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EscaPADE
Mission spatiale De Wikipédia, l'encyclopédie libre
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Pour les articles homonymes, voir Escapade.
EscaPADE (Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers) est une mission spatiale reposant sur deux micro-sondes spatiales (masse unitaire de 530 kilogrammes) dont l'objectif est l'étude des caractéristiques de la magnétosphère de la planète Mars et du processus d'échappement atmosphérique de son atmosphère. Les deux engins spatiaux sont lancés le 13 novembre 2025 par une fusée lourde New Glenn dont ce sera le premier vol opérationnel. Le projet est piloté par l'Université de Berkeley et financé par l'agence spatiale américaine, la NASA, dans le cadre de son programme SIMPLEx qui regroupe des missions d'exploration robotiques du système solaire à très faible coût (55 millions US$ (hors coût de lancement et des opérations). Une fois en orbite autour de Mars vers 2028 la mission primaire doit durer 11 mois.
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L'échappement de l'atmosphère martienne
Durant plusieurs centaines de millions d'années, la planète Mars a disposé d'une atmosphère épaisse, humide et chaude. Mais par la suite ces caractéristiques proches de celles de la Terre ont changé de manière radicale. Alors que Mars disposait d'un champ magnétique protecteur, celui-ci a progressivement disparu avec le refroidissement du noyau métallique accéléré par sa taille réduite par rapport à celle de notre planète. Pour les mêmes raisons l'activité volcanique qui alimentait en gaz l'atmosphère s'est progressivement atténué. Laissé sans protection contre le vent solaire, l'atmosphère martienne a progressivement disparu en s'échappant dans l'espace. Le rayonnement ultraviolet a stérilisé le sol et sans gaz à effet de serre, la température de la surface a plongé et l'eau à l'état liquide a disparu transformant Mars en une planète morte[1].
Deux catégories de processus ont contribué à la disparition quasi complète de l'atmosphère martienne dans l'espace. La première catégorie est l'échappement thermique qui résulte de l'agitation normale des particules de gaz. Deux mécanismes sont à l'œuvre : l'échappement de Jeans qui concerne les atomes les plus légers et l'échappement hydrodynamique qui résulte de l'entrainement par l'hydrogène d'atomes plus lourds. Les échappements non thermiques sont l'échappement chimique (l'énergie cinétique permettant l'échappement résulte de réactions chimiques exothermiques), l'échappement ionique dans lequel les atomes ionisés sont accélérés par le vent solaire leur donnant une vitesse suffisante pour s'échapper et le criblage qui est la conséquence de l'accélération d'ions venant percuter d'autres molécules en leur transférant de l'énergie[1].
La mission MAVEN
La mission spatiale de l'agence spatiale américaine, la NASA MAVEN a été lancée en 2013 dans le but d'étudier l'atmosphère de Mars et en particulier d'identifier les processus qui ont entrainé sa quasi disparition quelques centaines de millions d'années après la formation de la planète[2]. Parmi les nombreux résultats de cette mission, MAVEN a permis de confirmer le rôle du vent solaire dans l'échappement de l'atmosphère avec un accroissement considérable à chaque éruption solaire. Compte tenu de la fréquence beaucoup plus élevée de ces événements lorsque le Soleil était plus jeune, ce processus explique sans aucun doute la transformation subie par l'atmosphère martienne[3]. La mission a également permis de déterminer que l'ionosphère jouait un rôle critique dans le processus d'échappement[4] et que le taux de disparition de l'hydrogène variait fortement en fonction de la saison martienne[5]. MAVEN, placée en orbite autour de cette planète à l'automne 2014, continue de collecter des données courant 2025.
EscaPADE, suite à bas coût de Maven, sélectionnée dans le cadre du programme SIMPLEX
La mission spatiale EscaPADE est une suite de la mission MAVEN qui doit améliorer et compléter les résultats fournis par cette dernière pour une fraction de son coût. EscaPADE est conçu pour étudier plus particulièrement deux des trois modes non thermiques de l'échappement atmosphérique : l'échappement ionique et le criblage. Ceux-ci sont gouvernés par les interactions entre d'une part les champs magnétique et électrique de la planète et d'autre part le vent solaire et le champ magnétique interplanétaire[6].
