Sonde spatiale

Une sonde spatiale est un véhicule spatial sans équipage lancé dans l'espace pour étudier à plus ou moins grande distance les objets célestes qui se trouvent dans le système solaire : soleil, planète, lune, comète, astéroïde , milieu interplanétaire ou interstellaire. Elle se distingue des autres engins spatiaux non habités qui restent en orbite terrestre. Les sondes spatiales peuvent prendre un grand nombre de formes pour remplir leur mission : orbiteur placé en orbite autour du corps céleste observé, atterrisseur qui explore in situ le sol de la planète cible. Une sonde peut emporter des engins autonomes pour accroître son champ d'investigation : sous-satellite, impacteur, rover, ballon.

Une sonde spatiale est amenée à franchir de grandes distances et à fonctionner loin de la Terre et du Soleil ce qui impose des dispositifs spécifiques. Elle doit disposer de suffisamment d'énergie dans des régions où le rayonnement solaire ne fournit plus qu'une énergie limitée, disposer d'une grande autonomie de décision car l'éloignement du centre de contrôle ne permet plus aux opérateurs humains de réagir en temps réel aux événements, résoudre des problèmes de télécommunications rendus difficiles par les distances qui réduisent les débits et résister au rayonnement et à des températures extrêmes qui malmènent l'électronique embarquée et ses mécanismes. Enfin pour parvenir à destination à un coût et dans des délais acceptables, la sonde spatiale est amenée à utiliser des méthodes sophistiquées de navigation et de propulsion : assistance gravitationnelle, aérofreinage, propulsion ionique.

Les premières sondes spatiales sont les sondes Luna lancées vers la Lune par l'Union soviétique en 1959. En 1961 l'Union Soviétique lance Venera la première sonde amenée à étudier une autre planète. La Russie, qui était leader au début de l'ère spatiale n'a plus de rôle actif depuis une quinzaine d'années et a laissé cette place aux États-Unis. L'Agence spatiale européenne (Mars Express, Venus Express, Rosetta, participation à la sonde Cassini-Huygens) et le Japon (Hayabusa, SELENE) ont aussi pris une importance croissante. Enfin, la Chine et l'Inde réalisent également depuis la fin des années 2000 des sondes spatiales. Pour pallier un coût de développement élevé (jusqu'à plusieurs milliards de $), la réalisation des sondes spatiales fait maintenant souvent l'objet d'une coopération internationale.

Définition

Une sonde spatiale est un véhicule spatial lancé sans équipage humain dont l'objectif est d'explorer le Système solaire : planète, lune, comète, astéroïde, milieu interplanétaire ou interstellaire. Sa charge utile est constituée d'instruments scientifiques de différentes natures - caméras fonctionnant ou non en lumière visible, spectromètres, radiomètres, magnétomètres… - qui permettent de collecter des données in situ ou à distance qui sont ensuite transmises vers la Terre. Si dans son architecture générale une sonde spatiale est souvent proche d'un satellite artificiel en orbite autour de la Terre, plusieurs caractéristiques en font des engins particuliers :

• La distance entre les opérateurs au sol et l'engin qui impose à la fois une grande autonomie et un système de communication à la fois puissant et précis
• La complexité des taches à enchainer : atterrissage sur des objets célestes pourvus d'une atmosphère ou ayant une gravité très faible, pointage précis des instruments sur des cibles défilant à grande vitesse, collecte d'échantillons, procédures de sauvegarde en cas de défaillance
• La précision et la complexité de la navigation
• L'exposition au rayons cosmiques
• La sophistication de l'instrumentation scientifique liée à la nécessité d'alléger la charge utile et aux performances exigées
• La faiblesse de l'énergie solaire disponible si la sonde est à destination des planètes externes
• Des températures beaucoup plus extrêmes lorsque la sonde est envoyée vers les planètes extérieures ou en deçà de l'orbite de Mercure
• La durée de la mission qui peut débuter après un transit allant jusqu'à une dizaine d'années.

Planification par phase

Les différentes phases d'un projet spatial selon le CNES^[1]

Phase	Intitulé	Objectifs	Livrable	Revue de fin de phase	Remarques
0	Identification des besoins	Identifier les besoins rechercher les concepts évaluer les couts et délais		Revue de Définition de mission
A	Faisabilité	Affiner les besoins évaluer les concepts	Sélection d'une solution	Revue des exigences préliminaires
B	Définition préliminaire	Confirmer la faisabilité , réaliser une définition préliminaire		Revue des exigences système revue des définitions préliminaire
C	Définition détaillée	Définition détaillée	Cahier des charges pour la fabrication	Revue critique de définition
D	Production / qualification au sol	Fabrication, tests	Livraison de l'engin spatial	Revue de qualification revue d'acceptation
E	Utilisation	Vérifier l'aptitude opérationnel, faire fonctionner l'engin		Revue d'aptitude opérationnelle revue d'aptitude au vol revue d'exploitation	Cette phase débute avec le lancement de la sonde spatiale
F	Retrait de service	Retirer du service opérationnel sans perturber l'environnement		Fin de vie

