvoir poser la masse du rover cinq fois supérieure à celle de ses prédécesseurs et effectuer un atterrissage de précision qui permette au roverCuriosity d'atteindre la zone d'étude choisie par les scientifiques sans avoir à faire un nombre de kilomètres supérieur à ce que lui permet son autonomie, MSL inaugure de nouvelles techniques de descente vers le sol martien :
La première partie de la descente se déroule à une vitessehypersonique. Alors que ses prédécesseurs ont eu durant cette phase un comportement passif, MSL adapte en permanence à l'aide de petitsmoteurs-fusées sonangle d'attaque. Cela lui permet d'une part de prolonger la phase de descente : la trajectoire de la sonde décrit des S en jouant sur l'inclinaison latérale. Le gain de temps obtenu permet à MSL de diminuer plus tôt sa vitesse et donc se poser à une altitude supérieure[Note 15]. D'autre part les moteurs-fusées permettent de corriger les écarts par rapport à la trajectoire conduisant au site visé en jouant également sur l'angle d'attaque. Cette technique permet de restreindre la zone d'atterrissage probable à une ellipse de 10 km sur 5 km de large contre 80 km sur 12 km pour les rovers MER. Le site sélectionné peut comporter une zone d'atterrissage dégagée de taille beaucoup plus réduite et met à portée du rover des sites d'un grand intérêt géologique qui seraient inaccessibles avec une précision plus faible[81].
Le rover inaugure une nouvelle technique d'atterrissage final[82] :
La solution retenue est un atterrissage ayant recours à des fusées fixées sur un étage de descente qui se désolidarise du rover dans les derniers mètres pour déposer celui-ci au-dessus du sol avant de s'élever à nouveau pour s'écraser à distance de sécurité.
| Caractéristiques | Viking (1975) | Mars Pathfinder (1996) | MER (2003) | MSL (2011) |
|---|---|---|---|---|
| Masse au début de larentrée atmosphérique | 992 kg | 584 kg | 827 kg | 3 299 kg |
| Masse à l'atterrissage | 590 kg | 360 kg | 539 kg | 1 541 kg |
| Masse du rover | - | 10,5 kg | 185 kg | 899 kg |
| Contrôle durant la rentrée atmosphérique | Orientation uniquement | Non | Non | Angle d'attaque |
| Ratioportance/trainée | 0,18 | 0 | 0 | 0,22 |
| Diamètre duparachute | 16 m | 12,5 m | 14 m | 21,5 m |
| Vitesse à l'ouverture du parachute | Mach 1,1 | Mach 1,57 | Mach 1,77 | Mach 2 |
| Vitesse verticale et horizontale à l'atterrissage | Vv <2,4 m/s Vh <1 m/s | Vv <12,5 m/s Vh <20 m/s | Vv <8 m/s Vh <11,5 m/s | Vv <0,75 m/s Vh <0,5 m/s |
| Méthode d'atterrissage | Rétrofusées | Coussins gonflables | Coussins gonflables | Grutage |
| Précision de l'atterrissage | 280 × 180 km | 200 × 100 km | 80 × 12 km | 7 × 20 km |
L'atterrissage sur Mars se décompose en cinq phases :
L'objectif principal de la phase d'approche est que la sonde spatiale arrive au point d'entrée dans l'atmosphère martienne et à l'heure planifiée. À cet effet une dernière correction de trajectoire (TSCM-6) est effectuée, si nécessaire, 9 heures avant la rentrée atmosphérique[84] après analyse de la position et du vecteur vitesse de la sonde. L'équipe du JPL estime que l'erreur de positionnement à l'entrée dans l'atmosphère devrait être au plus de 2 km et l'écart de la vitesse réelle par rapport à celle prévue de1,5 m/s. Plusieurs manœuvres sont alors effectuées[85] :
