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atterrisseur d'ExoMars De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Pour les articles homonymes, voir Schiaparelli.
Schiaparelli ou ExoMars EDM (EDM pour ExoMars Entry, Descent and Landing Demonstrator Module) est un atterrisseur expérimental développé par l'Agence spatiale européenne (ESA), qui s'est écrasé à l'atterrissage sur la planète Mars le , en raison de l'échec de la procédure de freinage. La mission de Schiaparelli devait permettre de valider les techniques de rentrée atmosphérique et d'atterrissage qui seront mises en œuvre par de futures missions martiennes européennes. L'engin spatial est développé dans le cadre du programme ExoMars de l'ESA, avec la participation de l'agence spatiale russe Roscosmos.
| Organisation |
 Agence spatiale européenne |
|---|---|
| Domaine | Technologie |
| Type de mission | Atterrisseur martien expérimental |
| Statut | Échec (perte à l'atterrissage) |
| Lancement | |
| Lanceur | Proton (fusée) |
| Fin de mission | |
| Durée | Prévue pour huit jours de mesures in situ |
| Site | exploration.esa.int/mars/46124-mission-overview |
| Masse au lancement | 577 kg |
|---|
| Localisation | Mars (353,79° ouest 2,07° sud) |
|---|
| DREAMS | Station météorologique |
|---|
Schiaparelli est lancé le par une fusée russe Proton avec l'orbiteur martien ExoMars Trace Gas Orbiter, qui assure son transport jusqu'à proximité de Mars. Le 19 octobre 2016, il entame sa descente vers le sol martien mais tout contact est perdu peu après le largage du bouclier thermique et une trentaine de secondes avant l'atterrissage. L'orbiteur de la NASA MRO parvient à photographier les traces de l'impact de Schiaparelli qui s'est écrasé à quelques kilomètres du centre de la zone d'atterrissage prévue.
L'engin spatial d'une masse totale de 577 kg utilisait un véhicule de descente équipé d'un bouclier thermique le protégeant de la chaleur générée par la rentrée atmosphérique à grande vitesse, d'un parachute déployé une fois la vitesse tombée à Mach 2, et enfin, de moteurs-fusées à ergols liquides qui devaient lui permettre de se poser en douceur. Il emportait également une petite charge utile scientifique, mais sa durée de vie prévue sur le sol martien était limitée par la capacité de ses batteries qui n'étaient pas rechargeables.
Au début des années 2000, un projet d'astromobile martien européen ExoMars est mis à l'étude. Ce projet ambitieux est repoussé à plusieurs reprises car il nécessite à la fois des moyens financiers importants et la maitrise des techniques d'atterrissage sur Mars. Il est inscrit en 2005 comme mission majeure (Flagship mission) du Programme ExoMars.
ExoMars EDM est un atterrisseur fixe prévu à l'origine pour transporter un groupe de onze instruments dénommés collectivement « ensemble instrumental Humboldt »[1], anciennement « GEP » (Geophysical and Environmental Payload, soit charge utile géophysique et environnementale)[2], qui serait consacré à l'étude géophysique de l'intérieur profond de la planète. Mais au premier trimestre 2009, une revue de confirmation de la charge utile a entraîné la réévaluation du nombre d'instruments de l'atterrisseur et la suite Humboldt a été annulée[3] : le maître d'œuvre industriel ne pouvant pas converger sur une solution technique, cette suite d'instruments ne sera finalement pas embarquée[4]. Cette suite d'instruments fixes, dédiés à la géophysique interne et à l'étude de l'environnement, devait mesurer des propriétés géophysiques de première importance pour comprendre Mars et son habitabilité à long terme, telles que l'activité sismique, tectonique et volcanique, et la mesure du flux de chaleur interne. Cet ensemble instrumental devait également s'intéresser au rayonnement ultraviolet, à l'étude de la poussière, de l'humidité et comprendre un bras météorologique. Il devait être capable de survivre plusieurs années sur Mars, afin de mesurer des variations à long terme de l'environnement, et permettre d'initier un futur réseau de stations scientifiques à la surface de Mars.