La sélection du projet

Les missions d'exploration du système solaires sont couteuses et de ce fait rares (quelques missions par an toutes agences spatiales confondues) alors que les sujets d'étude se multiplient au fur et à mesure des avancées scientifiques. Le processus de sélection est donc sévère et très encadré. Les principales agences spatiales s'appuient pour déterminer leur stratégie d'exploration spatiale sur des documents produits par les principales autorités scientifiques. Pour la NASA c'est le Planetary Science Decadal Survey produit tous les dix ans tandis que l'Agence spatiale européenne a fait réaliser un document similaire pour son programme scientifique Cosmic Vision mis en place en 2004 pour les projets débouchant en 2015-2025. Le CNES français, bien que disposant d'un budget de recherche qui ne lui permet pas de réaliser des engins d'exploration du système solaire de manière autonome, procède de même. Dans ce cadre un appel à idées purement prospectif peut être lancé par l'agence spatiale suivi d'un appel à propositions (AO). Ce dernier débouche normalement sur la sélection puis le développement d'une mission. Il est lancé dans un cadre budgétaire préétabli. À la NASA cette ligne budgétaire pour un type de mission est disponible périodiquement comme dans le cas des New Frontiers ou Discovery qui permettent de développer respectivement 2 et 4/5 missions par décennie. L'ESA qui ne dispose que d'une fraction du budget de la NASA sélectionne des missions très longtemps avant leur lancement. La date de lancement est souvent repoussée pour faire face aux contraintes budgétaires. Les équipes qui répondent aux appels d'offres comprennent des ingénieurs et des scientifiques. Ils soumettent des propositions détaillant à la fois les objectifs scientifiques, les caractéristiques techniques et les aspects financiers. Le choix est effectué par des comités scientifiques qui tiennent compte de la stratégie scientifique à long terme fixée par les documents produits par les autorités académiques au début de ce processus.

Les phases de conception

La réalisation

Les différents types de sonde spatiale

La méthode d'exploration retenue pour une sonde spatiale est déterminée essentiellement par les objectifs scientifiques poursuivis et les contraintes de cout. S'il s'agit par exemple de la première étude d'une planète, l'idéal est de placer la sonde spatiale en orbite autour de celle-ci pour effectuer des observations sur l'ensemble de la planète sur de longues durées. Mais la mise en orbite nécessite d'ajouter une propulsion chargée du freinage ce qui représente un cout majeur. Pour cette raison on peut choisir d'effectuer un simple survol de l'objectif en optimisant la trajectoire pour que les instruments scientifiques recueillent le maximum de données. Enfin le choix d'une méthode d'exploration est conditionné par le niveau d'expertise de la nation ou du groupe de nations qui développe la sonde spatiale. Le niveau de difficulté le plus bas est le survol d'une planète interne du système solaire. La dépose d'un rover en partie autonome sur la planète Mars, caractérisée par une forte gravité et une atmosphère, n'a été réalisée en 2013 que par la NASA.

En fonction de la méthode d'exploration utilisée on peut ranger les sondes spatiales dans 9 grandes catégories. Certaines sondes spatiales se rattachent à plusieurs catégories à la fois par exemple lorsqu'elles combinent un orbiteur et un atterrisseur (Viking)^[2].

Sonde effectuant un survol

Les sondes spatiales peuvent être conçues pour effectuer un simple survol de l'objet céleste à étudier. Dans les cas les plus simples ces sondes doivent seulement être placées sur une trajectoire précise au départ de la Terre pour réaliser leur missions au prix de quelques petites corrections au cours du transit. Les premières sondes interplanétaires comme Mariner 4 étaient de ce type. Les objectifs qui peuvent être atteints par ce type de mission sont toutefois limités : le temps d'observation est très bref car la sonde effectue son survol à une vitesse de plusieurs km/s, souvent seule une face du corps céleste est visible au moment du survol et les conditions d'éclairage ne sont pas optimales. Cette méthode d'observation peut être la seule utilisable pour les objets célestes les plus lointains (survol de Pluton par New Horizons)^{[N 1]}. Elle est également utilisée pour des missions sophistiquées de reconnaissance dont l'objectif est d'enchainer l'étude de plusieurs planètes ou lunes (sondes Voyager). Enfin ce peut être le seul moyen d'étudier les objets mineurs - comètes et astéroïdes - dont la vitesse relative est trop importante pour permettre une mise en orbite (mission Stardust) ^[3].

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  La sonde Vega

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  Maquette des sondes Voyager

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  La sonde New Horizons

Orbiteur

L'orbiteur est une sonde interplanétaire qui après avoir transité jusqu'à son objectif se met en orbite autour du corps céleste à étudier. Il s'agit de la deuxième grand catégorie des sondes spatiales avec celles effectuant un survol. Pour pouvoir se mettre en orbite, la sonde spatiale doit réduire fortement sa vitesse à son arrivée à proximité de son objectif. Les ergols utilisés pour cette opération de freinage peuvent représenter une fraction importante de la masse totale de l'engin (typiquement environ 50% pour Mars). L'orbiteur permet d'effectuer des observations régulières de la quasi-totalité de la surface du corps céleste durant plusieurs années. L'orbiteur est l'étape qui suit logiquement l'envoi d'une sonde effectuant un simple survol. L'orbite de la sonde spatiale est choisie en fonction des objectifs poursuivis mais également de contraintes de masse. Les missions ayant un budget contraint comme Mars Express choisiront une orbite elliptique moins efficace mais moins couteuse en ergols qu'une orbite basse circulaire retenue pour la majorité des orbiteurs martiens de la NASA^[3].