La descente vers Mars débute lorsque la sonde spatiale aborde les couches supérieures de l'atmosphère martienne dont l'altitude est fixée arbitrairement à 226 km au-dessus du sol. MSL entame alors une descente qui va durer environ 7 minutes. Lorsqu’elle débute sarentrée atmosphérique la vitesse de MSL est alors comprise entre5,5 et 6 km/s (Mach 24). Le véhicule de rentrée constitué de deux boucliers jointifs joue deux rôles : alors que le freinage atmosphérique porte la température du bouclier avant à une température atteignant en pic1 450 °C, il maintient une température normale dans le corps de la sonde. Par ailleurs, le bouclier arrière dispose de 4 petitsmoteurs-fusées émettant des jets de gaz, qui permettent à la sonde d'ajuster de manière continue sonangle d'attaque ; celui-ci, maintenu normalement à 18°, est ajusté pour compenser les écarts par rapport à la trajectoire cible engendrés par les perturbations atmosphériques et le comportement aérodynamique du véhicule de rentrée. Lorsque la vitesse de l'engin est tombée en dessous de900 mètres par seconde, l'angle d'attaque est réduit à 0 par éjection de 6 lests de 25 kg qui replace lebarycentre dans l'axe de la sonde. Il s'agit de limiter les oscillations créées par le déploiement du parachute. La sortie de celui-ci est déclenchée lorsque la vitesse est tombée en dessous de450 mètres par seconde (presque Mach 2)[86].
Le parachute d'un diamètre de 21,5 mètres est, à un facteur d'échelle près, un héritage du parachute développé pour leprogramme Viking. Durant sa descente sous parachute qui dure entre 50 et 90 secondes, la vitesse de MSL est ramenée à100 m/s(360 km/h) et environ 95 % de l'énergie cinétique qui subsistait avant son ouverture est dissipée. Le bouclier thermique est éjecté dès que la vitesse tombe en dessous de Mach 0,8[Note 17] ce qui dégage l'antenne du radar Doppler de l'étage de descente qui peut fournir une première estimation de l'altitude et de la vitesse en utilisant les réflexions de ses émissions sur le sol 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 caméra MARDI commence à prendre des photos du sol martien sous le rover au rythme de 5 images par seconde dès que le bouclier thermique avant n'obstrue plus le champ de son optique jusqu'à l'atterrissage environ 2 minutes plus tard : les images seront exploitées par les scientifiques pour situer la future zone d'atterrissage et identifier les formations géologiques intéressantes à explorer situées à moins de 2 km de celui-ci ; elles permettent également de vérifier les performances de lacentrale à inertie du rover. À une altitude comprise entre 1500 et 2000 mètres le bouclier arrière et le parachute sont largués afin d'entamer la descente propulsée. Juste avant ce largage, les 8 moteurs de l'étage de descente sont mis en marche à 1 % de leur poussée nominale[87].
La descente 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, de manière 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 de100 mètres, à réduire la vitesse verticale à20 m/s et à annuler la vitesse horizontale. Parallèlement, la sonde est écartée de300 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 de50 mètres du fait du relief et du déplacement en partie horizontal de la sonde. À partir de50 mètres d'altitude, la vitesse verticale est ramenée à0,75 m/s lorsque l'altitude de21 mètres est atteinte. La sonde fait alors quasiment du surplace[88].
La dernière phase de la descente met en œuvre une technique complètement nouvelle. Alors que la sonde se trouve à21 mètres au-dessus du sol avec une vitesse horizontale nulle et une vitesse verticale descendante constante limitée à 0,75 m/s, le rover est descendu au bout de trois câbles longs de 7,50 mètres tout en déployant ses roues puis est libéré dès que le système qui pilote la descente détecte que les forces de traction exercées sur les câbles se sont affaiblies, en conséquence de la dépose effective du rover. Ceci permet une prise de contact à faible vitesse du rover qui est placé au sol sur ses roues en configuration opérationnelle. Les amortisseurs du véhicule sont utilisés pour amortir le contact.
