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Mission de retour d'échantillons martiens de la NASA et de l'ESA De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Cet article concerne la mission développée conjointement par la NASA et l'Agence spatiale européenne dont Mars 2020 est la première étape. Pour les projets et finalités des missions de retour d'échantillons de sol martien, voir Mission de retour d'échantillons martiens.
Mars Sample Return, désigné également par son acronyme MSR, est une mission de retour d'échantillons de sol martien sur Terre développée par l'agence spatiale américaine, la NASA, en collaboration avec l'Agence spatiale européenne. Ce projet remplit des objectifs scientifiques considérés comme fondamentaux pour la planétologie. Les instruments utilisés jusque là par les engins automatiques qui se sont posés sur le sol martien n'ont pu apporter que des informations limitées du fait de leur masse ne dépassant pas quelques dizaines de kilogrammes. Seuls les équipements terrestres permettront, en analysant les échantillons ramenés sur Terre, de contribuer à répondre aux questions portant sur l'histoire de Mars et celle du système solaire et sur la présence éventuelle de formes de vie passées.
Longtemps différé pour des raisons de coût et de difficultés techniques, le projet MSR est initié par le développement par la NASA de l'astromobile Perseverance, qui s'est posé début 2021. Un des objectifs de cette mission est de collecter et de documenter les échantillons du sol martien qui seront ramenés sur Terre. La mission MSR proprement dite nécessite la mise en œuvre de deux autres engins spatiaux. Sample Retrieval Lander (SRL), sous maîtrise d’œuvre de la NASA, doit se poser sur le sol martien et récupérer à l'aide d'un bras les échantillons qui seront amenés sur place par l'astromobile Perseverance. Les échantillons seront emportés par une petite fusée à propergol solide comportant deux étages, Mars Ascent Vehicle (MAV), qui s'insèrera en orbite martienne. Un deuxième engin spatial, Earth Return Orbiter (ERO) sous maîtrise d’œuvre de l'Agence spatiale européenne, doit se placer sur une orbite basse autour de Mars pour réaliser un rendez-vous orbital avec la fusée et récupérer le conteneur. ERO doit quitter l'orbite martienne et survoler la Terre pour larguer le conteneur protégé par un bouclier thermique. Celui-ci, après une rentrée atmosphérique, doit effectuer un atterrissage en douceur à la surface de la Terre. Son contenu sera par la suite analysé dans des installations conçues à cet effet. Pour pallier une défaillance de Perseverance avant l'arrivée de la mission de récupération, SRL emporte deux petits hélicoptères, dérivant directement d'Ingenuity, qui pourront si nécessaire récupérer les tubes contenant des échantillons placés dans les dépôts constitués dans ce but par l'astromobile.
Le retour d'échantillons martiens se caractérise par plusieurs premières techniques et impose l'enchaînement de trois missions spatiales distinctes dont aucune ne doit échouer. La récupération des échantillons nécessite un atterrissage d'une grande précision (60 mètres). L'atterrisseur SRL a une masse beaucoup plus élevée que Perseverance, ce qui rend particulièrement difficile l'atterrissage compte tenu de la faible densité de l'atmosphère martienne. Le décollage d'une fusée depuis le sol martien, loin de toute assistance humaine et dans des conditions hostiles (température, stockage prolongé des mécanismes délicats du lanceur), constituera une première. La récupération des échantillons et leur encapsulation repose sur un enchaînement entièrement automatisé de tâches complexes (rendez-vous orbital...).
Le feu vert pour le développement des deux missions de récupération est donné par la NASA fin 2020 et une ligne budgétaire d'un montant important est inscrite dans son budget pour 2022 et les années suivantes. De son côté, l'Agence spatiale européenne confie le développement de l'orbiteur ERO à Airbus. Selon le planning en vigueur courant 2023, les engins spatiaux ERO et SRL seront lancés respectivement en 2027 et 2028 et la capsule contenant les échantillons martiens atterrira sur Terre en 2033. Le coût de la mission, qui croît régulièrement et atteint en 2023 environ 8 à 9 milliards US$ hors coût de fonctionnement, est source de controverses aux États-Unis et menace les autres projets d'exploration du système solaire de la NASA.