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  La sonde jupitérienne Galileo

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  La sonde Cassini

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  Juno

Sonde atmosphérique

La sonde atmosphérique est une sonde spatiale qui traverse l'atmosphère d'une planète pour l'étudier. Sa mission est relativement brève puisqu'elle dure généralement le temps de sa descente (non propulsée) jusqu'au sol. Durant cette phase, elle n'a besoin que d'une quantité d'énergie limitée et elle tire donc celle-ci de batteries. La sonde atmosphérique est généralement transportée jusqu'à la planète explorée par un vaisseau mère. La planète Vénus a été en particulier étudié par cette méthode avec la série des sondes soviétiques du programme Venera. D'autres sondes atmosphériques remarquables sont Huygens qui a étudié l'atmosphère de Titan, la sonde atmosphérique de Galileo qui a plongé dans les couches supérieures de la planète géante gazeuse Jupiter. L'atmosphère très épaisse de Vénus a permis la mise en œuvre des ballons du programme Vega soviétique qui ont pu transmettre des données durant plusieurs dizaines d'heures^[3].

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  Sonde atmosphérique de Galileo

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  Les sondes atmosphériques de Pioneer Venus

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  Huygens.

Atterrisseur

L'atterrisseur est un type d'engin spatial conçu pour survivre à l'atterrissage sur le sol d'une planète ou d'une lune et collecter ensuite à l'aide de ses instruments scientifiques des données sur la surface qui sont transmises vers la Terre directement ou indirectement (via un autre engin spatial en orbite). La Lune et la planète Mars ont été en particulier explorées par des engins spatiaux de ce type avec par exemple les sondes du programme Surveyor les deux sondes du programme Viking ou l'atterrisseur Phoenix. L'atterrissage en douceur est la principale difficulté à laquelle doivent faire face les concepteurs de ce type d'engin. L'utilisation d'un parachute, mis en œuvre par exemple par Huygens sur Titan, nécessite la présence d'une atmosphère suffisamment épaisse et ne convient donc pas sur Mars. D'une masse et d'un cout réduits par rapport aux autres méthodes, le parachute ne permet pas un atterrissage complètement contrôlé. Pour se poser sur les corps célestes dépourvus d'atmosphère il faut avoir recours à des moteurs-fusées qui réduisent progressivement la vitesse de l'engin spatial. Ceux-ci nécessitent toutefois l'emport d'une grande quantité de carburant. Pour Mars la NASA a développé des techniques particulières d'atterrissage : les coussins gonflables mis en œuvre pour la première fois par Mars Pathfinder et un système très sophistiqué de dépose au sol par un étage faisant office de "grue volante" mis en œuvre en 2012 par la sonde Mars Science Laboratory^[3].

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  Surveyor (Lune)

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  Mars 3.

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  Atterrisseur Viking

Rover / astromobile

Le rover, après s'être posé sur le sol d'un corps céleste, se déplace pour réaliser des études in situ en différents points présentant un intérêt scientifique. Il peut emporter de véritables petits laboratoires pour analyser les échantillons recueillis comme Mars Science Laboratory. Son énergie peut être produite par des panneaux solaires ou des RTG. Il est télécommandé si l'éloignement n'est pas trop important (Lune). Par contre la distance est trop importante pour les rovers martiens et ceux-ci disposent d'une certaine autonomie pour leurs déplacements qui repose sur des programmes d'analyse du terrain. Les déplacement sur une journée ne dépassent toutefois pas une centaine de mètres^[3].

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  Le rover lunaire soviétique Lunokhod

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  Le rover MER Spirit

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  Le rover Curiosity

Pénétrateur

Le pénétrateur est un petit engin spatial conçu pour pénètrer dans le sol d'un corps céleste (planète, lune, astéroïde ou comète) à grande vitesse en subissant une décélération de plusieurs centaines de g. Les informations recueillies par les instruments scientifiques embarqués sont de manière classique transmises par un petit émetteur au vaisseau mère en orbite qui le retransmet à son tour vers les stations sur Terre. Le concept du pénétrateur permet d'éviter l'emport de parachutes et de fusées nécessaires à un atterrissage en douceur et d'alléger ainsi de manière importante la masse de l'atterrisseur. Mais celui-ci doit pouvoir résister à l'impact ce qui crée en retour de nombreuses contraintes sur sa masse, sa structure et la conception de sa charge utile. Plusieurs projets de pénétrateurs n'ont pas dépassé la phase d'étude et en 2013 seules deux missions ont mis en œuvre des pénétrateurs sans résultats du fait de la perte des vaisseaux mères : deux pénétrateurs Deep Space 2 étaient embarqués à bord Mars Polar Lander et deux autres à bord de Mars 96^[3].

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  Pénétrateur Deep Space 2

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  Pénétrateur Mars 96.

