Programme Phobos

Le programme Phobos est une mission spatiale inhabitée soviétique constituée de deux sondes spatiales, lancées en 1988, consacrées principalement à l'étude de la planète Mars et de ses deux lunes, Phobos et Déimos. Souffrant d'anomalies critiques, les deux sondes finissent par perdre contact avec la Terre. Seule Phobos 2 réussit à se mettre en orbite autour de Mars et à collecter des données, dont 38 photographies d'une résolution supérieure à 40 mètres.

Phobos
Sonde spatiale

Vue d'artiste de la sonde Phobos en orbite autour de Mars

Données générales

Organisation	Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie (IKI)
Constructeur	Lavotchkine
Domaine	Étude de Phobos et de Mars
Type de mission	Orbiteur + atterrisseurs
Statut	Achevée
Lancement	Phobos 1 : 7 juillet 1988 Phobos 2 : 12 juillet 1988
Lanceur	Proton-K
Fin de mission	Phobos 1 : 30 août 1988 Phobos 2 : 27 mars 1989
Identifiant COSPAR	1988-059A
Site	www.iki.rssi.ru/IPL/phobos.html

Caractéristiques techniques

Masse au lancement	2 620 kg avec étage ADU 6 220 kg
Masse instruments	540 kg Atterrisseurs compris
Propulsion	Ergols liquides
Masse ergols	2 600 kg
Contrôle d'attitude	Stabilisé sur 3 axes
Source d'énergie	Panneaux solaires

Principaux instruments

ISM	Radiomètre infrarouge thermique
LIMA-D	Spectromètre de masse + laser
ASPERA	Spectromètres ions et électrons
KRFM	Radiomètre infrarouge thermique
AUGUSTE	Spectromètre ultraviolet et proche infrarouge
DION	Spectromètre de masse + canons à ions
SOVIKOMS	Spectromètre particules vent solaire
APV-F	Analyseur de plasma
MAGMA	Magnétomètre
X (atterrisseur)	Caméra TV
ALPHA-X (atterrisseur)	Spectromètre alpha rayons X
Y (atterrisseur)	Spectromètre à rayons X

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Les missions Phobos ont notamment pour objectif l'observation du Soleil (étude du vent solaire, de l'environnement plasmatique et du champ magnétique), l'étude de la composition de la surface du satellite Phobos et de l'atmosphère de la planète Mars.

Contexte

Retour des soviétiques sur Mars

Durant les années 1970 les États-Unis sont le leader incontesté de l'exploration du système solaire avec ses missions réussies vers Mars (programme Viking 1975-1980), Mercure (Mariner 9) et les planètes externes (programme Voyager) tandis que l'Union soviétique doit se contenter des succès de ses missions vers Vénus (programme Venera). Dix ans plus tard la situation est inversée : la NASA est paralysée par les difficultés budgétaires alors que le programme spatial soviétique connait une période faste avec une succession de succès de ses missions vénusiennes (dont le programme Vega), le déploiement de la station spatiale Mir, le développement d'Energuia, concurrent de la Navette spatiale américaine, et un rythme de lancement annuel de 100 engins spatiaux. Au sein de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie (IKI), qui pilote le programme soviétique d'exploration du système solaire, les partisans de l'étude de Mars (les "martiens" par opposition aux "vénusiens" partisans de l'étude de Vénus qui l'avaient emporté jusque là) parviennent à convaincre leurs homologues que les missions Vega constituent l'aboutissement de ce qui est techniquement réalisable pour l'étude de Vénus et qu'il est désormais temps de se tourner vers Mars dont ils avaient abandonné l'exploration à la suite d'une succession d'échecs (les derniers étant Mars 6 et 7 en 1973)^[1].

Dans la décennie qui suit le programme spatial Viking, l'exploration spatiale de Mars reste au point mort. La NASA (l'agence spatiale américaine) et l'Agence spatiale européenne avaient bien élaboré plusieurs projets ambitieux mais aucun n'avait abouti. Les soviétiques, qui avaient abandonné en 1977 toute idée de réaliser une mission de retour d'échantillons du sol martien, décident de développer une mission d'étude des lunes de Mars. Phobos, qui est la plus grande de ces deux lunes et dont l'orbite est plus proche de Mars, est retenue comme objectif principal. Les soviétiques ne donnent pas d'explication officielle à leur décision d'explorer les lunes de Mars. En interne ce choix stratégique résulte de la décision de réaliser une première en choisissant un objectif délaissé par la NASA^{[Note 1]}. Certains planétologues américains estiment qu'il s'agit d'une mission d'étude d'astéroïde à bas coût (la théorie en vigueur à l'époque était que les satellites de Mars étaient des astéroïdes capturés par la planète)^[2],[3].