Une mission qui réaliserait le retour d'échantillons du sol martien sur Terre présente de nombreux avantages par rapport aux missions scientifiques utilisant des robots équipés de mini-laboratoires embarqués comme Mars Science Laboratory/Curiosity. En effet :
Depuis les années 1980, plusieurs projets spatiaux sont étudiés, principalement aux États-Unis, dont le but est de ramener des échantillons de sol martien sur Terre. Toutes les études butent sur des problématiques de coût et de faisabilité technique. Elles permettent toutefois de définir et affiner un scénario réaliste et adoptent finalement un découpage en trois missions.
Le scénario de la mission unique, retenu lors des premières études, se heurte d'une part aux contraintes de masse des engins envoyés vers Mars par les lanceurs les plus puissants et d'autre part à la masse maximale qui peut être posée sur Mars avec les techniques maîtrisées (environ une tonne au maximum). Aussi les missions récentes étudiées par la NASA impliquent-elles le lancement de trois sondes spatiales distinctes :
À la fin des années 90, la NASA et le CNES ont étudié la possibilité de missions conjointes pour rapporter des échantillons de sol martien. Ce programme, déjà nommé "Mars Sample Return" devait exploiter les créneaux de lancement de 2003 et 2005[1]. Lors du premier lancement en 2003, un ou deux rovers de la NASA devaient être envoyés avec un lanceur américain (Delta III ou Atlas IIIA). L'un des rovers devait posséder un mini-lanceur (Mars Ascent Vehicle) capable de mettre en orbite martienne des conteneurs contenant les échantillons. Le second lancement, en 2005, était à la charge du CNES qui devait envoyer grâce à une Ariane 5 un orbiteur récupérer les échantillons en orbite et les ramener à la Terre. Ce projet, très semblable au projet actuel, fut abandonné pour des raisons à la fois techniques et budgétaires[2].
Le Rapport décennal sur les sciences planétaires rédigé en 2011 par des représentants de la communauté scientifique et publié par le Conseil national de la recherche des États-Unis définit les objectifs scientifiques prioritaires de l'exploration spatiale du système solaire pour la décennie à venir. Le rapport place au premier rang le retour d'un échantillon de sol martien sur Terre. Il recommande que l'agence spatiale américaine, la NASA, lance avant 2022 la mission réalisant la première étape de ce programme, c'est-à-dire la mission de collecte des échantillons, dans la mesure où son coût peut être maintenu sous la barre des 2,5 milliards de dollars. À l'époque, la NASA a entamé une collaboration avec l'Agence spatiale européenne pour ramener des échantillons sur Terre. La première mission de ce projet, à la charge de la NASA, est baptisée Mars Astrobiology Explorer-Cacher (MAX-C). L'architecture de cette mission repose sur celle de Mars Science Laboratory, qui est sur le point d'être lancée par la NASA[3].
En 2011 la NASA, pour des raisons budgétaires, décide d'annuler le projet MAX-C. La mission de retour d'échantillons martiens est repoussée à une date indéterminée[4].
À la suite de l'atterrissage réussi de l'astromobile Curiosity (mission Mars Science Laboratory) en , le président des États-Unis Barack Obama décide d'inclure dans le budget de la NASA la réalisation d'un nouveau rover martien. Contrairement à la démarche habituelle, cette décision est prise sans qu'aucun objectif scientifique n'ait été fixé à la future mission. Ce projet est rendu public par la NASA le , au cours d'un congrès de l'Union américaine de géophysique à San Francisco : l'astromobile, qui reprend l'architecture du MSL/Curiosity y compris le système de rentrée atmosphérique et d'atterrissage, doit être lancé vers Mars en 2020. La charge utile de l'astromobile doit être différente de celle de Curiosity. Grâce à la réutilisation des composants du MSL, l'agence spatiale table sur un coût de 1,5 milliard de dollars, autant que pour MSL[5],[6],[7].
En , à la demande de la NASA, un comité issu de la communauté scientifique (la Science Definition Team ou SDT) est constitué pour définir les objectifs de la future mission. Le rapport de plus de 150 pages rendu début fixe comme principal objectif la collecte d'échantillons martiens et leur stockage à la surface de la planète en attendant une mission chargée de les ramener sur Terre. Il lance donc la première phase du projet de retour d'échantillons de sol martien sur Terre régulièrement différé sans toutefois que ne soit planifié ni financées les phases permettant le retour de ceux-ci sur Terre[8],[9].
