InSight, l’atterrisseur qui écoutera le cœur de Mars


Mars, la quatrième planète rocheuse de notre Système Solaire. Elle est toute rouge et a encore bien des secrets. Cependant, elle pourrait nous en apprendre beaucoup sur la formation des autres corps rocheux majeurs comme la Terre ou Vénus. C’est pourquoi des scientifiques envoient en permanence des missions vers la planète rouge. Le samedi 5 mai c’est donc une nouvelle sonde qui est partie à sa rencontre. Cette sonde, ou plutôt cet atterrisseur, c’est Mars InSight.

 

Assemblage des derniers éléments de l’atterrisseur Mars InSight. Crédits : NASA

 

Mars InSight

Cet atterrisseur a été conçu et fabriqué par la NASA (National Aeronautics and Spatial Administration). Ce dernier est très différent des précédentes missions de l’agence américaine, et notamment sur les six points suivants :

-InSight est la première mission à explorer les profondeurs de Mars

            -InSight nous en apprendra beaucoup sur l’intérieur des planètes comme la nôtre

            -InSight essaiera pour la première fois de détecter des « tremblements de mars »

            -InSight est la première mission interplanétaire américaine à décoller de la côte Ouest des Etats-Unis

            -InSight nous apprendra comment se sont formés les volcans martiens

            -InSight utilisera le potentiel de « machine à voyager dans le temps » de la planète rouge

InSight, ce n’est pas un vulgaire nom sans histoire, il est l’acronyme de Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transfer. En plus, en anglais, le mot « insight » signifie « voir la nature propre de quelque chose ».

Comme tout objet qui a pour but de se poser correctement sur Mars, InSight est placé dans une coquille qui le protègera de la rentrée dans l’atmosphère. En effet, il est très dur de se poser sur cette planète à cause de son atmosphère très fine : contrairement à la Terre, il est inconcevable d’atterrir sur Mars avec seulement des parachutes, le frein aérodynamique serait insuffisant, mais dans le même temps, et contrairement à la Lune, la planète rouge possède une atmosphère qui force les ingénieurs à équiper leurs atterrisseurs ou rovers d’une protection thermique. Un juste milieu qui ne nous est donc pas favorable et exige quelques solutions technologiques bien spécifiques.

 

Photo longue exposition du bâtiment d’assemblage final de l’Atlas V qui se retire en préparation du lancement. Crédits : NASA

 

En plus de cette protection, InSight possède également un module de croisière qui assure à l’atterrisseur d’arriver à destination. En effet de légères perturbations pendant le voyage (éruption solaire, comète passant proche, défaut sur la sonde, etc) pourraient dévier ce dernier et lui empêcher d’atteindre le point voulu. Ce module de croisière est donc équipé de petits moteurs de contrôle mais aussi de panneaux solaires pour alimenter tous les systèmes nécessaires à la survie du véhicule.

Au total, Mars InSight, son module de rentrée atmosphérique et le module de croisière mesurent 1,76 mètres de haut, 2,64 mètres de diamètre et 3,4 mètres d’envergure avec les panneaux solaires du module de croisière. Cet ensemble est cependant relativement léger avec une masse de seulement 694kg au décollage, répartie de la manière suivante : 358kg pour l’atterrisseur en lui-même, 189kg pour le module de rentrée atmosphérique, 79kg pour le module de croisière et 67kg de carburants. Il manque cependant 27kg par rapport à la masse de charge utile lancée mais nous reviendrons sur cette différence plus loin.

 

Largage de Mars InSight vu depuis l’étage supérieur Centaur. On voit très bien les panneaux solaires du module de croisière ainsi que la coquille de rentrée. Crédits : ULA

 

Sur les 358kg d’InSight, seuls 50kg sont des expériences scientifiques. Le reste ne fait que partie de la structure de l’atterrisseur ou des éléments nécessaires au bon fonctionnement de ces dernières. Dans ces éléments on retrouve notamment les panneaux solaires circulaires qui fournissent à la sonde une puissance électrique de 600 voire 700 Watts les jours ensoleillés sur Mars : avec cette puissance, on aurait tout juste assez pour alimenter un Blender. Les jours plus poussiéreux (lors d’une tempête par exemple), les panneaux ne fourniraient plus que 200-300 Watts.

