Mars Climate Orbiter

Mars Climate Orbiter

vue d'artiste

Données générales

Organisation	NASA
Programme	Mars Surveyor
Domaine	Étude de l'atmosphère de Mars
Type de mission	Orbiteur
Statut	mission achevée (échec)
Autres noms	Mars Surveyor Orbiter
Lancement	11 décembre 1998
Lanceur	Delta II 7425
Fin de mission	23 septembre 1999
Identifiant COSPAR	1998-073A
Site	http://mars.jpl.nasa.gov/msp98/orbiter/

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	629 kg (dont 291 kg ergols)

Mars Climate Orbiter (anciennement Mars Surveyor Orbiter) était l'une des deux sondes spatiales du programme Mars Surveyor 98 de la NASA, l'autre étant Mars Polar Lander. Ces deux missions devaient étudier la météorologie de la planète Mars, le cycle hydrologique et du dioxyde de carbone, dans le but de mieux modéliser le climat actuel de la planète mais également de reconstituer les changements climatiques passés. Mars Climate Orbiter est lancé en décembre 1998 mais, à la suite d'une erreur des logiciels utilisés pour le calcul de sa trajectoire, est détruite durant la manœuvre d'insertion en orbite autour de Mars. La perte de cette sonde, qui est suivie peu après par celle de Mars Polar Lander, entraine une remise en cause profonde de la stratégie d'exploration du système solaire de la NASA qui s'était orientée depuis quelques années exclusivement vers les missions à bas cout.

Historique

La sonde doit utiliser l'aérofreinage durant 3 mois pour se mettre en orbite.

Des missions martiennes à faible cout

La NASA lance en 1992 la mission Mars Observer alors qu'il s'est écoulé dix-sept ans depuis le programme américain Viking et sa dernière mission Viking 2. Mais trois jours avant la date prévue pour l'insertion sur son orbite martienne, le contact est perdu. Mars Observer est la sonde la plus coûteuse lancée par la NASA et elle est perdue avant d'avoir accompli sa mission (813 millions de dollars de l'époque). Cet échec entraîne une révision de la stratégie d'exploration planétaire américaine : celle-ci doit désormais permettre d'envoyer davantage de sondes à budget serré de manière à ne pas tout perdre en cas d'échec. C'est le « better, faster, cheaper » qui devient la devise du nouveau Programme Mars Surveyor. Dans le cadre de ce programme à chaque conjonction favorable de Mars et de la Terre (soit environ tous les deux ans), la NASA prévoit d'envoyer à la fois une sonde spatiale de type orbiteur, qui doit effectuer ses observations depuis l'orbite martienne, et une autre de type atterrisseur, chargée de se poser sur le sol martien pour y recueillir des données scientifiques. A la recherche d'économies d'échelle la NASA passe en 1995 un accord avec Lockheed Martin Astronautics à Denver dans le Colorado pour la construction de ces sondes spatiales à bas cout. Les deux premières sondes sont lancées en 1996 et remplissent leur mission avec succès : l'atterrisseur Mars Pathfinder (exlus de l'accord avec Lockheed) se pose sur Mars et libère le premier robot mobile extraplanétaire, Sojourner, qui explore les environs durant quelques semaines ; l'orbiteur Mars Global Surveyor renvoie durant neuf ans une quantité inégalée de données sur l'atmosphère, la surface et la structure interne de Mars.

Les deux sondes Mars Surveyor 98

Conformément à ses plans, la NASA développe pour un lancement en 1998 deux nouvelles sondes : Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander. Mars Climate Orbiter doit embarquer deux des instruments détruits avec la sonde Mars Observer et jouer le rôle de station météorologique martienne. Le cout de la mission est évalué à 327,6 millions $ pour les deux sondes spatiales de 1998 dont 193 millions pour leur développement, 91,7 millions pour leur lancement et 42,8 millions pour les opérations en cours de mission.

Pour remplir sa mission Mars Climate Orbiter doit circuler sur une orbite héliosynchrone à 421 km d'altitude qui lui permet de passer à chaque orbite à l'équateur à 4h30 de l'après midi coté jour. Cette orbite fournit des conditions d'éclairage constantes. Comme la sonde vénusienne Magellan et la sonde martienne Mars Global Surveyor, Mars Climate Orbiter doit avoir recours à l'aérofreinage pour atteindre son orbite de travail : cette technique permet de réduire la quantité d'ergols nécessaire pour s'insérer en orbite autour de Mars. L'orbite initiale est fortement elliptique puis durant 44 jours la sonde effectue à chaque passage au périgée une plongée dans l'atmosphère plus dense qui en la freinant réduit son apogée jusqu'à aboutir à une orbite quasi circulaire.