Satellites de télécommunications

Le satellite de télécommunications chargé de relayer les communications entre la surface d'un corps céleste ou se trouve un atterrisseur ou un rover et la Terre. Ces engins ont jusqu'à présent toujours été des orbiteurs ayant par ailleurs leurs propres objectifs scientifiques tels que 2001 Mars Odyssey ou Mars Reconnaissance Orbiter. Certaines sondes spatiales relèvent de plusieurs catégories comme les sondes Viking qui comportent à la fois un atterrisseur et un orbiteur^[3].

Démonstrateur technologique

Le démonstrateur technologique valide une nouvelle technique. Par exemple Deep Space 1 dont l'objectif principal était de valider l'utilisation de la propulsion ionique pour les missions interplanétaires.

L'énergie

Pour fonctionner une sonde spatiale a besoin de disposer en permanence d'énergie. Les engins développés récemment doivent disposer d'une puissance électrique comprise entre 300 et 2500 watts pour alimenter les ordinateurs embarqués, l'émetteur-récepteur radio, les moteurs, les instruments scientifiques, les radiateurs ainsi que de nombreux autres équipements. Il n'existe que trois sources possibles d'énergie pour un engin spatial interplanétaire : les panneaux solaires, les RTG seules solutions pour les planètes externes trop éloignées du Soleil et les batteries. Ces dernières peuvent être une source d'énergie chargée avant le lancement ou être utilisées comme un système de stockage temporaire de l'énergie produite par les panneaux solaires permettant de faire face par exemple à des périodes d'éclipse.

Les panneaux solaires

Les panneaux solaires sont formés d'une ensemble de cellules photovoltaïques qui chacune transforme l'énergie solaire par effet photoélectrique en courant électrique continu. Chaque cellule solaire est constitué d'un matériau semi-conducteur connecté avec des liaisons électriques. Plusieurs types de matériaux peuvent être utilisés tels que le silicium ou le GaAs plus efficace mais plus coûteux. Les cellules les plus performantes sont constituées de plusieurs couches très minces de matériaux semi-conducteurs, capables chacune de convertir une large partie du spectre de l'énergie solaire, qui permettent d'atteindre, combinés avec d'autres dispositifs, un rendement de 47 % (47 % de l'énergie du Soleil est transformé en courant électrique). Le rendement des cellules solaires des premiers satellites des années 1960 était de 6 %. En connectant les cellules solaires en série (le pôle positif d'une cellule est connecté au pôle négatif d'une autre cellule) on augmente la tension du courant produit, tandis qu'en les connectant en parallèle (tous les pôles positifs sont connectés ensemble et tous les pôles négatifs sont connectés ensemble) on augmente l'intensité du courant. Le panneau solaire sert de support physique aux cellules solaires, comporte les circuits électriques reliant les cellules entre elles et maintient les cellules dans une plage de température acceptable. Plusieurs panneaux solaires peuvent être reliés entre eux pour former une « aile ». Généralement les panneaux solaires sont articulés et leur orientation peut être modifiée avec un ou deux degrés de liberté. Généralement en modifiant en permanence l'inclinaison des panneaux solaires, on cherche à obtenir selon le cas le maximum d'énergie si on fait en sorte que les rayons solaires frappent à la perpendiculaire le panneau. Mais cette facilité peut être également utilisée pour diminuer l'angle d'incidence des rayons solaires afin de limiter la montée en température ou adapter la production de courant à une demande plus faible (l'énergie électrique produite décroit comme le cosinus de l'angle d'incidence des rayons solaires). Sur une sonde spinnée, les panneaux solaires tapissent le corps de forme cylindrique et la moitié est à l'ombre tandis que la majorité des cellules ne reçoivent pas le Soleil sous un angle optimal^[4].

Au niveau de l'orbite terrestre l'énergie électrique théoriquement disponible est de 1,371 W/m² dont 50 % peut être transformé en énergie électrique avec les cellules solaires les plus avancées. Abondante au niveau des planètes intérieures, la quantité d'énergie disponible est inversement proportionnelle au carré de la distance au Soleil. C'est ainsi qu'une sonde comme Juno envoyée en orbite autour de Jupiter cinq fois plus éloignée du Soleil que la Terre reçoit 25 (5x5) fois moins d'énergie solaire qu'au niveau de la Terre. La NASA a néanmoins choisi d'équiper cette sonde avec des panneaux solaires qui grâce à leur surface (45 m² de cellules solaires) et leur technologie avancée parviennent dans ces conditions à fournir 428 watts (et 15 kW au niveau de l'orbite terrestre). Mais à cette distance du Soleil le recours au RTG est plus fréquent^[4].

Les performances des panneaux solaires d'une sonde spatiale se dégradent sous l'action de plusieurs phénomènes. L'énergie reçue par le panneau solaire qui n'est pas convertie en énergie électrique est en partie réfléchie et en partie convertie en chaleur ce qui augmente la température des cellules. Lorsque sa température augmente la cellule solaire produit un courant de plus fort voltage mais l'ampérage diminue ainsi que la puissance produite (W=VxI). Cette diminution de la performance globale est de 1 % par degré Celsius pour les cellules en silicium et de 0,5 % pour les cellules en GaAs. Par ailleurs quelques centaines d'heures après son déploiement, la performance d'un panneau solaire diminue de 1 % du fait des changements chimiques générés par la lumière. Enfin le facteur qui produit le plus de dommage, est l'action des particules énergétiques produites par le vent solaire ou les tempêtes solaires qui endommagent progressivement la structure cristalline. C'est ainsi que les panneaux solaires de la sonde Magellan, placée en orbite autour de Vénus, ont perdu les deux tiers de leur capacité au cours de leur vie opérationnelle. Cette dégradation progressive est prise en compte dans le dimensionnement des panneaux solaires au moment de la conception de la sonde spatiale^[4].