Le programme Mars InSight aura coûté 813,8 millions de dollars aux américains dont 163,4 pour le lancement. De leurs côtés, les français et les allemands qui ont développés deux expériences pour l’atterrisseur, ont investis 180 millions de dollars.

 

Lancement

L’atterrisseur a donc décollé avec succès à 13h05 le 5 mai depuis le pas de tir 13 de la base militaire de Vandenberg en Californie. La fenêtre de tir pour cette mission s’ouvrait le 5 mai et se fermait le 8 juin avec des fenêtres de deux heures chaque jour. C’est une fusée Atlas V 401 qui a été chargée de cette mission. Le numéro 401 n’est pas anodin et apporte les informations suivantes :

            – 4 : Le lanceur AtlasV est équipé d’une coiffe de 4m de diamètre (il existe aussi une coiffe 5m)

            – 0 : Il n’y a aucun booster auxiliaire attaché au premier étage pour ce vol (il peut y en avoir jusqu’à 5)

            – 1 : L’étage supérieur Centaur est équipé d’un seul moteur RL-10 d’Aerojet Rocketdyne (il existe une version du Centaur avec 2 moteurs)

 

Profil de vol du lancement de la mission Mars Insight. Crédits : ULA

 

Comme dit précédemment, cette mission était la première mission interplanétaire à décoller de la côte Ouest. En effet, il est plus avantageux de partir de la côte Est car on profite de la rotation de la Terre en partant directement au-dessus de l’océan Atlantique : le lanceur a donc besoin de moins de carburant. Pourquoi donc faire décoller InSight depuis la Californie ? La raison principale est qu’il y avait plus de disponibilités sur le calendrier des lancements à Vandenberg qu’à Cape Canaveral. La NASA a donc décidé de partir depuis l’Ouest des Etats-Unis et de se placer sur une orbite quasi-polaire avant de foncer vers Mars.

 

Photo longue exposition montrant la trajectoire qu’a pris l’Atlas V pour se mettre en orbite avant d’envoyer InSight vers Mars. Crédits : NASA

 

L’Atlas V est plutôt familière avec les missions interplanétaires. En effet c’est elle qui a envoyé à destination de la planète rouge l’orbiteur NASA’s Mars Reconnaissance Orbiter en 2005, le rover Curiosity en 2011 ou encore l’orbiteur MAVEN en 2013. Les sondes New Horizons, Juno et OSIRIS-Rex ont été également décollés à bord d’Atlas V respectivement en 2006 à destination de Pluton, en 2011 pour Jupiter et en 2016 vers l’astéroïde Bénou.

 

Voyage de croisière

Mars InSight va maintenant se déplacer dans l’espace interplanétaire avant d’arriver à destination le 26 novembre. Durant cette longue phase de trajet, pas moins de six corrections de trajectoires seront effectuées pour assurer la sonde d’arriver au bon moment et au bon endroit sur la planète rouge. Vous pouvez voir ci-dessous que ces corrections seront effectuées le 15 mai, le 28 Juillet, le 12 octobre, le 11, le 18 et le 25 novembre.

 

Trajet et corrections de trajectoire pendant le vol de croisière. Crédits : NASA

 

Pendant ce long voyage, InSight communiquera avec la Terre grâce au système DSN de la NASA (Deep Space Network). Ce dernier est un rassemblement d’antennes en Californie, en Espagne et en Australie. L’ESA (European Space Agency) a également donné son aide en fournissant à la NASA la possibilité d’utiliser certaines de ses antennes en Argentine et en Australie.