Les objectifs principaux de la mission sont :
Mars 2020 décolle le 30 juillet 2020 en profitant de la fenêtre de lancement vers Mars qui s'ouvre tous les 24 à 28 mois. L'astromobile atterrit le dans le cratère Jezero. Ce site, emplacement d'un ancien lac permanent qui conserve les traces de plusieurs deltas de rivière, a été retenu parce qu'il a pu constituer un lieu favorable à l'apparition de la vie et parce qu'il présente une grande diversité géologique. Durant son exploration, il est prévu qu'il traverse une partie de celui-ci avant de se diriger vers ce qui pourrait être les rives de l'ancien lac qui remplissait le cratère. Enfin, il doit escalader les rebords du cratère hauts de 600 mètres avant de parcourir les plaines environnantes. Durant sa mission primaire (un peu plus de deux années terrestres), l'astromobile pourrait réaliser à peu près la moitié de l'exploration planifiée.
En 2017 la NASA commence à planifier la suite de la mission Mars 2020 et à raffiner le déroulement du retour d'échantillons. L'Agence spatiale européenne choisit de collaborer au projet. En 2018, la phase de spécification des deux missions démarre dans les deux agences[13]. Elles sont en partie confiées à Airbus Defence and Space en prenant en charge le développement de l'orbiteur et de l'astromobile Sample Fetch Rover chargé de ramener les échantillons jusqu'à la fusée.
Selon le scénario en vigueur en avril 2020, les deux sondes spatiales développées respectivement par la NASA et l'Agence spatiale européenne doivent être lancées en 2026 dans le but de récupérer les échantillons de sol déposés sur Mars par l'astromobile Perseverance et les ramener sur Terre en 2031[14].
En août 2020 l'agence spatiale américaine a pratiquement décidé d'implémenter le projet en lançant la phase A du développement des missions SLR et ERO. Toutefois, avant de donner son feu vert, la NASA demande que le projet soit évalué par une commission composée d'experts indépendants, scientifiques et ingénieurs de la NASA ou rattachés à des organisations externes. La commission rend ses conclusions en . Celles-ci sont favorables au projet, mais elles émettent des réserves sur les modalités de sa mise en œuvre[15] :
À la suite de ces travaux, la NASA décide de lancer la phase A du projet en . L'application des recommandations de la commission nécessitant un accord du Congrès américain et de son partenaire, l'Agence spatiale européenne, la NASA repousse leur prise en compte à l'issue de cette phase (fin 2021)[15]. Le projet de budget de la NASA pour l'année fiscale 2022 établi début 2021 prévoit d'allouer des sommes en accord avec l'enveloppe et le calendrier officiel. En 2021, 246 millions US$ ont été alloués au projet. Cette somme passe à 653 millions US$ en 2022 puis 772 (2023), 800 (2024), 700 (2025) et 600 (2026)[16],[17],[18].
De son côté, l'Agence spatiale européenne passe contrat avec Airbus en pour le développement de l'orbiteur ERO (Earth Return Orbiter) pour un montant de 491 millions d'euros[19].
Le rapport du groupe de travail international réuni en août 2018 à l'initiative du IMEWG (Mars Exploration Working Group) définit de la manière suivante les objectifs d'une mission de retour d'échantillons[20] :
Le retour d'échantillons de sol martien sur Terre nécessite le recours successif à trois engins spatiaux : un engin chargé de collecter les échantillons de sol martien sur Mars (l'astromobile Perseverance de la mission Mars 2020 qui est sur Mars depuis début 2021), l'atterrisseur SRL qui se pose sur Mars pour récupérer les échantillons collectés et les envoie sur une orbite martienne à l'aide d'une petite fusée qu'il a déposée sur le sol et enfin l'orbiteur ERO qui récupère le conteneur en orbite martienne et le ramène sur Terre.