Un système pyrotechnique désolidarise le rover de l'étage de descente alors que l'altitude est de 17,6 mètres. Le rover descend suspendu au bout des 3 câbles qui exercent leur traction près dubarycentre de l'étage de descente pour éviter de perturber l'équilibre de celui-ci. En parallèle, 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. Durant les 2 secondes qui suivent, le système a pour objectif d'amortir les mouvements provoqués par l'interruption du déroulement des câbles. Le système est alors prêt pour la prise du contact avec le sol. Celle-ci est détectée lorsque la traction sur les câbles diminue imposant une réduction importante de la poussée exercée par les moteurs 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 doit l'écarter 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'écrasera à au moins 150 mètres du lieu d'atterrissage du rover[89].
Position deCuriosity par rapport aux autressondes spatiales ayant atterri sur Mars.
Du fait de son système de dépose au sol,Curiosity est pratiquement opérationnel dès son arrivée sur le sol martien : ses roues sont déployées et il n'a pas à débarquer d'une plateforme comme les rovers MER qui l'ont précédé. Toutefois, immédiatement après son arrivée au sol, les ingénieurs au sol doivent s'assurer grâce aux capteurs embarqués sur le rover que celui-ci n'est pas dans une position périlleuse avant tout mouvement. Bien que sa garde au sol soit de 60 cm et qu'il puisse monter des pentes de 50°, les premières manœuvres peuvent être délicates si la zone d'atterrissage s'avère peu propice. Le rover entame une séquence de tâches automatiques : le mât ainsi que l'antenne grand gain sont mis en position verticale, les télécommunications avec la Terre sont testées, des images sont envoyées pour permettre aux contrôleurs au sol d'identifier précisément le site d'atterrissage et la position du rover. Le premier déplacement du rover n'intervient qu'au bout d'une semaine[90].
Au bout d'environ une semaine,Curiosity entame sa mission opérationnelle. La durée initiale de celle-ci est d'une année martienne soit 687 jours terrestres ou 669 jours martiens (sols). Durant cette période, le rover aura une activité réduite une vingtaine de jours durant laconjonction solaire du (télécommunications interrompues car le Soleil s'interpose entre Mars et la Terre) et environ 10 jours pour permettre des mises à jour deslogiciels. Le rover devrait parcourir durant ces 22 mois terrestres de5 à 20 km. Au cours de ses déplacements, il est prévu qu'il collecte et analyse environ 70 échantillons de roche et de sol martien[91],[92].
| Date | Jour de la mission | Activité |
|---|---|---|
| 5h24 UTC | Sol 0 | Début de larentrée atmosphérique. La vitesse de MSL est de5,9 km/s (~Mach 17). |
| 5h31 UTC[Note 18] | Sol 0 | Atterrissage dans le cratère Gale après une descente de 7 minutes. Pour le rover, il est 15 heures (heure solaire locale) |
| Sol 0 | Transmission d'informations sur le statut du rover. Premières photos au format vignette prises par les caméras HazCam. | |
| Sol 1 | Déploiement de l'antenne à grandgain, collecte de données scientifiques sur la météorologie (instrument REMS) et le niveau de radiation (RAD), prises de photos complémentaires. Vérification du fonctionnement des systèmes et des instruments. Contrôle comportement thermique[94],[95]. | |
| Sol 2 | Déploiement du mât, panorama 360° avec la caméra NavCam, Photo de la mire de calibrage avec la caméra MastCam, deuxième tentative de liaison directe avec la Terre[96]. | |
| Sol 3 | Préparation de la mise à jour du logiciel embarqué, tests de plusieurs instruments scientifiques tels que APXS, CheMin, DAN, et SAM, réalisation d'un panorama en couleurs avec la MastCam[96] | |
| Sol 4 | Préparation de la mise à jour du logiciel embarqué (suite), utilisation des instruments RAD et DAN en mode passif[96]. | |
| 11 au ~ | Sol 5 à ~Sol 8 | Mise à jour du logiciel embarqué. La version 9 conçue pour la phase de vol est remplacée par la version 10. Celle-ci a été préchargée durant le vol mais elle doit être testée avant mise en application[96]. |
| Sol 16 | Premiers déplacements du rover (3 mètres en avant, rotation de 90° puis2 mètres en arrière) | |