En , la NASA et l'Agence spatiale européenne associent leurs projets d'exploration de la planète Mars dans le cadre de l'Initiative conjointe d'exploration de Mars. La première matérialisation de cet accord est le programme ExoMars, qui prévoit le développement de quatre engins spatiaux :
La seconde partie du programme, baptisée ExoMars 2018, devait être lancée en 2018 par une unique fusée et comprendre le lancement des deux astromobiles qui devront effectuer l'atterrissage en partageant le même module de descente. Le constructeur franco-italien Thales Alenia Space a été retenu pour la construction d'ExoMars TGO et d'ExoMars EDM[5].
Mais en 2011, la NASA subit à la fois des restrictions budgétaires liées à la crise économique en cours et un énorme dépassement de son projet de télescope spatial James-Webb. Pour faire face à ses problèmes de financement, l'agence spatiale américaine se dégage d'abord en partie du programme Exomars, avant d'abandonner complètement sa participation.
L'ESA ne pouvant supporter seule le coût du programme, elle fait appel à l'agence spatiale russe Roscosmos, qui vient de subir l'échec de sa sonde spatiale martienne Phobos-Grunt. En , l'ESA officialise son partenariat avec Roscosmos. Les termes de l'accord prévoient que l'agence spatiale russe fournisse des fusées Proton pour les lancements de 2016 et 2018. En , l'atterrisseur est baptisé Schiaparelli, en l'honneur de l'astronome italien Giovanni Schiaparelli auteur d'une première cartographie de la planète Mars[6].
L'un des principaux objectifs assignés aux missions spatiales à destination de la planète Mars est la recherche de traces de vie passée ou actuelle. L'approche la plus pertinente pour cette recherche est d'effectuer des investigations sur le sol martien. Mais la réalisation d'un atterrissage contrôlé sur la planète rouge est un exercice difficile, comme l'ont prouvé les nombreux échecs de missions martiennes. L'Agence spatiale européenne, qui n'a jusqu'à présent jamais posé une mission sur le sol martien, veut acquérir cette expertise à l'aide de ExoMars EDM. Cet engin doit permettre de valider les différentes techniques mises en œuvre durant la rentrée atmosphérique, la descente puis l'atterrissage[7]. Les solutions et dispositifs techniques testés sont les suivants[8] :
| Caractéristiques | Schiaparelli (2016) | Viking (1975) | Mars Pathfinder (1996) | MER (2003) | MSL (2011) |
|---|---|---|---|---|---|
| Masse au début de la rentrée atmosphérique | 600 kg | 992 kg | 584 kg | 827 kg | 3 299 kg |
| Masse à l'atterrissage | 300 kg | 590 kg | 360 kg | 539 kg | 1 541 kg |
| Masse du rover | - | - | 10,5 kg | 185 kg | 899 kg |
| Contrôle durant la rentrée atmosphérique | Non | Orientation uniquement | Non | Non | Angle d'attaque |
| Ratio portance/trainée | ? | 0,18 | 0 | 0 | 0,22 |
| Diamètre du parachute | 13 m | 16 m | 12,5 m | 14 m | 21,5 m |
| Vitesse à l'ouverture du parachute | Mach 1,4 | Mach 1,1 | Mach 1,57 | Mach 1,77 | Mach 2 |
| Vitesse verticale et horizontale à l'atterrissage | Vv < 4 m/s | 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 | Rétrofusées | Coussins gonflables | Coussins gonflables | Grutage |
| Précision de l'atterrissage | 100 × 15 km | 280 × 180 km | 200 × 100 km | 80 × 12 km | 7 × 20 km |
ExoMars EDM a la forme d'une soucoupe d'un diamètre de 2,4 mètres (1,65 mètre sans le bouclier thermique) d'une masse totale de 577 kg[11]. Son arrivée sur Mars est programmée pour la saison des tempêtes et il est conçu pour y faire face. Il comprend un bouclier thermique avant, un bouclier arrière, un parachute, un ensemble de moteurs-fusées destinés à assurer le freinage final, un radar altimètre Doppler. Un ensemble de capteurs doit effectuer des mesures durant la descente qui sont transmises vers la Terre pour permettre de contrôler le comportement de l'atterrisseur. Celui-ci ne dispose pas de panneaux solaires et a une durée de vie limitée à huit sols (jours martiens) en raison de la capacité de ses batteries. ExoMars EDM emporte une petite charge utile qui doit permettre d'étudier son environnement après l'atterrissage. La partie de la sonde qui se pose sur le sol martien ne pèse plus que 300 kg à l'atterrissage après séparation des bouclier et du parachute, et compte tenu de la consommation de carburant[5].