La sonde spatiale Mars 2020 emporte un astromobile (rover), baptisé Perseverance et développé par le centre Jet Propulsion Laboratory (JPL), associé à l'agence spatiale américaine. Ses caractéristiques sont proches du prédécesseur Curiosity de la sonde Mars Science Laboratory mais son principal objectif est l'identification, la collecte d'échantillons du sol martien et la constitution d'un ou de plusieurs dépôts de ces échantillons stockés dans des tubes hermétiques. Mars 2020 doit atterrir début 2021 dans le cratère Jezero. Ce site, emplacement d'un ancien lac permanent qui conserve les traces de plusieurs deltas de rivière, a été retenu parce qu'il a pu constituer un lieu favorable à l'apparition de la vie et parce qu'il présente une grande diversité géologique[14].
Selon le scénario en vigueur en octobre 2021, deux sondes spatiales développées respectivement par la NASA et l'Agence spatiale européenne doivent être lancées en 2026 dans le but de récupérer les échantillons de sol déposés sur Mars par l'astromobile Perseverance et les ramener sur Terre en 2031[14]. En 2018 la phase de spécifications des deux missions démarrent à l'Agence spatiale européenne et à la NASA[21]. Elles sont en partie confiées à Airbus Defence and Space[22]. Des fonds sont mobilisés pour réaliser ces travaux, mais les deux agences n'ont pas le budget pour les réaliser.
Les deux missions chargées de la suite du programme sont d'une part SRL, qui doit aller chercher les échantillons sur le sol martien (rover SFR) et les ramener sur une orbite martienne (fusée MAV), et d'autre part l'orbiteur martien ERO, qui doit assurer le support des opérations au sol (télécommunications) depuis l'orbite martienne, récupérer le conteneur renfermant les échantillons à la suite d'un rendez-vous en orbite martienne puis revenir sur Terre et larguer dans l'atmosphère terrestre la capsule contenant le conteneur. Cette dernière doit se poser en douceur sur un site terrestre sélectionné. La planification du projet constitue un des aspects les plus complexes de ces deux missions[14] :
L'ensemble de ces contraintes aboutit à une campagne 26-26-31, ces trois chiffres correspondant respectivement aux dates de lancement des deux engins (2026) et à l'année de l'arrivée de la capsule d'échantillons sur Terre (2031)[14].
La mission Sample Retrieval Lander (SRL) repose sur un engin spatial qui doit se poser sur Mars et dont l'objectif final est de ramener sur l'orbite martienne un container des échantillons de sol. Pour remplir cet objectif la sonde spatiale transporte d'une part un petit rover baptisé SFR (Sample Fetch Rover) qui va chercher les tubes contenant les échantillons de sol là où ils ont été déposés par l'astromobile de Mars 2020 et d'autre part une fusée MAV (Mars Ascent Vehicle) à propergol solide qui doit ramener les échantillons sur une orbite basse martienne. Le déroulement de cette mission est le suivant [14] :
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Earth Return Orbiter (ERO) est la troisième mission de MRS. L'engin spatial doit se placer sur une orbite basse martienne. Il sert de relais de télécommunications durant les opérations au sol de SRL puis récupère le container amené en orbite par la fusée MAV. Après avoir quitté l'orbite martienne il regagne la Terre. Le contrat industriel de l'ERO d'un montant de 491 millions d'euros a été officialisé par Airbus DS et l'agence spatiale européenne lors de la cyber édition du Congrès international d'astronautique de l'IAF le . Arrivé à proximité de celle-ci en 2031, il largue la capsule contenant les échantillons de sol martien qui vient se poser en douceur à la surface de la Terre. Le déroulement détaillé de cette mission est le suivant[14] :
L'astromobile Perseverance reprend l'architecture de Curiosity qui explore depuis la surface de Mars depuis 2011. Perseverance est un engin de plus d'une tonne qui dispose d'une palette d'instruments scientifiques (caméras, spectromètres de différents types) qui sont utilisés pour identifier les sites les plus intéressants, fournir le contexte du prélèvement effectué (caractéristiques géologiques, conditions climatiques à la formation) et effectuer une première analyse chimique : ce sont le spectromètre de fluorescence des rayons X PIXL, le spectromètre Raman SHERLOC, le spectromètre imageur SuperCam et la caméra Mastcam-Z. L'astromobile emporte également une station météorologique (MEDA) et un radar destiné à sonder les couches superficielles du sol (RIMFAX). Deux expériences doivent tester sur le terrain des technologies avant leur mise en œuvre de manière opérationnelle dans de prochaines missions : MOXIE produit de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne (ISRU) et MHS (Ingenuity), un petit hélicoptère de moins de deux kilogrammes, va tester les capacités d'un engin aérien dans l'atmosphère très ténue de Mars. Perseverance dispose d'un système de prélèvement et de conditionnement d'échantillons du sol qui constitue la moitié de la masse de sa charge utile. Il doit prélever une quarantaine de carottes de sol et de roches sur des sites sélectionnés à l'aide des instruments embarqués.