| - | Première utilisation du bras porte-outils | |
| Sol 22 | Le rover se dirige vers le premier site étudié Glenelg à 400 m du point d'atterrissage. | |
| Sol 669 | Fin théorique de la mission nominale, au bout d'une année martienne (687 jours terrestres, 669 jours martiens). Début de la première extension de mission. |
L'organisation des équipes sur Terre évolue au fur et à mesure de l'avancement de la mission. Elle reproduit ce qui avait été mis en place pour les rovers MER. Durant les 90 premiers jours, les équipes travaillent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à l'heure martienne, c'est-à-dire en avançant l'heure de 40 minutes par jour. La préparation et le suivi des opérations du jour sont effectués en 16 heures par deux équipes se relayant. Durant cette période, la majorité des techniciens et des scientifiques concernés sont rassemblés sur un seul site. Les équipes ont pour objectif de roder l'organisation, maîtriser l'utilisation du rover afin de réduire progressivement la durée des tâches de préparation des opérations du jour et de suivi à 8 heures. Cette phase doit aboutir à un mode de fonctionnement décentralisé dans lequel scientifiques et techniciens peuvent travailler depuis les locaux de leur institution (laboratoire de recherche, université, entreprise, centre de la NASA). Durant la phase suivante, d'une durée de 90 jours, les équipes travaillent 7 jours sur 7, 16 heures par jour de 6 heures à 20 heures (heure du Pacifique), donc ne sont plus calés sur l'heure martienne. Par la suite, les horaires de travail de l'équipe de suivi sont normalisés : 5 jours par semaine et 8 heures par jour[97].
Pour accomplir l'ensemble des tâches de préparation, de gestion et d'exploitation associées à la mission, plusieurs équipes sont mises en place : Conduite de mission, Planification, Conception et navigation, Opérations en temps réel, Opérations d'ingénierie (c'est-à-dire portant sur le fonctionnement du rover), Opérations scientifiques. Les opérations scientifiques et ingénierie ont deux composantes : court terme c'est-à-dire concernant le jour suivant ou quelques jours au plus) et stratégique (long terme)[97].
Le rover doit être déposé à l'intérieur ducratère Gale par 4,6° de latitude sud et 137,4° de longitude Est. Ce cratère de 154 km de diamètre comporte en son centre l'Aeolis Mons, un pic qui culmine à5 kilomètres au-dessus de son plancher[Note 19]. Les pentes de cette montagne sont suffisamment douces pour que le rover puisse l'escalader maisCuriosity ne devrait gravir que ses contreforts durant sa mission nominale dont la durée est fixée à deux ans (soit une année martienne). Plusieurs indices, fournis par les instruments des satellites en orbite autour de Mars donnent à penser que l'eau a circulé autrefois dans le cratère[98] :
Les strates visibles sur le mont central permettent de penser que celui-ci constitue un témoin de l'histoire géologique de la planète depuis l'impact qui a créé le cratère il y a environ 3 milliards d'années. On devrait y retrouver superposés les dépôts laissés par chaque période : les couches les plus anciennes devraient se situer à la base de la montagne. Les processus ayant abouti aux différentes formations observées ne sont toutefois pas identifiés de manière certaine[98],[99].
Les zones du cratère qui intéressent en premier lieu les scientifiques sont situées sur les flancs du mont central à l'extérieur de la zone d'atterrissage du rover ; celui-ci ne pouvait pas y atterrir directement car la pente est trop importante. MaisCuriosity dispose, de manière nominale, d'une autonomie de 20 km suffisante pour lui permettre d'atteindre ces lieux. Par ailleurs des sites géologiques intéressants ont également été identifiés à l'intérieur de la zone d'atterrissage. L'équipe scientifique a planifié l'exploration détaillée des formations suivantes (cf carte ci-dessus)[100] :
La vitesse de progression du rover dépendra des découvertes effectuées sur chaque site. Si le rover est toujours opérationnel après avoir exploré ces différentes formations, il est prévu de l'envoyer étudier les strates supérieures (situées plus haut sur le pic central) correspondant à des époques plus récentes de l'histoire de Mars[100].