 

Mars InSight pendant son vol de croisière. Crédits : NASA

 

Les principales activités pendant cette phase de croisière seront la calibration des équipements de l’atterrisseur et des modifications dans l’orientation de la sonde pour que les panneaux solaires soient face au Soleil et que l’antenne pointe la Terre. Contrairement à d’autres sondes martiennes, InSight ne sera pas en rotation constante lors du voyage. Ce dernier utilise donc une centrale inertielle ainsi qu’un traqueur à étoiles et des capteur solaires pour connaître son attitude. Ce sont ensuite quatre moteurs qui assurent le contrôle d’attitude. Ces quatre moteurs ainsi que les quatre propulseurs qui effectuent les corrections de trajectoire se situent sur l’atterrisseur et possèdent donc des tubes d’extension qui sortent en dehors de la coquille de rentrée atmosphérique.

 

Phase EDL

La phase EDL représente la phase finale du vol d’InSight. EDL est l’acronyme de Entry, Descent and Landing. Le trajet a été prévu d’une manière à ce que la date du décollage n’impacte pas la date de la phase EDL. Peu importe le jour du lancement, l’atterrissage se fera le 26 novembre. Comme vous pouvez le voir ci-dessous, InSight utilisera, dans un premier temps, seulement son bouclier thermique pour ralentir. Pendant cette phase, la décélaration sera au maximum de 75,5 m/s² soit 7,4G. Une fois la vitesse suffisamment faible, un parachute supersonique sera déployé. Ce dernier permettra à l’atterrisseur de ralentir davantage. Le bouclier thermique pourra donc être largué, puis InSight se détachera de la coquille et utilisera douze rétrofusées pour se poser à 2,5m/s sur la surface martienne.

 

Evènements pendant la phase EDL. Crédits : NASA

 

Cette phase EDL est très similaire à celle de l’atterrisseur Phoenix lancé en 2008. Les différences entre les deux se retrouvent sur les points suivants :

            -InSight rentrera plus vite dans l’atmosphère : 5,9km/s contre 5,6km/s

            -InSight aura plus de masse au moment de la rentrée : 608kg contre 573kg

            -InSight atterrira 1,5km plus haut que Phoenix ce qui lui laisse moins d’atmosphère pour freiner

            -InSight atterrira durant une saison martienne plus propice à la formation de tempêtes

Cependant InSight a connu quelques modifications grâce à l’expérience acquise avec Phoenix comme un bouclier thermique plus épais pour résister aux éventuelles tempêtes, un parachute qui s’ouvrira à une vitesse plus élevée et des cordes qui tiennent le parachute, plus résistantes.

 

Entrée atmosphérique de Mars Insight. Crédits : NASA

 

Pendant cette phase EDL, InSight communiquera avec l’orbiteur Mars Reconnaissance Orbiter qui relaiera les données à la Terre avec le système DSN. Les cubesats MarCO A et B lancés en même temps qu’InSight serviront également de démonstrateurs technologiques en essayant de relayer ces données mais nous reparlerons d’eux plus loin, ils en valent la peine.

InSight devrait atterrir sur la partie ouest de Elysium Planitia, aux coordonnées 4,5°N 135,9°E. La zone d’atterrissage est une ellipse de 130km de long et 27km de large. L’atterrisseur a 99% de chances de se poser dedans. Ce site a été choisi au travers de 21 autres ellipses suivant de critères scientifiques mais aussi techniques car il faut que la sonde ait le plus de chance de réussir son atterrissage.

 

Zone d’atterrissage de Mars InSight photographiée par l’orbiteur Mars Odyssey. Crédits : NASA

 

 

Lieux d’atterrissages des différents atterrisseurs et rovers américains. Crédits : NASA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Expériences

On trouve à bord d’InSight quatre expériences principales : SEIS, HP3, RISE et APSS. Ce sont grâce à ces dernières que nous pourrons en apprendre plus sur Mars mais aussi indirectement sur notre planète bleue.

 

Expériences placées sur Mars InSight. Crédits : NASA

 

SEIS : L’expérience Seismic Experiment for Interior Strcuture est un sismographe composé de six capteurs de deux types différents. Chaque groupe de trois capteurs sera disposés sur un axe différent pour pouvoir capter une onde sismique peu importe sa direction. Le premier type de capteurs sera placé dans un environnement sans air et aura pour but de mesurer des ondes de faible fréquences (de quelques Hertz à un centième de Hertz). Les autres capteurs permettront de mesurer des fréquences plus élevées (jusqu’à 50Hz).