L'atterrisseur martien Sample Retrieval Lander (SRL) amène sur le sol martien la fusée (Mars Ascent Vehicle) qui doit ramener le conteneur d'échantillons martiens (Orbiting Sample ou OS) en orbite. Une fois en orbite un rendez-vous orbital avec l'engin européen Earth Return Orbiter permettra à ce dernier de récupérer le conteneur et de le ramener sur Terre. L'atterrisseur martien transporte non seulement la fusée SRL mais également le bras articulé Sample Transfer Arm chargé de récupérer les tubes déposés sur le sol à proximité de l'atterrisseur par l'astromobile Perseverance. Si ce dernier n'est pas au rendez-vous, SRL dispose de deux hélicoptères Sample Recovery Helicopter équipés d'une pince pour récupérer les tubes là où ils ont été déposés[23].
Sample Retrieval Lander (SRL) est l'engin spatial le plus lourd ayant jamais été posé sur Mars. Sa masse au lancement est de 3 375 kilogrammes et il dépose une charge utile de 563 kilogrammes sur la planète soit le double des équipements emportés par Perseverance. Il est haut de 2,1 mètres et une fois ses panneaux solaires déployés son diamètre atteint 7,7 mètres. Les cinq panneaux solaires de forme circulaire ont chacun un diamètre de 2,19 mètres. Ils alimentent des accumulateurs qui permettent à l'atterrisseur de remplir sa mission. Pour faciliter le transfert des tubes contenant les échantillons de sol martien, l'atterrisseur doit se poser à faible distance de l'astromobile Perseverance (moins de 60 mètres). Pour y parvenir, l'engin spatial utilisera une version améliorée du logiciel de navigation Terrain Relative Navigation (TRN) mis en oeuvre lors de l'atterrissage de Mars 2020 / Perseverance et disposera d'une caméra supplémentaire[23].
La charge utile principale de SRL comprend d'une part un bras long de 2 mètres utilisé pour récupérer les échantillons déposés par l'astromobile et d'autre part la fusée Mars Ascent Vehicle (MAV) qui doit ramener le conteneur des échantillons en orbite. Deux petits hélicoptères Sample Recovery Helicopter (SRH) sont utilisés en secours si l'astromobile Perseverance tombe en panne avant l'arrivee de la mission SLR.
La fusée Mars Ascent Vehicle (MAV) est chargée de transporter le conteneur d'échantillons martiens (Orbiting Sample ou OS) en orbite. Elle est haute de 3 mètres pour un diamètre de 0,5 mètre et a une masse de 450 kilogrammes (poids de 169 kilogrammes sur Mars). Elle injecte sa charge utile sur une orbite martienne après 10 minutes de fonctionnement qui lui permettent d'atteindre la vitesse de 4 kilomètres par seconde nécessaire. C'est une fusée à propergol solide comportant deux étages. Le premier étage fonctionne durant 75 secondes. Le contrôle d'orientation de la fusée est réalisé en modifiant l'axe de poussée du moteur. Après l'extinction du premier étage, la fusée éjecte celui-ci qui va s'écraser sur le sol martien puis poursuit sa trajectoire sur son inertie durant un certain temps avant d'allumer le deuxième étage qui fonctionne durant 20 secondes. Cet étage est stabilisé par rotation. Après extinction le second étage et l'OS se trouvent sur une orbite martienne. La méthode de lancement de la fusée est particulière : elle est éjectée par l'atterrisseur à 4,5 mètres de hauteur puis le premier étage est allumé. Cette éjection est effectuée de manière que la tête de la fusée pointe vers le ciel au moment de la mise à feu du moteur-fusée. MAV devrait être la première fusée à décoller depuis un autre astre que la Terre[24].