Les opérations sur le sol de Mars doivent prendre en compte plusieurs contraintes :
Le rover ne peut consacrer que 250watts d'énergie aux équipements scientifiques. Durant l'hiver martien, lorsque la température chute, la puissance disponible est encore inférieure car il faut consacrer plus d'énergie pour maintenir les équipements sensibles à une température suffisante. Toutefois la latitude du site retenu (le cratèreGale), proche de l'équateur, permet au rover de bénéficier d'une température relativement clémente comprise entre−100 et0 °C[53]. Durant une journée martienne, le temps d'activité du rover est limité à 6 heures. La quantité de données scientifiques qui peut être transmise a été limitée en moyenne à 250mégabits par jour martien pour tenir compte de la disponibilité des satellites chargés des liaisons avec la Terre[92].
Le rover n'est généralement pas capable d'enchaîner les opérations et doit recevoir des instructions des opérateurs sur Terre pour entamer une nouvelle tâche[101] :
Le rover dépend donc fortement des échanges avec les équipes au sol pour mener ses activités. Or plusieurs facteurs freinent ces échanges[101] :
Les contraintes énumérées ci-dessus imposent un déroulement plutôt lent des activités. Les tâches à enchaîner au cours d'une journée martienne sont définies sur la base des éléments transmis par le rover la veille, ce qui aboutit à la définition de journée type vouée à un objectif principal : transit entre deux sites, reconnaissance, approche d'une cible, étudein situ, analyse d'un échantillon dans le mini-laboratoire.
Le rover consacre un nombre de jours important à se déplacer pour aller d'un site sélectionné par l'équipe scientifique au site suivant. Selon le scénario élaboré par l'équipe projet, la distance moyenne entre deux sites étudiés en profondeur par le rover est de 1,5 km. Pour se rendre sur un site, le rover se déplace à une vitesse moyenne estimée à50 mètres par sol (jour martien). Cette distance dépend de la nature des terrains rencontrés. Durant les journées consacrées au déplacement, le rover commence par examiner les roches avoisinantes avec l'instrument ChemCam puis prend des images en relief de certains échantillons avec la caméra microscope MAHLI ce qui nécessite de déployer le bras du rover et donc d'avoir pris des images la veille avec les caméras de navigation pour s'assurer qu'il n'y a aucun obstacle sur la trajectoire du bras. Puis des panoramas sont réalisés avec les caméras de navigation et les caméras MastCam. Le reste de la période d'activité est consacrée au déplacement[92].
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L'activité de reconnaissance d'un site sélectionné est une journée consacrée à des tâches de préparation. L'objectif est d'obtenir des informations qui permettent à l'équipe scientifique de planifier les prochaines étapes. Le rover examine avec ChemCam des cibles désignées puis après déploiement du rover prend des images en relief avec la caméra microscope MAHLI ce qui nécessite de déployer le bras du rover et donc d'avoir pris des images la veille avec les caméras de navigation pour s'assurer qu'il n'y a aucun obstacle sur la trajectoire du bras. Puis des panoramas sont réalisés avec les caméras de navigation et les caméras MASTACM. L'instrument APXS est déployé et analyse durant toute la nuit un échantillon[92].
Durant une journée consacrée au positionnement près d'un échantillon du sol ou d'une roche, le rover se déplace de manière que son bras soit, à l'issue de la journée, en position d'appliquer un outil ou instrument scientifique sur cette cible. Celle-ci doit avoir été identifiée la veille et se trouver à moins de10 mètres du rover. Celui-ci démarre la journée en utilisant successivement ChemCam, APXS durant un laps de temps bref et MAHLI pour une image tridimensionnelle avant de se mettre en mouvement. À l'issue de son déplacement, les caméras de navigation et MastCam prennent des images qui sont transmises à Terre. L'instrument DAN effectue des mesures actives durant le déplacement et sur la position finale[92].