Le bouclier arrière en forme de cône avec un angle de 47° est réalisé en nid d'abeilles d'aluminium de 25 mm d'épaisseur, et est recouvert d'une peau en carbone de 0,3 mm d'épaisseur avec des renforts atteignant 1,2 mm. Le bouclier avant a la forme d'un cône beaucoup plus ouvert (70°) ; réalisé en nid d'abeilles de 20 mm d'épaisseur, il est recouvert d'une peau de carbone. L'isolant thermique est constitué par des tuiles en matériau ablatif utilisant du Norcoat Liège, une poudre de liège et de résine phénolique utilisée pour Beagle 2 et ARD. Son épaisseur est au maximum de 16,8 mm sur le bouclier avant, et elle va de 7,9 à 9 mm sur le bouclier arrière. Il est conçu pour résister à un flux de 2,1 kW/m2.
Le bouclier thermique est équipé d'une batterie de capteurs qui doivent permettre de reconstituer le déroulement des opérations[5] :
Le parachute, qui est déployé grâce à un mortier alors que le module de descente se déplace à la vitesse de Mach 2,1, a un diamètre de douze mètres ; il comporte une fente. Il constitue une évolution de l'engin mis au point pour la sonde Huygens. La propulsion, utilisée durant la dernière phase de la descente pour ralentir l'atterrisseur, est assurée par neuf moteurs-fusées de type CHT-400 regroupés par groupes de trois. Chaque moteur a une poussée unitaire de 400 newtons et brûle de l'hydrazine stockée dans trois réservoirs d'une capacité maximum de 45 kg. Le carburant est mis sous pression par de l'hélium et est injecté à 24 bars dans les chambres de combustion.
L'électronique embarquée comprend deux centrales à inertie, un radar altimètre Doppler permettant de connaître à la fois la vitesse et la distance du sol, un senseur solaire utilisé immédiatement après la séparation avec ExoMars TGO pour déterminer l'orientation du module de descente, deux ordinateurs de bord et quatre antennes. Ces équipements sont installés sur une plateforme qui comporte une structure qui absorbe le choc de l'atterrissage en s'écrasant. Une antenne est installée sur le bouclier arrière, qui est fonctionnelle pendant le début de la rentrée atmosphérique. L'électronique assure le guidage et permet de connaître l'altitude de l'engin avec une précision de 1,5 m à l'atterrissage. Au moment où les propulseurs sont coupés juste avant l'atterrissage, la vitesse horizontale est inférieure ou égale à un mètre par seconde, et la vitesse verticale est inférieure à deux mètres par seconde.
La durée de vie au sol de l'engin spatial est limitée à huit jours, car l'énergie est fournie par des batteries qui ne sont pas rechargeables, ce qui limite l'intérêt d'instruments embarqués. Il avait été envisagé que la Russie fournisse un générateur thermoélectrique à radioisotope, ce qui aurait permis à l'atterrisseur EDM de fonctionner sur la surface de Mars pendant plusieurs mois[12], mais cette modification a été abandonnée car intervenant trop tard dans la conception de l'EDM[13].
La charge utile de Schiaparelli comprend une petite station météorologique DREAMS, trois ensembles de capteurs ainsi qu'un équipement expérimental. Les contraintes découlant de la masse totale de l'engin spatial limitent à 3 kg la masse allouée à la charge utile.
La charge utile scientifique de Schiaparelli est une petite station météorologique DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface, soit caractérisation de poussière, évaluation des risques, et analyseur d'environnement à la surface martienne). Elle se compose d'une série de capteurs permettant de mesurer la vitesse et la direction du vent (MetWind), l'humidité (MetHumi), la pression (MetBaro), la température de surface (MarsTem), la transparence de l'atmosphère (ODS pour Optical Depth Sensor, soit capteur de profondeur optique), et l'électrification atmosphérique (MicroARES pour Atmospheric Radiation and Electricity Sensor, soit capteur d'électricité et de rayonnement atmosphérique)[14].
La charge utile DREAMS fonctionnera comme une station environnementale pendant toute la durée de la mission EDM après l'atterrissage. DREAMS fournira les premières mesures de champs électriques à la surface de Mars (avec MicroARES). Combinées avec des mesures (à partir de l'instrument ODS) de la concentration de poussières dans l'atmosphère, DREAMS offrira de nouvelles perspectives sur le rôle des forces électriques de soulèvement de la poussière, le mécanisme qui déclenche des tempêtes de poussière. En outre, le capteur MetHumi complétera les mesures de MicroARES avec des données critiques sur l'humidité, ce qui permettra aux scientifiques de mieux comprendre le processus d'électrification de la poussière[14].