 

Vue en coupe de l’expérience SEIS. Crédits : NASA

 

SEIS sera placé directement sur la surface de Mars par le bras robotique qu’emporte Mars InSight : ce bras sera d’ailleurs le premier bras robotique utilisé sur un autre corps que la Terre.  Une fois les capteurs posés sur le sol, le bras viendra rajouter par-dessus une protection ressemblant à une sorte de cloche, afin de limiter l’impact de la chaleur mais aussi du vent.

Cette expérience mesurera les « tremblements de mars » (Marsquakes en anglais en référence à Earthquakes pour les séismes sur Terre). Cependant, les sismographes de SEIS pourront aussi détecter l’influence gravitationnelle de la Lune Phobos mais aussi des impacts de météorites : les scientifiques pensent en enregistrer entre une douzaine et une centaine.

C’est le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) qui a dirigé le développement de SEIS mais ce sont des équipes du monde entier qui ont participé à sa construction.

 

HP3 : L’expérience Heat Flow and Physical Properties Probe est constitué de deux éléments principaux : une foreuse qui creusera un trou de 5m de profondeur et une sonde thermique qui mesurera les modifications de chaleur. Cette dernière nous donnera pour la première fois des données sur la quantité de chaleur qui s’échappe de l’intérieur de la planète.

 

Vue détaillée de l’instrument HP3. Crédits : NASA

 

Cette chaleur qui s’évade est très importante car elle permet aux géologues de déterminer la composition interne de la planète mais aussi son mode de fonctionnement. Pour Mars, ces données nous permettraient d’élaborer avec plus de précisions l’évolution de la planète rouge au cours des âges.

La foreuse de HP3 est équipée d’un mécanisme qui va frapper le sol à plusieurs reprises pour le percer. Pour ce faire, un bloc de tungsten est placé au bout d’un ressort et ce sont jusqu’à 20 000 coups et 40 jours qui seront nécessaires pour atteindre la profondeur de 5m. Au-dessus de ce mécanisme, il y a plusieurs capteurs thermiques pour mesurer la température à différentes profondeurs mais aussi la conductivité thermique des roches martiennes.

Comme pour SEIS, HP3 sera déposé sur la surface martienne par le bras robotique d’InSight. La foreuse fera une pause de 4 jours tous les 15cm creusés pour éviter une surchauffe des mécanismes.

C’est la DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt ou Centre de l’aérospatiale allemande) qui a développé et construit cet instrument. Le chef de projet, Tilman Spohn, s’est fortement inspiré d’un des outils placés sur l’atterrisseur Philae (sur lequel il a travaillé) pour créer HP3.

 

RISE : RISE pour Rotation and Interior Structure Experiment aura pour objectif de mesurer les perturbations dans l’inclinaison de l’axe de rotation de Mars. Pour ce faire, pas besoin de matériels particuliers : RISE utilisera simplement le signal radio de communication avec la Terre pour effectuer ses mesures.

Il existe deux types de perturbations : la précession et la nutation. Le premier peut être montré facilement avec une toupie. Lorsque la toupie commence à pencher, son axe de rotation tourne autour du point de contact. Pour Mars ce phénomène prend environ 165 000 ans.

Le phénomène que cherche à mesurer RISE est donc plutôt celui de nutation. Une bonne analogie à celui-ci est le moyen de savoir si un œuf est cuit ou non : En le faisant tourner sur lui-même. Si le centre est solide, la rotation n’est pas perturbée, si le centre est liquide, on observe des perturbations. Pour Mars, ces nutations prennent environ un an et seront donc mesurables par RISE. Pour les mesurer, il suffit de regarder le mouvement d’InSight et suivant celui-ci, on pourra déduire des nutations.

A partir de ces données on pourra affiner nos estimations de la taille et de la densité du cœur de Mars mais pour les rendre encore plus précises, il faudrait une mission encore plus longue. Cependant on ne peut pas confier ce genre d’expériences à des rovers car leur mouvement permanent ne permettrait pas de mesurer les nutations.