Sources énergie primaire de quelques sondes spatiales

Sonde spatiale	Destination	Date lancement	Source énergie primaire	Puissance	Autres caractéristiques	Remarques
Cassini	Saturne	1997	3 × générateurs à radioisotope	885 watts
Huygens	Titan	1997	Batteries Li SO2	1 600 watts-heures	Durée de vie opérationnelle quelques heures	Vaisseau mère : Cassini
Mars Global Surveyor	Mars	1996	Panneaux solaires Si GaAs	1 000 watts	Orientable avec 2 degré de liberté
MESSENGER	Mercure	2004	Panneaux solaires AsGa / Ge	450 watts	Orientable avec 1 degré de liberté 70 % de la surface des panneaux solaires recouverts de réflecteurs
Juno	Jupiter	2011	Panneaux solaires	450 watts	Panneau fixe, surface des cellules : 45 m2

Le générateur thermoélectrique à radioisotope

Lorsque l'énergie solaire devient trop faible du fait de l'éloignement du Soleil un ou plusieurs générateur thermoélectrique à radioisotope remplace les panneaux solaires pour la production d'électricité. Ce générateur électrique produit de l'électricité à partir de la chaleur dégagée par la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radioisotopes, généralement du plutonium 238 sous forme de dioxyde de plutonium ²³⁸PuO₂. La chaleur est convertie en électricité par l'intermédiaire de thermocouples. L'efficacité énergétique est réduite : moins de 10 % de la chaleur produite est convertie en électricité et le reste doit être évacuée par des radiateurs. Pour améliorer ces performances, les recherches actuelles s'orientent vers des convertisseurs thermoïoniques et des générateurs Stirling à radioisotope, qui pourraient multiplier le rendement global par quatre mais imposeraient des pièces mécaniques en mouvement susceptibles de se bloquer avec le temps. Le générateur thermoélectrique à radioisotope est particulièrement bien adapté à la production d'une alimentation électrique stable, sur une longue durée requise pour les instruments embarqués dans les sondes interplanétaires. Ainsi, le générateur embarqué sur la sonde New Horizons est capable de fournir une alimentation électrique stable de 200 W sur plus de 50 ans. Cependant la présence de plutonium 238 dans un engin susceptible d'être victime d'un échec du lanceur, suscite de fortes craintes dans une partie de l'opinion publique malgré des dispositifs de protection (blindage) qui se sont révélés en pratique efficaces.

Les sondes spatiales lancées vers Jupiter ou au-delà comme Voyager 1, Cassini ou New Horizons utilisent pour leur alimentation électrique des générateurs thermoélectriques à radioisotope . Toutefois grâce aux rendements croissants des cellules solaires, les deux dernières sondes spatiales développées pour l'exploration de Jupiter - Juno et JUICE ont recours à des panneaux solaires qui sont toutefois de très grande taille (60 m² pour Juno). Ces générateurs ont été également utilisés sur deux engins lancés vers la surface de Mars - Viking 1 et 2 et le rover Curiosity car ils permettent de s'affranchir du cycle jour/nuit et sont insensibles aux dépôts de poussière. Les générateurs fournissent des puissances modestes : 100 W (45 kg) pour Curiosity, 300 W (~56 kg) pour les sondes spatiales américaines en service à la fin du siècle. Pour répondre à leur besoins électriques certaines sondes embarquent jusqu'à trois générateurs (Cassini, Voyager).

Les batteries

Contrôle d'orientation

Propulsion

La sonde spatiale pour remplir sa mission a besoin d'un système de propulsion. Celui-ci peut remplir plusieurs rôles qui dépendent des objectifs de la mission et de certains choix d'architecture de la sonde spatiale :

• Mise en orbite autour de la planète à étudier (orbiteur)
• Corrections de trajectoire
• Désaturation des roues de réaction si la sonde spatiale a recours à ce système pour contrôler son orientation
• Contrôle de l'orientation en l'absence de roues de réaction
• Contrôle du vecteur vitesse lorsque la propulsion principale est utilisée

Ces différents types d'utilisations nécessitent des propulseurs aux caractéristiques très différentes (poussée, nombre de mises à feu, durée). Aussi la sonde spatiale dispose généralement de plusieurs types de propulseurs pour faire face à ces besoins. De manière relativement classique une sonde spatiale comporte un moteur-fusée principal d'une poussée de plusieurs centaines de Newtons pour la mise en orbite, des grappes de petits propulseurs dont la poussée va de quelques dixièmes à quelques N. pour le contrôle d'orientation et des propulseurs de quelques dizaines de Newtons pour les corrections de trajectoire ou d'orbite^[5].