EscaPADE fait partie du programme SIMPLEx (Small Innovative Missions for Planetary Exploration) créé par la NASA pour développer des sondes spatiales chargées d'explorer le système solaire pour un budget réduit (plafonné à 55 millions US$ hors coût de lancement). Les engins spatiaux du programme sont lancés par des fusées en tant que charge utile secondaire, ce qui contribue à abaisser le coût total de la mission. Les deux premières missions du programme SIMPLEx, sélectionnées en 2015, étaient les CubeSats LunarH-Map et Q-PACE (en) chargés respectivement de mesurer les concentrations d'hydrogène à la surface de la Lune et d'étudier les caractéristiques des collisions des particules de faible vélocité dans un environnement soumis à une microgravité. Les données recueillies par cette dernière mission devraient fournir des informations importantes sur la formation des planètes. EscaPADE est sélectionnée en dans le cadre du deuxième appel d'offres de SIMPLEx avec deux autres projets (Janus et Lunar Trailblazer) parmi une douzaine de propositions[7].
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Objectifs
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Les mesures du plasma de l'environnement spatial de Mars jouent un rôle crucial pour comprendre d'une part la structure, la composition, la variabilité et la dynamique de la magnétosphère de Mars (cette dernière étant à la fois induite et intrinsèque) et d'autre part les processus d'échappement ionique et de criblage. Les missions MAVEN et Mars Express ont certes révolutionné notre compréhension de l'environnement spatial de Mars et de l'échappement de son atmosphère mais l'absence de coordination entre leurs orbites et de magnétomètre à bord de Mars Express n'ont pas permis de distinguer les variations spatiales et temporelles des flux de particules s'échappant de l'atmosphère martienne et la réaction de ceux-ci et de la magnétosphère aux changements rapides affectant le vent solaire minute après minute. Grace à l'utilisation de deux observatoires, la mission EscaPADE doit permettre de combler ces lacunes. Les objectifs de la mission EscaPADE sont les suivants[8] :
- Comprendre les processus contrôlant la structure de la magnétosphère de Mars et la manière dont elle influe sur la trajectoire des ions.
- Comprendre comment l'énergie et le moment cinétique sont transférés du vent solaire via la magnétosphère de Mars.
- Comprendre les processus qui contrôlent les flots d'énergie et de matière qui s'échangent au niveau de la partie de l'atmosphère de Mars qui est sous l'influence du vent solaire.
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Déroulement du projet
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Les caractéristiques techniques des sondes spatiales EscaPADE ont beaucoup évolué suite à la sélection de la mission. Le programme SIMPLEX imposait que la masse totale des deux satellites soit inférieure à 360 kilogrammes et que ceux-ci puissent être placés en orbite comme une charge utile secondaire. Pour répondre à cette exigence, les satellites retenus par l'équipe projet avaient une masse unitaire de 90 kilogrammes, une propulsion électrique et devaient être lancés en août 2022 par une fusée Falcon Heavy qui devait les injecter sur une orbite interplanétaire avec la sonde spatiale Psyché[9],[10],[11].
Mais un changement apporté à la trajectoire de la sonde spatiale Psyché complexifiant fortement l'insertion en orbite martienne (avec un surcoût associé) conduit à l'abandon d'un lancement partagé avec Psyché. Pour faciliter la recherche d'une solution de lancement alternative tout en restant dans l'enveloppe budgétaire prévue, la NASA décide de lever la contrainte de masse et d'opter pour une propulsion chimique. La plateforme Photon développée par la société néo-zélandaise Rocket Lab pour la mission CAPSTONE est retenue. Celle-ci dispose d'une capacité de changement de vitesse de 2600 m/s alors que l'insertion en orbite autour de Mars et les manœuvres orbitales postérieures ne requièrent que 1500 m/s. Cela laisse 1100 m/s après largage par le lanceur pour effectuer les manœuvres nécessaires à l'insertion sur une orbite de transfert vers Mars. Cette marge permet de lancer EscaPADE avec des missions aux destinations très variées : orbite terrestre haute avec un apogée supérieur à 110 000 kilomètres, missions à destination de la Lune ou de Mars. La masse de chaque satellite atteint désormais 375 kilogrammes mais à la suite de plusieurs évolutions durant la maturation de la conception elle atteint 530 kilogrammes sans toutefois que le projet ne dépasse le budget alloué[12].