Schiaparelli emporte trois équipements destinés à vérifier les performances de l'atterrisseur (caméra DECA, AMELIA, COMARS) et un équipement expérimental (INRII)[15].
L'atterrisseur Schiaparelli a été lancé avec l'orbiteur martien ExoMars Trace Gas Orbiter également développé par l'Agence spatiale européenne. La fenêtre de lancement était comprise entre le 14 et le . Les deux engins spatiaux ont été lancés le par une fusée Proton-M/Briz-M depuis le cosmodrome de Baïkonour[16].
Schiaparelli était fixé à l'orbiteur et devait rester inactif jusqu'à l'arrivée à proximité de Mars. Quelques jours avant l'insertion en orbite autour de Mars de ExoMars Trace Gas Orbiter, l'atterrisseur devait s'en détacher et poursuivre une trajectoire purement inertielle jusqu'à la rentrée dans l'atmosphère de Mars. Une fois posé sur le sol de Mars, l'atterrisseur dont la seule source d'énergie était constituée par des batteries, devait fonctionner durant environ huit jours en transmettant des données recueillies par ses instruments à l'orbiteur de la NASA MRO.
Le , trois jours avant l'arrivée sur Mars, Schiaparelli se détache de son vaisseau porteur ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) pour que celui-ci puisse manœuvrer à temps afin de ne pas pénétrer dans l'atmosphère comme l'atterrisseur. Avant le largage, TGO adopte une orientation précise pour que la trajectoire de Schiaparelli, qui est dépourvu de propulsion, l'amène directement sur le site d'atterrissage visé. Des ressorts inclinés sont libérés et repoussent Schiaparelli qui s'éloigne à une vitesse de 32 cm/s avec une vitesse de rotation de 2,7 tours par seconde destinée à stabiliser sa trajectoire[17],[18].
L'atterrisseur entame sa descente vers le sol martien le vers 14 h 42 UTC. Le grand radiotélescope de Pune en Inde se met à l'écoute de la radio de Schiaparelli, un signal très faible conçu pour être capté par les orbiteurs martiens 75 minutes avant que l'engin n'entame la traversée de l'atmosphère. Par ailleurs, la trajectoire de Trace Gaz Orbiter et les orbites des engins déjà sur place (Mars Express de l'ESA, MRO et MAVEN de la NASA) ont été choisies de manière que ceux-ci reçoivent les données télémétriques de l'atterrisseur durant sa descente[19]. Le signal reçu à la fois par le radiotélescope indien et Mars Express, démontre que Schiaparelli a survécu à la rentrée atmosphérique à grande vitesse et qu'il a pu larguer successivement le bouclier thermique avant puis arrière. Cependant, le signal s'interrompt peu après cette phase et la mise à feu des rétrofusées qui n'ont fonctionné que 3 à 4 secondes au lieu des 30 secondes programmées[20].
L'analyse révèle que le bouclier thermique a correctement réalisé sa fonction de freinage aérodynamique. Le parachute s'est ensuite correctement déployé, mais les dynamiques induites ont brièvement saturé la centrale inertielle avec pour effet une erreur d'estimation d'altitude de Schiaparelli par l'ordinateur de bord entraînant l'éjection prématurée du parachute et le fonctionnement des 3 × 3 rétrofusées pendant seulement quelques secondes à 3,7 km au-dessus du sol. En conséquence, Schiaparelli a effectué une chute libre de 3-4 kilomètres de hauteur dans l'atmosphère martienne, avant de venir percuter le sol à la vitesse substantielle de plus de 300 kilomètres par heure[21].