Objectifs

Les principaux objectifs scientifiques de la mission portent sur la distribution de l'eau sur Mars et l'étude du climat passé et présent :

1. déterminer la distribution de l'eau sur la planète
2. relever les conditions météorologiques et atmosphériques quotidiennes
3. relever les changements à la surface martienne liés à l'action du vent et d'autres phénomènes
4. déterminer le profil de température de l'atmosphère
5. mesurer la teneur en vapeur et poussière de l'atmosphère
6. chercher des indices d'un changement climatique dans le passé

La sonde doit également servir de relais radio à l'atterrisseur Mars Polar Lander sur toute la durée de sa mission de 3 mois.

Caractéristiques techniques

Schéma de la sonde  : 1 Volets de trainée, 2 Batterie, 3 Caméras (en arrière plan), 4 Antenne UHF, 5 Radiomètre, 7 Pont des instruments scientifiques, 7 Pont des équipements, 8 Réservoir ergols (1/2), 9 Grappes de micropropulseurs, 10 Tuyère du propulseur principal, 11 Amplificateurs de l'émetteur radio, 12 Antenne parabolique grand gain, 13 Antenne moyen gain, 14 Cardan des panneaux solaires, 15 Panneaux solaires.

Mars Climate Orbiter est un engin de forme parallélépipédique de 2 mètres de haut pour 1,6 mètres de large. La structure est constituée par des panneaux en nid d'abeille réalisés avec du composite en carbone et de l'aluminium. La sonde dispose pour ses manœuvres de 8 micro_propulseurs monoergol brulant de l'hydrazine dont quatre de 22 Newtons de poussée pour les corrections de trajectoire et quatre de 0,9 N. pour les correction d'orientation. La sonde spatiale est stabilisée trois axes. L'orientation est déterminée par un viseur d'étoiles, des capteurs solaires et deux centrales à inertie. L'orientation est corrigée en utilisant soit les micro-propulseurs soit trois roues de réaction. L'insertion en orbite autour de Mars est effectuée par le propulseur principal de type LEROS 1B fournissant 640 N. de poussée et brulant un mélange d'hydrazine et de peroxyde d'azote.

Les télécommunications utilise une antenne parabolique de 1,3 mètres fonctionnant en bande X. Le transpondeur a été développé pour la mission Cassini–Huygens. L'énergie est fournie par trois panneaux solaires produisant 500 Watts au niveau de l'orbite de Mars. Ces panneaux sont orientables et ont une longueur totale de 5,5 mètres. La sonde dispose de batteries nickel/hydrogène de 16 A-h. Les panneaux solaires sont conçus pour pouvoir assurer l'aérofreinage de la sonde durant la première phase de la mission autour de Mars. L'ordinateur de bord utilise un processeur IBM RAD 6000 pouvant être cadencé à 5MHz, 10MHz ou 20MHz. La mémoire est constituée de 128 Mo de mémoire vive classique et de 18 Mo de mémoire flash. Par ailleurs un récepteur UHF doit permmettre de recevoir les données des missions se trouvant à la surface de la planète, en particulier de la mission Mars Polar Lander pour qu'elles soient ensuite relayées vers la Terre. Tous les équipements sont dupliqués sauf la batterie et le propulseur principal.

Instrumentation scientifique

La sonde emporte deux instruments scientifiques dérivés de ceux présents sur la mission Mars Observer :

• MARCI (Mars Surveyor Color Imager) comprend deux caméras dont l'une est dotée d'un grand angle et l'autre dotée d'un objectif moyen. Toutes deux travaillent dans plusieurs bandes spectrales : UV, visible, et infrarouge. Ce sont des versions miniaturisés des caméras de Mars Observer (20 fois moins lourdes). La caméra grand angle fournie des vues quotidiennes et globales de l'atmosphère avec une résolution spatiale qui peut aller de 1 à 7,2 km/pixel en fonction du débit utilisé. La caméra à objectif moyen angle est dédiée à la surveillance de la surface de Mars pour y détecter d'éventuels changements. Sa résolution est de 40 mètres par pixel.
• Le radiomètre PMIRR (Pressure Modulator Infrared Radiometer) travaille dans le domaine visible et infrarouge. Cet instrument était destiné à l’étude de la pression, de la température, des nuages, des poussières, et de la vapeur d’eau de l’atmosphère martienne, et en particulier les variations spatiales et temporelles de ces paramètres. Il permet d'étudier la structure de l'atmosphère du sol jusqu'à une altitude de 80 km avec une résolution verticale de 5 kilomètres/pixel. Il permet de mesurer l'ensoleillement et les flux de chaleur renvoyés par la surface.