Le container Orbiting Sample (OS) contient jusqu'à 30 tubes préparés par Perseverance contenant des échantillons de roches, de régolithe et de l'atmosphère martienne. Il est conçu pour maintenir son contenu à une température inférieure à 30° C afin de le préserver dans son état naturel. Ce container placé au sommet de la fusée MAV est rempli à l'aide du bras télécommandé du SRL. Une fois en orbite martienne, il est transféré dans la capsule installée à bord de l'engin spatial ERO qui le ramène à proximité de la Terre. L'OS est un cylindre de 24 centimètres de haut pour 22,5 centimètres de diamètre. Sa masse est de 11 kilogrammes[24].
Les deux hélicoptères Sample Recovery Helicopter sont directement dérivés de l'hélicoptère Ingenuity utilisé de manière expérimentale à partir de 2021 sur le sol martien dans le cadre de la mission Mars 2020 / Perseverance dont ils reprennent l'architecture et la taille. Disposant d'un rotor de 1,2 mètre de diamètre et hauts de 52 centimètres, ils ont une masse de 2,26 kilogrammes (poids de 0,86 kilogramme sur Mars). Ils se distinguent de Ingenuity par leur train d'atterrissage - les quatre pieds sont remplacés par des roues de 10 centimètres de diamètre et de 2 centimètres de large) qui leur permettent de se déplacer sur le sol pour effectuer des déplacements courts - et par la présence d'une pince articulée qui sera utilisée pour saisir les tubes d'échantillons. Leur vitesse horizontale maximale est de 5 mètres par seconde (environ 18 km/h), leur rayon d'action est de 700 mètres et l'altitude maximale est de 20 mètres. L'énergie est fournie par des panneaux solaires qui chargent des accumulateurs lithium-ion[25].
ERO Earth Return Orbiter est une sonde spatiale qui doit répondre à deux objectifs[26] :
Ces deux exigences nécessitent de disposer d'une capacité d'accélération (delta-V) importante. Pour y parvenir ERO utilise une propulsion hybride chimique et électrique. La propulsion chimique est utilisée pour l'insertion sur l'orbite martienne (qui nécessite une poussée importante et brève) tandis que la propulsion électrique réalise l'injection sur l'orbite de transit vers Mars puis vers la Terre ainsi que l'abaissement de l'orbite autour de Mars. Pour alimenter ses moteurs électriques, la sonde spatiale dispose d'immenses panneaux solaires déployés en orbite. d'une superficie de 144 m². La sonde spatiale sera lancée par une fusée Ariane 64. Une fois en orbite autour de Mars, la sonde spatiale fait également office de relais de télécommunications entre le SRL et l'astromobile Perseverance d'une part et la Terre d'autre part. La fabrication de la sonde spatiale est distribuée entre les différents établissements d'Airbus : électronique principale, assemblage et test (France), énergie, propulsion, navigation, système de capture (Allemagne), Module d'insertion en orbite, télécommunications (Italie), propulsion et contrôle d'énergie (Espagne), panneaux solaires (Norvège)[19],[26].
La charge utile principale de la sonde spatiale est constituée par le module, baptisé CCRS (Capture, Containment, and Return System), chargé de capturer le deuxième étage de la fusée décollant de Mars, conditionner les échantillons de sol martien et ramener la capsule contenant ceux-ci sur Terre. CCRS a une masse de 600 kilogrammes (mais seulement 100 kilogrammes à sa rentrée dans l'atmosphère terrestre car l'essentiel des équipements sont éjectés après usage au niveau de l'orbite martienne pour alléger la charge à ramener sur Terre). Les dimensions de ce module au lancement sont de 2 x 2,5 x 1,5 mètres. La charge utile comprend également la capsule EES (Earth Entry System) contenant les échantillons et qui revient sur le sol terrestre. EES a la forme d'un cône de 1,5 mètre de diamètre et haut de 45 centimètres avec un angle très ouvert. Sa masse est de 90 kilogrammes. Il comporte un bouclier thermique conçu pour protéger le contenu lorsque de la rentrée atmosphérique[26].
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