Il s'agit généralement de moteurs à ergols liquides monoergol brulant de l'hydrazine ou biergols (généralement hydrazine + peroxyde d'hydrogène) qui présentent l'avantage d'être stockables sur de longues durées et d'être hypergoliques (de brûler spontanément sans dispositif de mise à feu). Ces ergols sont généralement mis sous pression par de l'hélium lui-même stocké dans des réservoirs sous haute pression. On trouve également plus rarement des petits propulseurs à gaz froid (utilisés pour éviter une pollution des instruments ou des échantillons recueillis, des moteurs ioniques (démonstrateur Deep Space 1, Dawn) qui nécessitent une architecture de mission adaptée et des moteurs à propergols solides (pour l'insertion en orbite) utilisés au début de l'ère spatiale (atterrisseurs lunaires du programme Surveyor)^[5].

Systèmes de propulsion, caractéristiques et domaines d'utilisation

Type propulsion	Utilisation			Poussée	Impulsion spécifique	Autre caractéristique
	Insertion en orbite	Correction trajectoire correction d'orbite	Contrôle d'attitude
Propulseur à gaz froid			X	0,05-20 N.	50-170
Propergol solide	X			50- N.	280-310	Utilisable une seule fois
Propulsion à ergols liquides
Monoergol hydrazine catalytique		X	X	220-240 N.	0,5-2500
Monoergol hydrazine à surchauffe		X	X	280-300 N.	0,05-0,5
Diergol (monométhylhydrazine et peroxyde d'azote)	X	X	X	220-240 N.	5-500
Diergol (hydrazine et peroxyde d'azote)	X	X	X	280-340 N.	5-500

Les télécommunications

Le système de télécommunications d'une sonde spatiale est chargée des échanges de données entre celle-ci et les stations à Terre. Ceux-ci comprennent dans le sens sonde spatiale- Terre les données télémétriques fournies périodiquement qui permettent de surveiller l'état de l'engin spatial ainsi que les données recueillies par les instruments scientifiques qui concrétisent les résultats de la mission. Dans le sens Terre- sonde spatiale transitent les instructions données à la sonde ainsi que d'éventuelles mises à jour logicielles. Les caractéristiques du système de télécommunication dépendent de la distance entre la sonde spatiale et la Terre, de la quantité d'énergie disponible, de la masse de la sonde. Le composant le plus visible du système est l'antenne parabolique grand gain. Plus le diamètre de cette antenne est élevé plus le faisceau radio émis peut être concentré et le débit est important ce qui est vital lorsque la distance avec la Terre entraine une forte baisse du débit. L'antenne peut être fixe ou orientable pour permettre de la pointer vers la Terre de manière indépendante de l'orientation retenue pour la sonde souvent contrainte par la direction du Soleil (production d'énergie) ou par rapport à l'objet étudié (caméras…)^[6].

Pour que la liaison radio fonctionne il faut que le faisceau radio émis par l'antenne grand gain soit pointé précisément vers la Terre. La sonde spatiale dispose toujours par ailleurs d'antennes à faible gain omnidirectionnelles qui ne permettent qu'un débit de données très faible mais ne nécessitent aucun pointage. Ces antennes sont mises en œuvre à faible distance de la Terre mais elles permettent surtout de maintenir la liaison radio en cas d'échec de problème de pointage de l'antenne grand gain par exemple lorsque la sonde spatiale ne parvient plus à maintenir son orientation à la suite d'une défaillance de son calculateur ou de son système de contrôle d'attitude. Il existe également des antennes aux caractéristiques intermédiaires dites moyen gain qui émettent un faisceau large de 20 à 30° avec des débits moyens. L'émetteur radio émet en bande S, X ou Ka^[6].

La navigation

L'autonomie

Les instruments scientifiques

La raison d'être des sondes interplanétaires est d'effectuer des investigations scientifiques. Celles-ci nécessitent l'emport d'instruments scientifiques qui constituent la charge utile de la sonde.

Méthode d'observation

Les instruments sont rangés dans 4 grandes catégories en fonction de la méthode d'observation utilisée^[7] :

• Télédétection / Observation directe

La télédétection est l'observation d'un objet à distance. Les caméras permettent d'obtenir par cette méthode une image d'un objet lointain et un spectromètre mesure les longueurs d'ondes du rayonnement émis par cet objet. L'observation directe ou in situ est la mesure de phénomènes au contact des capteurs de l'instrument : un magnétomètre mesure le champ magnétique au voisinage immédiat de l'instrument et un détecteur de poussières mesure les particules qui viennent frapper directement son capteur.

• Instrument passif / actif

Les instruments qui effectuent des observations directes comme ceux qui fonctionnent par télédétection sont soit passifs soit actifs. Un instrument actif utilise de l'énergie pour sonder un objet ; c'est par exemple le cas d'un radar qui émet des ondes radio qui sont réfléchies par l'objet étudié ; ces dernières sont alors analysées. C'est également le cas du spectromètre rayons X à particule alpha qui émet des particules de grande énergie à partir d'une source radioactive. Ces dernières viennent frapper l'objet mis à son contact (une roche) et l'instrument analyse les rayons X renvoyés par l'objet. Un instrument passif se contente d'observer ce qui est déjà là sans fournir d'énergie pour sonder l'objet. C'est le cas d'une caméra sauf si un spot lumineux vient éclairer l'objet comme dans le cas de la caméra embarquée sur Huygens.