Une journée d'analyse d'une échantillon de sol ou de roche au contact consiste à effectuer des observations avec les instruments du bras sur la cible du rover (APSX et MAHLI) qui doit être à portée depuis la veille. La roche est ensuite brossée pour être débarrassée de la couche superficielle puis des mesures sont de nouveau effectuées avec les instruments scientifiques du bras mais cette fois avec un temps de pose plus long d'APSX[92]. ChemCam et MastCam prennent des images du spectre électromagnétique pour préciser le contexte dans lequel se situe la cible tandis que les caméras de navigation documentent ces activités[92].
Une journée consacrée à l'analyse d'un échantillon du sol regroupe l'ensemble des tâches aboutissant à l'insertion de cet échantillon dans les mini laboratoires du rover CheMin et SAM. Pour éviter une contamination d'une analyse par l'analyse précédente, un premier échantillon est prélevé sur une roche proche de la cible par la foreuse et conditionné. L'échantillon qu'on souhaite effectivement analyser est ensuite à son tour prélevé, conditionné puis mis à disposition des instruments CheMin et SAM. La partie de l'échantillon qui n'est pas utilisée est déversée sur le plateau d'observation situé sur l'avant du rover et examinée par les instruments MAHLI et APXS. Cette activité se prolonge durant 3 à 5 jours pour disposer d'une quantité d'énergie suffisante pour les équipements scientifiques et compte tenu du volume de données scientifiques à transférer et du temps nécessaire aux analyses[92].
MSL du fait de sa complexité et son coût fait partie des missions phares (Flagship mission) de la NASA : c'est le plus ambitieux des projets robotiques de la NASA pour la décennie 2010 et il se compare à ce titre à la sondeCassini-Huygens. La phase de conception du projet est lancée en 2003 et s'achève en 2007.
En, soit à peine trois mois après l'atterrissage du premier rover MER, un appel à propositions est lancé par la NASA pour les instruments scientifiques embarqués à bord du rover. Huit mois plus tard huit instruments sont sélectionnés auxquels s'ajoutent les deux fournis par la Russie et l'Espagne[102].Début la phase de conception (Critical Design Review CDR) s'achève et l'évaluation effectuée fait apparaître déjà un dépassement de 75 M$ par rapport au budget total fixé à l'époque à 1,7 G$. La Direction des missions scientifiques de la NASA (Science Mission Directorate) décide de supprimer certains équipements ne jouant pas un rôle essentiel dans l'atteinte des objectifs : la caméra de l'étage de descente MARDI et la fonction zoom des caméras de mât sont abandonnées tandis que la meule située en bout de bras est remplacée par une simple brosse[103]. La phase de développement qui suit est marquée par de nombreux problèmes qui entraînent parfois des changements importants dans la conception de la sonde et du rover. L'équipe de développement renonce très tard en 2008, faute de résultats probants, au nouveau système de lubrification à sec[Note 20] desactionneurs et des moteurs électriques : ceux-ci, en supportant des températures plus froides, devaient permettre au rover d'explorer des zones plus septentrionales de Mars comme le demandaient les scientifiques. À la suite de cette modification, tous ces composants (51actionneurs et 54 moteurs électriques) sont fabriqués dans l'urgence, selon les spécifications révisées, par l'industriel qui ne parvient pas à tenir les délais. Violant toutes ses procédures, le JPL doit assembler en parallèle le modèle d'ingénierie et le modèle de vol du rover[Note 21]. La mise au point des logiciels de la sonde constitue l'autre source majeure de retards. Le calculateur embarqué du rover MSL, contrairement à celui des rovers MER, est complètement redondant ce qui se traduit par une complexité qui est encore accrue par la sophistication du véhicule. Comme, par ailleurs, le rover comprend un grand nombre decircuits logiques programmables et que l'ordinateur du rover prend en charge les phases de transit Terre-Mars et la descente sur le sol martien, le développement et la qualification des logiciels embarqués sont particulièrement complexes et le planning prévu n'est pas respecté.