Déroulement de la mission

La sonde courre à sa perte : trajectoire prévue et trajectoire réelle.

Lancement et transit vers Mars

Mars Climate Orbiter est lancée par une fusée Delta II 7425 le 11 décembre 1998, un jour après l'ouverture de la fenêtre de lancement. Durant son trajet de 9 mois vers Mars, quatre corrections de trajectoire sont effectués.

Perte de la sonde

Le 23 septembre 1999, Mars Climate Orbiter doit effectuer sa manœuvre d'insertion en orbite autour de Mars. Peu avant que la sonde survole la planète la propulsion principale doit fonctionner en continu un peu moins de 17 minutes afin de réduire suffisamment sa vitesse pour qu'elle soit capturé par le champ gravitationnel de Mars. La procédure est entièrement automatique. Peu après le début de la manœuvre la liaison radio est coupée durant 20 minutes car la sonde passe derrière Mars. La mise à feu du propulseur principal et le réduction de la vitesse sont bien enregistrées par les ingénieurs sur Terre puis la liaison radio est coupée comme prévu vers 11h06. Toutefois aucun signal n'est reçu à l'heure où la sonde doit réapparaitre (11h27). L'engin, n'ayant pas repris de contact radio par la suite, est considéré le lendemain comme perdu. Très rapidement les ingénieurs de la NASA se rendent compte que la trajectoire suivie par la sonde la faisait passer à une altitude beaucoup trop faible au-dessus de la surface de Mars. Au lieu de survoler le pôle au moment de son freinage à 193 km de hauteur, elle est en fait passée à 57 km. À cette altitude l'atmosphère est beaucoup trop dense pour que la sonde, qui circule à 5/6 km/s, survive. Celle-ci a du se transformer en une boule de feu au fur et à mesure de son approche de Mars.

Une commission est constituée pour détecter l'origine de cette anomalie de trajectoire. Les enquêteurs fournissent leurs conclusions dès le 29 octobre (le rapport sera publié le 1 février 2000). Un logiciel développé par les ingénieurs de Lockheed, concepteurs de la sonde, communiquait la poussée des micro propulseurs en unités de mesure anglo-saxonnes (Livre-force.seconde), tandis que le logiciel de l'équipe de navigation du JPL qui recevait ces données pour les calculs des corrections de trajectoire attendait des données en unités du système métrique (newton.seconde). Les petites corrections de trajectoire effectuées au cours du transit vers Mars effectuées sur la base des calculs erronés avait à chaque fois rapproché un peu plus la sonde de la surface de Mars et entrainé finalement la destruction de la sonde.

Conséquences de l'échec

La perte de la mission est suivie le 3 décembre 1999 par celle de la sonde spatiale jumelle Mars Polar Lander. La NASA décide d'annuler le lancement des deux sondes suivantes de Mars Surveyor 2001 : l'atterrisseur devait comporter un rover, baptisé Athena aux capacités très proches des rovers MER . L'échec entraine également la remise en question du principe du « better, faster, cheaper » et l'arrêt des lancements doubles de sondes construites selon ce principe. Heureusement pour l'exploration de Mars, les données recueillies à la même époque par l'orbiteur Mars Global Surveyor démontrent que Mars n'a pas toujours été une planète aride. Les responsables de la NASA, sous la pression des scientifiques, décident de préparer une nouvelle mission double, Mars Exploration Rover (MER), transportant chacune un rover capable d'étudier in situ la géologie martienne.

Des copies des deux instruments scientifiques perdus sont embarqués à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter

Galerie

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  Tests
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  Assemblage
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  Lancement.

Notes et références

Bibliographie

• (en) NASA, Press kit : 1998 Mars mission launch, NASA, décembre 1998 (lire en ligne)
  Dossier de presse de la NASA pour le lancement des deux missions martiennes de 1998.
• (en) NASA, Press kit : Mars Climate Orbital Arrival, NASA, septembre 1999 (lire en ligne)
  Dossier de presse de la NASA pour l'arrivée de Mars Climate Orbital sur son orbite martienne.
• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, Springer Praxis, 2012 (ISBN 978-0-387-09627-8)
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1997 et 2003.

Voir aussi

Articles connexes

• Mars
• Exploration de Mars
• Mars Polar Lander

Liens externes

• (en) Le site officiel de la NASA consacré à la mission Mars Climate Orbiter
• (fr) Description de la mission Mars Climate Orbiter sur le site de Philippe Labrot
• (fr) Le détail précis de la perte de Mars Climate Orbiter