La NASA choisit en février 2023 le lanceur spatial lourd New Glenn qui dispose d'une capacité de lancement à un coût compatible avec le programme. Le constructeur de ce lanceur qui n'a encore jamais volé, Blue Origin, propose un tarif particulièrement bas (20 millions US$)[Note 1] pour vérifier son fonctionnement en vol avec une charge utile réelle tout en limitant les risques en cas de poussée insuffisante des moteurs[13]) et dont le premier vol doit avoir lieu durant la fenêtre de lancement vers Mars qui s'ouvre début 2024[14]. La date du tir de la fusée, qui est en cours de mise au point, est repoussée à plusieurs reprises mais celui-ci ayant une réserve importante de puissance, le lancement reste toujours possible. Mais un nouveau report après la date butoir d'octobre 2024 entraine l'abandon du créneau de 2024. Théorique le lancement d'EscaPADE est repoussé jusqu'à l'ouverture de la prochaine fenêtre de lancement vers Mars (quatrième trimestre 2026)[15]. La maintenance des sondes spatiales clouées au sol durant deux ans risquant d'entrainer un dépassement de budget, la NASA choisit finalement de lancer les sondes spatiales sans attendre l'ouverture d'une fenêtre de lancement favorable en ajoutant une phase de séjour d'un an au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil[16].
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Caractéristiques techniques
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La collecte des données est effectuée par deux engins spatiaux identiques, baptisés Blue et Gold, d'une masse unitaire de 530 kilogrammes au lancement qui sont placés en orbite autour de Mars. Cette formation permet d'étudier les mêmes phénomènes atmosphériques depuis deux positions distinctes. Chaque engin spatial utilise une plateforme (bus) Photon de Rocket Lab et est propulsé par un moteur-fusée à ergols liquides HyperCurie développé par la même société. Quatre panneaux solaires fixes déployés en orbite fournissent 250 watts. Chaque sonde spatiale emporte une quantité d'ergols permettant un changement de vitesse (delta-V) total de 2 500 m/s. Le contrôle d'attitude et les corrections orbites de faible ampleur utilisent des moteurs à gaz froid (azote) et des roues de réaction. L'orientation des engins est déterminée à l'aide de 4 capteurs de Terre et de deux viseurs d'étoiles. Les communications se font en bande X et reposent sur une antenne parabolique fixe à grand gain de 60 centimètres de diamètre pour le transfert des données scientifiques ainsi que sur 4 antennes faible gain et deux antennes moyen gain lorsque l'antenne principale n'est pas pointée vers la Terre[8],[11].
Instruments
Chacune des deux sondes spatiales emporte les trois instruments suivants[8],[17] :
- Le magnétomètre EMAG (ESCAPADE magnetometer) permet de mesurer un champ magnétique compris entre 0 et 2000 nanotesla avec une précision en intensité de 0,5 microtesla et en direction de 20°. L'instrument a une masse de 450 grammes, une consommation de 1,3 Watts et génère 11,5 bits de données par seconde. L'instrument est fourni par le Centre de vol spatial Goddard (NASA)[18].