Sur le véhicule de rentrée, les ingénieurs se rendent compte, alors que le projet est déjà très avancé, que le matériau ablatif utilisé pour les sondes spatiales MER, qui a été repris pour lebouclier thermique de MSL, n'aura pas une capacité d'évacuation de la chaleur suffisante. La NASA doit le remplacer par duPICA. Mais ce matériau n'a été utilisé qu'à une moindre échelle pour la capsule de retour d'échantillon de la sondeStardust (81 cm de diamètre) et il est plus difficile à mettre en œuvre[Note 22]. Enfin la conception du système de prélèvement et de conditionnement des échantillons du sol martien situé au bout du bras télécommandé du rover a été plusieurs fois modifiée depuis 2006 et revue une dernière fois à la suite des déboires rencontrés par un système similaire mis en œuvre par la sonde martiennePhoenix en 2008. La qualification du bras du rover, déjà handicapée par le problème des actionneurs, a été particulièrement tardive et se poursuit en 2011[104].
En 2008, le dépassement budgétaire résultant des difficultés rencontrées durant la phase de développement est officialisé : annoncé à 24 % en, il atteint 30 % en octobre[105]. Le, la NASA décide officiellement de reporter le lancement prévu en 2009 à qui est la prochainefenêtre de lancement permettant l'envoi d'une sonde vers Mars. La raison invoquée est que les tests ne seront pas achevés à temps. Le budget supplémentaire rendu nécessaire à la fois par les dépassements et le rallongement de la période de développement est trouvé en repoussant d'autres projets de sondes interplanétaires en particulier de celles à destinations de Mars[106],[104].
En 2009, la NASA lance un concours auprès du public pour baptiser le rover de la mission MSL. Après avoir sélectionné neuf finalistes (Journey,Wonder,Perception,Adventure,Sunrise,Curiosity,Amelia,Poursuit etVision) sur plus de 9 000 propositions, le vote des internautes a finalement retenu le nom deCuriosity, le[107],[108],[Note 23].
En, le coût total de la mission est réévalué à 2,5 milliards dedollars US sous réserve que le lancement soit effectué en 2011. Le dépassement budgétaire atteint désormais 56 % au niveau du projet global et 86 % pour la phase de développement. La qualification de plusieurs composants importants n'est toujours pas achevée : les composants concernés sont l'avionique, le fonctionnement en mode dégradé du rover et le système de collecte d'échantillons. Les performances du système de production d'énergie suscitent également des inquiétudes. Un report supplémentaire de deux ans entraînerait un surcoût estimé à 570 M$[109].Les dernières sources de retard semblent avoir été aplanies et les composants de la sonde qui ont été transférés du JPL au centre spatial Kennedy dès sont réassemblés sur ce site et subissent une dernière batterie de tests[110]. La deuxièmefenêtre de lancement vers Mars de 2011, qui débute le et se ferme le, a été retenue. Cette période est moins favorable que la fenêtre s'ouvrant en octobre car la sonde entre dans l'atmosphère de Mars avec une vitesse majorée d'environ0,4 km/s. Le la sonde et lacoiffe qui la recouvre sont hissées au sommet du lanceurAtlas V sur le pas de tir 41 de labase de lancement de Cap Canaveral[111]. Legénérateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) est installé quelques jours plus tard[Note 24],[112],[113].