| Phase | Date | Temps écoulé depuis la rentrée dans l'atmosphère |
Altitude | Vitesse verticale |
Événement |
|---|---|---|---|---|---|
| Lancement et transit | 14 mars 2016 | Lancement | |||
| 16 octobre 2016 | Le module Schiaparelli se sépare de l'orbiteur Trace Gas Orbiter | ||||
| Descente et atterrissage | 19 octobre | 0 | 121 km | 21 000 km/h | Début de la rentrée dans l'atmosphère martienne |
| 1 minute 12 secondes | 45 km | 19 000 km/h | Pic de l'échauffement du bouclier thermique | ||
| 3 minutes 21 secondes | 11 km | 1 700 km/h | Ouverture du parachute | ||
| 4 minutes 1 seconde | 7 km | 320 km/h | Largage du bouclier thermique avant | ||
| 5 minutes 22 secondes | 1,2 km | 240 km/h | Largage du bouclier thermique arrière et du parachute | ||
| 5 minutes 23 secondes | 1,1 km | 250 km/h | Mise à feu des moteurs-fusées | ||
| 5 minutes 26 secondes | 0,9 km | 252 km/h | Manœuvre destinée à éviter une collision avec le bouclier arrière | ||
| 5 minutes 41 secondes | 2 mètres | 4 km/h | Arrêt de la propulsion ; le module est en chute libre | ||
| 5 minutes 42 secondes | 0 mètres | 10 km/h | Atterrissage | ||
| Opérations au sol | 19 octobre | Début des opérations scientifiques | |||
| vers 27 octobre | Fin des opérations scientifiques (batteries électriques épuisées) | ||||
Des images fournies par la caméra Context CTX de l'orbiteur martien de la NASA MRO avec une résolution de six mètres permettent d'identifier avec certitude le site de l'impact de Schiaparelli ainsi que le parachute de quinze mètres qui repose environ 900 mètres plus loin. En s'écrasant, l'atterrisseur a labouré le sol en laissant une trace de quinze mètres sur quarante. Il est possible que l'énergie de l'impact ait été augmentée par l'explosion de l'hydrazine dont il devait rester environ 90 % dans les réservoirs. L'impact se trouve à environ 5,4 km vers l'ouest du centre de l'ellipse prévue pour l'atterrissage[23], ce qui montre que Schiaparelli avait suivi une trajectoire nominale jusqu'à la défaillance à l'origine de l'échec de la mission. Les ingénieurs de l'Agence spatiale européenne disposent d'environ 600 mégaoctets de données transmises durant la descente qui vont être analysées[Quand ?] pour identifier l'origine de la défaillance. Les photographies qui devaient être prises durant la phase finale de la descente n'ont pas pu être transmises. L'orbiteur MRO effectue un nouveau passage au-dessus du site, prenant des photos avec HiRISE, capable d'atteindre une résolution de 30 cm[24],[25],[26],[27]. Malgré l'échec de l'atterrissage, Schiaparelli a néanmoins permis de valider les phases d'entrée et de descente[26].
L'enquête menée par l'Agence spatiale européenne à partir des télémesures transmises par Schiaparelli a permis de déterminer l'origine de la défaillance qui a fait l'objet d'un premier communiqué fin novembre 2016 puis d'un rapport final[28] publié le 24 mai 2017, détaillant la chronologie et la cause de l'échec de l'atterrissage :
| Date | Temps écoulé depuis la rentrée dans l'atmosphère |
Altitude | Vitesse verticale |
Événement |
|---|---|---|---|---|
| 19 octobre | 0 | 121 km | 21 000 km/h | Début de la rentrée dans l'atmosphère martienne. |
| 3 minutes 1 seconde | 12 km | 1 730 km/h | Ouverture du grand parachute et saturation du capteur de mesure angulaire. | |
| 3 minutes 57 secondes | 6 km | Mauvaise interprétation de la position de la sonde par l'ordinateur de bord. | ||
| 4 minutes 27 secondes | 4,3 km | Largage du bouclier thermique arrière et du parachute et mise à feu des moteurs-fusées. | ||
| 4 minutes 31 secondes | 3,7 km | Arrêt des moteurs-fusées ; le module est en chute libre. | ||
| 5 minutes 4 secondes | 0 km | 540 km/h | Écrasement sur le sol martien. |
Le site d'atterrissage prévu de Schiaparelli est une ellipse de 100 km sur 15 km centrée par 353° est et 2° sud, située dans Meridiani Planum[31] à une altitude de −1 424 mètres[32]. Il se trouve non loin du site d'atterrissage du rover Opportunity[33]. La zone d'impact probable de l'atterrisseur est localisée par 353,79° est et 2,07° sud[23], à environ 5,4 km vers l'ouest du centre de l'ellipse d'atterrissage prévue[31] et à 54 km de la position où se situait à l'instant du crash le rover Opportunity[34].
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