- ESSA (ESCAPADE ElectroStatic Analyzer) est composé de deux sous-ensembles. Le premier sous-ensemble (EESA-i) mesure l'énergie des ions ayant une masse atomique comprise entre 4 et 16 et une énergie comprise entre 0,5 eV et 30 keV avec une précision de 17% ainsi que l'incidence avec une précision de 23x23 degrés (2,8 ∏). Le deuxième (EESA-e) mesure l'énergie des électrons dont la valeur est comprise entre 10 eV et 10 keV avec une précision de 17% ainsi que l'incidence avec une précision de 23x23 degrés (2,8 ∏). L'instrument a une masse de 5,34 kilogrammes, une consommation de 6,1 Watts et génère 18 + 67 bits de données par seconde. L'instrument est fourni par l'Université de Berkeley[19].
- L'instrument ELP (ESCAPADE Langmuir Probe) mesure la densité du plasma ainsi que le potentiel électrique et l'énergie électrique. L'instrument a une masse de 538 grammes, une consommation de 0,95 Watts et génère 10,8 bits de données par seconde. L'instrument est fourni par l'Université aéronautique Embry-Riddle[20].
Les sondes spatiales emportent également deux caméras : une caméra fonctionnant en lumière visible avec une résolution spatiale de 45 mètres au périgée et de 3,2 kilomètres à l'apogée (photo de la surface) et une caméra infrarouge (8 à 14 microns) avec une résolution spatiale de 460 mètres au périgée et de 34 kilomètres à l'apogée. Leur masse combinée est de 603 grammes[17].
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Déroulement de la mission
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Contexte
Les deux sondes spatiales sont placées en orbite le 13 novembre 2025 par le lanceur spatial lourd New Glenn décollant depuis la base de Cape Canaveral (Floride). Il du deuxième vol de cette fusée mais de sa première utilisation opérationnelle. Le lancement se déroule de manière nominale et le premier étage de la fusée revient se poser sur une barge pré-positionnée au large de la Floride faisant de Blue Origin, le deuxième constructeur après SpaceX en mesure de réutiliser partiellement son lanceur[22]. La date de lancement ne coïncidant pas avec la fenêtre de lancement vers Mars, une trajectoire complexe a été retenue. Les sondes Escapades sont d'abord placées en orbite autour du point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. Lorsque la date optimale pour l'injection sur une orbite de transfert vers Mars est atteinte (début novembre 2026), les deux sondes spatiales utilisent leur propulsion pour quitter cette orbite, survolent la Terre qu'elles utilisent pour une manoeuvre d'assistance gravitationnelle puis entament un transit vers Mars. Après leur insertion en orbite autour de Mars en septembre 2027, les deux engins entameront leur mission scientifique d'une durée de 11 mois. Pour répondre aux objectifs scientifiques, le recueil de données s'effectuera dans le cadre de deux campagnes caractérisées par des orbites différentes[23],[11] :
- Au cours de la première campagne (15 juin au 15 décembre 2028) les deux engins spatiaux circulent la même orbite et dans le même plan orbital (160 × 8 000 km avec une inclinaison orbitale de 65°) et qui est parcourue en 5,97 heures. L'altitude de 160 kilomètres correspond à la strate supérieure de l'atmosphère martienne. L'objectif de cette phase est d'observer les mêmes phénomènes dynamiques de l'atmosphère martienne à deux moments différents en faisant varier la distance entre les deux orbiteurs de 0 à 30 minutes d'intervalles.
- Au cours de la deuxième campagne (15 décembre au 15 mai 2028), les sondes spatiales circulent sur des orbites différentes (160 × 10 000 km et 160 × 7 000 km) avec une inclinaison orbitale identique (65°) et des plans orbitaux évoluant de manière indépendante du fait de la différence d'apogée. Durant cette phase, les orbiteurs doivent traverser les régions où l'ionisation de l'atmosphère est maximale. L'objectif de cette phase est d'observer l'échappement de l'atmosphère martienne via les processus d'échappement ionique et de criblage.
Trajectoire d'EscaPADE
Autour du Soleil dans le référentiel de la Terre
Autour du Soleil
- Soleil
- ESCAPADE Gold/Blue
- Terre
- Mars
- Point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil
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Notes et références
Voir aussi
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