Le à 15h02 UTC, soit un jour après l'ouverture defenêtre, la sonde est lancée par une fuséeAtlas V. Après la mise à feu de l'étage Centaur, elle est directement placée sur satrajectoire vers Mars[114]. Le lanceur place la sonde dans une direction « décalée », de façon que le deuxième étage n'aille pas s'écraser sur Mars et contaminer la planète avec desmicro-organismes terrestres. C'est pourquoi le, se déroule une première correction de trajectoire représentant unchangement de vitesse de5,5 m/s pour se placer dans la direction qu'occupera Mars à l'arrivée à 5 000 km près. Ainsi les petits moteurs-fusées de la sonde fonctionnent-ils durant 59 minutes. Le, une deuxième correction de0,9 m/s place la sonde exactement dans la direction de Mars. La troisième correction effectuée le permet à la sonde d'aborder l'atmosphère martienne à la fois au bon endroit, et au bon moment : grâce à une brève impulsion des moteurs de 40 secondes, le point d'entrée dans l'atmosphère martienne est corrigé d'environ 200 km et l'heure de la rentrée atmosphérique est avancée d'environ 70 secondes[115]. La quatrième correction de trajectoire (changement de vitesse de 1 cm/s) est effectuée le et permet de corriger le point d'entrée dans l'atmosphère martienne de 21 km[116]. Les cinquième et sixième corrections de trajectoire, planifiées les 3 et, sont annulées car jugées finalement non nécessaires[117],[118].
Le, la sonde entame son entrée dans l'atmosphère de Mars. Durant la traversée de celle-ci, elle transmet en permanence des informations sur son fonctionnement, pour permettre par la suite un diagnostic en cas d'échec. La descente a été programmée de manière que les orbiteurs2001 Mars Odyssey etMars Reconnaissance Orbiter (MRO) puissent l'observer et en retransmettre des images. Mars Odyssey relaie immédiatement les données reçues vers les stations terrestres tandis que MRO écoute sur une plage d'ondes plus étendue, au cas où le signal émis serait perturbé[119]. Les données transmises par la sonde sont limitées par le débit très faible[Note 25]. L'orbiteur européenMars Express est également utilisé pour relayer ses émissions. Finalement, le à 5 h 31 UTC,Curiosity atterrit comme prévu à l'intérieur de l'ellipse à 2,25 km à l'est de son centre. Le lieu d'atterrissage se trouve à 6 km du Mont Sharp (Aeolis Mons) et 28 km des rebords du cratère (ses coordonnées sont -4.5895 S, 137.4417 E). Le terrain sur lequel il s'est posé est dégagé de tout obstacle, incliné de quelques degrés, et l'avant du rover est tourné vers l'est/sud-est (112,7° plus ou moins 5°)[120].
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Les principales étapes de l'exploration de Mars parCuriosity sont :
.« La curiosité est une flamme éternelle qui brûle dans tous les esprits. Elle me pousse hors du lit le matin et m’interroge sur les surprises que la vie me lancera en ce jour. La curiosité est une force tellement puissante. Sans elle, nous ne serions pas ce que nous sommes aujourd’hui. Quand j’étais plus jeune, je me demandais « Pourquoi le ciel est-il bleu ? », « Pourquoi les étoiles scintillent-elles ? », « Pourquoi suis-je moi ? », et je m’interroge encore. J’ai tellement de questions, et l’Amérique est le lieu où je veux trouver mes réponses. La curiosité est la passion qui nous pousse dans notre vie de tous les jours. Ce besoin de poser des questions, de s’émerveiller, a fait de nous des explorateurs et des scientifiques. Bien sûr, il y a beaucoup de risques et de dangers, mais malgré cela, nous continuons toujours à nous interroger et à rêver, à créer et à espérer. Nous avons déjà tant découvert sur le monde, mais nous en savons en fait tellement peu. Nous ne saurons jamais tout ce qu’il y a à savoir, mais grâce à notre flamme de curiosité, nous avons tant appris »
Au sujet de Mars :
Au sujet de l'exploration de Mars :
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| La première date est celle du lancement du lancement (du premier lancement s'il y a plusieurs exemplaires). Lorsqu'elle existe la deuxième date indique la date de lancement du dernier exemplaire. Si d'autres exemplaires doivent lancés la deuxième date est remplacée par un -. Pour les engins spatiaux autres que les lanceurs les dates de fin de mission ne sont jamais fournies. | |||||||||||||||||