Ce sont les antennes radio en bande X de Mars Insight qui communiqueront avec les énormes paraboles de DSN qui permettront ces mesures. Le scientifique William Folkner du JPL de la NASA a été le chef de projet pour RISE car il avait déjà travaillé sur une expérience équivalente en 1997 avec Mars’ Pathfinder.

 

APSS : La dernière expérience qu’emporte InSight est nommée APSS pour Auxiliary Payload Sensor Subsystem. Cette dernière est un regroupement de plusieurs capteurs qui vont étudier l’environnement martien. Cette étude va aller du champ magnétique local (en effet Mars n’a pas de champ magnétique globale comme la Terre mais il existe des champs locaux) à celle des vents en passant par la température et la pression.

La raison principale d’avoir installé APSS est de pouvoir déterminer si les données du sismographe SEIS ne sont pas influencés par le champ magnétique ou les vents. Cependant APSS servira également en tant que véritable expérience pour améliorer notre connaissance de l’environnement martien.

Le magnétomètre d’InSight sera le tout premier instrument de ce genre à être posé sur Mars. Cet instrument permettra d’en apprendre plus sur les variations de ces champs magnétiques locaux, comme de savoir s’ils seraient modifiés par des interactions entre les vents solaires et l’ionosphère de Mars. Il permettra également de mesurer les effets sur le cœur métallique de ces champs et donc d’en apprendre encore plus sur celui-ci.

C’est l’Université de Californie qui a fourni ce magnétomètre comme elle l’avait fait pour d’autre missions de la NASA (Galileo par exemple).

Les instruments TWINS (Temperature and Winds for InSight) vont mesurer la température, la direction et la vitesse des vents. Pour ce faire, des bras extensibles vont se déployer de part et d’autre de l’atterrisseur avec à leur bout un thermomètre et un instrument capable de mesurer le mouvement de l’air dans trois directions.

C’est le centre d’astrobiologie de Madrid qui a proposé ces instruments. La NASA a ensuite simplement repris des pièces de rechange qu’ils avaient d’une station météo du rover Curiosity pour réaliser TWINS.

 

Etant donné que l’atterrisseur sera positionné dans l’hémisphère nord, les instruments SEIS et HP3 seront placés au Sud de celui-ci pour qu’il ne soit jamais dans son ombre. C’est d’ailleurs cette zone que regarderont en priorité les caméras de Mars InSight.

Mars InSight déposera également sur la surface de la planète rouge des réflecteurs nommés LaRRI. Ceux-ci mesurent seulement 5cm de diamètre et sont équipés de groupes de trois miroirs placés à angle droit. Ces groupes de miroirs permettent de réflechir un laser dans la direction dont il provient. L’agence spatiale italienne a fourni ces réflecteurs pour qu’ils puissent être utilisés par une future mission martienne pour se poser très précisément grâce à un altimètre à laser.

 

Un des réflecteurs LaRRI. Crédits : NASA

 

MarCO

L’étage Centaur de l’Atlas V emportait également deux petits CubeSats construits et développés par le JPL : MarCO A et B pour Mars Cube One. Cependant les équipes qui les ont développés préfèrent les appeler Eve et Wall-E en référence aux personnages du dessin-animé de Pixar. Ces deux petits satellites 6U (30cmx20cmx10cm) ont pour but de démontrer la possibilité de créer un réseau de relais avec des CubeSats.

 

Vue détaillée des cubesats MarCOs. Crédits : NASA

 

Pour tester ceci, MarCO A et B ont été envoyés en même temps qu’InSight et ils devraient servir de relais pendant la phase EDL. L’atterrisseur communiquera en bande UHF avec ces cubesats qui retransmettront les données en bande X à la Terre. Ces cubesats deviennent ainsi, par la même occasion, les premiers à quitter l’orbite terrestre !

 

Rôle de relai des MarCOs. Crédits : NASA

 

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Passionné d’ingénierie et d’aérospatiale.
Rédacteur actu spatiale officiel de KSC.