Les catégories d'instrument scientifiques

Imageur : caméra, radar…

Altimètre

Radiomètre et scattéromètre

Spectromètre, spectrographe et spectroscope

Spectromètre de masse

Instrument d'analyse de l'atmosphère

Spectromètre actif

Magnétomètre

Détecteur d'ondes radio et plasma

Détecteur de poussière

Détecteur de particules chargées

Déroulement d'une mission

Lancement

Transit

Phase opérationnelle

Chronologie des principales missions

Le tableau récapitulatif qui suit est une synthèses des missions de sondes spatiales ayant abouti à une avancée majeure sur le plan technique ou scientifique.

Chronologie non-exhaustive de certaines sondes spatiales ayant réussi leur mission

Nom	Départ Arrivée	Destination principale	Objectif
Luna 3	10/1959	Lune	Luna 3 fut le premier essai concluant de lancement de sonde spatiale par les soviétiques. Elle a réussi une orbite autour de la Lune et parvint à envoyer les premières photos de sa face cachée.
Programme Mariner		Mars (planète), Vénus (planète), Mercure (planète)	Premières sondes stabilisée trois axes.
Surveyor 1		Lune	Premier atterrissage en douceur.
Voyager 1 & 2	09/1977	Jupiter et Saturne, Uranus et Neptune (Voyager 2)	Ces deux sondes, lancées à 15 jours d'intervalle, nous ont énormément appris sur la géographie, la constitution des planètes, les satellites de Jupiter et de Saturne. Actuellement, Voyager 1 s'enfonce indéfiniment dans l'espace. C'est le premier objet de réalisation humaine à avoir quitté le Système solaire. Elle se situe à 12 milliards de kilomètres de la Terre. Quant à Voyager 2, elle a été reprogrammée à distance pour rejoindre Uranus et Neptune et nous a encore beaucoup appris sur ces deux planètes. Pour le cas où l'une de ces deux sondes serait un jour recueillie par les représentants d'une autre civilisation, elles contiennent chacune un vidéodisque renfermant une encyclopédie audiovisuelle de la Terre.
Galileo	10/1989 12/1995	Jupiter et ses satellites	Galileo a permis une étude complète du système jovien et notamment une connaissance approfondie de l'atmosphère de Jupiter et du volcanisme de Io, l'un de ses satellites.
Magellan	05/1989 08/1990	Vénus	Magellan a été envoyée en orbite autour de Vénus pour cartographier sa surface avec une résolution élevée, de l'ordre de la centaine de mètres.
SoHO	12/1995	Point de Lagrange L1 du système Soleil-Terre	Entre le Soleil et la Terre, à 1,5 million de kilomètres de la Terre, Soho a permis de comprendre la structure interne du Soleil, son atmosphère externe et l'origine du vent solaire.
Mars Global Surveyor	11/1996 09/1997	Mars	Mars Global Surveyor a observé et photographié avec précision la surface de Mars et en a permis une représentation relativement fidèle. Elle a aussi semé la polémique au sujet d'éventuels « preuves » de la présence passée d'eau liquide sur Mars.
Cassini-Huygens	10/1997 07/2004	Saturne et Titan	Cassini-Huygens entre autres réalisation de l'analyse des atmosphères de Titan et de Saturne, aide à la compréhension du rayonnement de Saturne (cette planète rayonne 79 % de plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil), atterrissage du module Huygens sur Titan (premières photos du sol de la lune et composition).
2001 Mars Odyssey	04/2001 10/2001	Mars	Mars Odyssey a exclusivement aidé à la compréhension des mécanismes climatiques et géologiques ainsi qu'à l'environnement radiatif de Mars.
Genesis	08/2001 09/2004	Point de Lagrange L1 du système Soleil-Terre	L'objectif de Genesis était de capturer des parcelles de « vent solaire ». Son retour sur Terre a eu lieu le 10 septembre 2004. Les parachutes devant freiner son entrée dans l'atmosphère n'ont pas fonctionné et la sonde s’est écrasée dans le désert de l'Utah, percutant le sol à 300 km/h. Toutefois, il semble qu'une partie des échantillons soit récupérable. Cette sonde est la première à ramener de la matière d'au-delà de la Lune.
Mars Express	06/2003 12/2003	Mars	La sonde européenne Mars Express est la première à cartographier en trois dimensions la surface de Mars. Elle a notamment confirmé l'existence d'eau sur Mars en janvier 2004.
Venus Express	09/2005	Vénus	La sonde Venus Express lancée le 9 novembre 2005 à 3h33 depuis Baïkonour à l'aide d'une fusée russe Soyouz-Fregat pour objectif d'étudier la planète Vénus et son atmosphère. Son voyage dans l'espace dura 153 jours, jusqu'au 11 avril 2006. Une fois capturée par la gravité vénusienne, Venus Express prit 5 jours pour manœuvrer vers son orbite opérationnelle, faisant une boucle au-dessus des pôles de la planète. À son plus proche, elle atteignit une altitude de 250 kilomètres et à son plus loin, elle sera à 66 000 kilomètres de la planète. La mission devait durer 2 jours (sidéraux) vénusiens, soit environ 500 jours terrestres.

Impacts sur des corps du Système solaire

Des sondes spatiales sont allées se poser ou se sont écrasées sur des objets du Système solaire, planètes, satellites, astéroïdes ou comètes. Le tableau récapitulatif suivant en donne une liste avec la première sonde les ayant frappés :

Chronologie exhaustive des corps touchés

Nom de l'objet touché	Nom de la sonde	Date de l'impact	Description
Lune	Luna 2 ou Lunik 2  URSS	13/09/1959	Luna 2 fut le premier objet construit par l'homme à entrer en collision avec un autre corps du Système solaire.
Vénus	Venera 3  URSS	01/03/1966	Contact perdu avant l'atterrissage, premier impact sur une autre planète.
Mars	Mars 2  URSS	19/05/1971	Échec de la mission, impact sur mars.
Phobos	Phobos 1  URSS	01/09/1988	Impact sur Phobos satellite de Mars, échec de la mission.
Éros	Near NASA	14/02/2000	Atterrissage en douceur sur l'astéroïde Éros, non prévu au départ !
Jupiter	Galileo NASA	21/10/2003	En fin de mission impact sur la planète Jupiter pour éviter une rencontre éventuelle avec Europe qui pourrait être polluée.
Tempel 1	Deep impact NASA	04/07/2005	Impact sur la comète Tempel 1.
Itokawa	Hayabusa ISAS	19/10/2005	Atterrissage sur l'astéroïde Itokawa dans le but de ramener des échantillons.
Titan	Huygens ESA	12/01/2007	Atterrissage en douceur sur le plus gros satellite de Saturne.

Quelques missions en cours

Chronologie non-exhaustive de certaines sondes spatiales en cours de mission

Nom	Départ Arrivée	Destination principale	Objectif
Rosetta	03/2004 05/2014	Comète Tchourioumov-Guerassimenko	La sonde Rosetta lancée le 2 mars 2004 par une Ariane 5 G+ a pour objectif d'étudier une comète, par une mission d'observation de 18 mois, mais aussi et surtout en lâchant un atterrisseur devant se poser à la surface du noyau. Sa trajectoire la fait bénéficier à trois reprises de l'assistance gravitationnelle de la Terre (2005, 2007 et 2009), et une fois de celle de Mars (2007). Au cours de son voyage jusqu'à Tchourioumov-Guerassimenko, elle devrait également étudier les astéroïdes (2867) Šteins et 21 Lutetia.
New Horizons	01/2006 07/2015	Pluton et son satellite Charon	La sonde New Horizons (« Nouveaux Horizons ») lancée le 16 janvier 2006 par la NASA est une mission ambitieuse destinée à survoler Pluton et son satellite Charon en juillet 2015 (ainsi que deux autres petits satellites détectés en mai 2005), puis à poursuivre son voyage vers la ceinture de Kuiper qui constitue l'ultime limite du Système solaire. New Horizons est de fait l'engin le plus rapide jamais envoyé dans l'espace passant au large de Jupiter à plus de 50 000 km/h et atteignant ensuite, par effet d'assistance gravitationnelle, une vitesse proche de 75 000 km/h (21 km/s).

Notes et références

Notes

Références

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Graham Swinerd, How spacraft fly : spaceflight without formulae, Springer Praxis,‎ 2008 (ISBN 978-0-387-76571-6)
• (en) Michel van Pelt, Space Invaders : how robotics spacecraft explore the solar system, Praxis,‎ 2007 (ISBN 978-0-387-33232-1)
• Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Cépaduès,‎ 2005 (ISBN 2-8542-8662-6)
• (en) Spacecraft systems engineering de Peter Fortescue, John Stark, Graham Swinerd 2002 Springer ISBN 978-0-471-61951-2
• (en) Michael D Griffin et James R French, Space Vehicle Design 2ème édition, AIAA Education series,‎ 2001 (ISBN 978-1-56347-539-9)
• (en) George P Sutton et Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements 8ème édition, Wiley,‎ 2010 (ISBN 978-0-470-08024-5)
• (en) Dave Doody, Deep Space Craft : an overview of Interplenetary flight, Springer Praxis,‎ 2009 (ISBN 978-3-540-89509-1)
• (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press,‎ 2007 (ISBN 978-0-521-12958-9)
• (en) Miguel R. Aguirre, Introduction to Space Systems - Design and synthesis, Springer Space Technology Library,‎ 2013 (ISBN 978-1-4614-3757-4)
• (en) Asif A Siddiqui, Deep Space Chronicle : A Chronology of Deep Space and Planetary Probes 1958-2000 (SP-2002-4524), NASA,‎ 2002 (lire en ligne)

Voir aussi

Articles connexes

• Liste des sondes spatiales
• Liste des sondes spatiales qui ont atterri sur d'autres corps célestes

Liens externes

• (en) Présentation pédagogique des principaux concepts d'une mission interplanétaire par le centre JPL de la NASA
• (en) Synthèse sur l'utilisation des panneaux solaires pour l'exploration des planètes externes
• (en) Synthèse sur les projets de sonde interstellaire (2000)

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