Les acteurs du projet

Le programme Phobos est lancé officiellement début 1985. Les acteurs industriels et scientifiques qui participent au projet sont en grande partie les mêmes que ceux du programme Vega dont les deux sondes spatiales étaient à cette date en route vers Vénus. Mais alors que le programme Vega était piloté par l'équipe scientifique de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie (IKI), la gestion du programme Phobos est confiée au bureau d'études Lavotchkine, concepteur de toutes les sondes spatiales interplanétaires soviétiques. Les deux petits atterrisseurs sont construits respectivement par l'IKI et l'Institut Vernadsky. Les responsables du projet reconduisent l'ouverture particulièrement importante du projet à la coopération internationale initiée avec le programme Vega et qui avait valu à cette mission un succès mondial. Ainsi de nombreux instruments du programme Phobos sont fournis par d'autres pays européens occidentaux et du bloc de l'est : Autriche, Bulgarie, Tchécoslovaquie, Finlande, Allemagne de l'Ouest, Hongrie, Irlande, Pologne, Suisse et Suède. La France, qui a une longue histoire de coopération avec l'Union soviétique est un partenaire particulièrement important. Dans le cadre du projet, les scientifiques américains et soviétiques échangent les données recueillies par leurs missions respectives : les soviétiques fournissent aux américains, qui préparent la mission Magellan à destination de Vénus, les données collectées par leurs sondes spatiales Venera 15 et 16. Les soviétiques reçoivent en échange les données et images de Phobos prises par les missions Mariner 9 et Viking de la NASA. La fenêtre de lancement vers Mars, qui s'ouvre en 1988, est retenue ce qui laisse très peu de temps pour mettre au point la mission. A cette époque, les soviétiques créent une agence spatiale, baptisée Glavcosmos, dont la mission est de coordonner le programme spatial scientifique civil et d'organiser la coopération avec les contributeurs des autres pays^[3],[4].

La lune Phobos

Phobos est avec Deimos un des deux satellites de la planète Mars. Ces deux objets célestes sont de forme irrégulière et de petite taille : le diamètre moyen de Phobos est de 22 kilomètres tandis que celui de Déimos est de 11 kilomètres. Alors que Déimos orbite autour de Mars à une distance de son centre de 23 550 km (période orbitale de 30 heures), Phobos rase la surface de Mars (distance de 9 378 kilomètres soit 6 000 km au-dessus de la surface ou 1/58^e de la distance Terre-Lune) ce qui impose une vitesse orbitale très élevée pour son maintien en orbite (période orbitale de 7 h 39). Elle devrait d'ailleurs s'écraser à la surface de la planète dans une centaine de millions d'années. Les deux lunes sont fortement influencées par les forces de marée exercées par Mars : elles présentent toujours la même hémisphère tournée vers Mars (rotation synchrone) et elles sont déformées par celles-ci. Leur densité est faible^[5].

Conception de la mission

La conception de la mission Phobos débute cinq ans avant son approbation. Initialement les ingénieurs soviétiques prévoyaient de poser un atterrisseur sur le sol de Phobos. Pour prendre en compte la gravité particulièrement faible de cette lune et sa forme très irrégulière, il est prévu que l'atterrissage repose sur des harpons tirés alors que la sonde spatiale se situe à 20 mètres au-dessus de la surface. Mais devant les difficultés techniques d'un atterrissage sur un corps à la gravité très faible et à la surface très irrégulière ils renoncent à poser l'ensemble de la sonde spatiale à la surface de Phobos, et décident de faire de la sonde spatiale un orbiteur emportant deux petits atterrisseurs. Après de multiples manœuvres permettant à l'engin spatial de survoler Phobos à une distance de 50 à 100 mètres, la sonde spatiale devait au cours d'un de ces passages à basse altitude larguer les atterrisseurs qui devaient collecter des données in situ. Il était prévu qu'au cours des ces survols à basse altitude, deux instruments bombardent la surface avec d'une part un faisceau laser (instrument LIMA-D) et d'autre part un faisceau d'ions (expérience DION). Le nuage de matières soulevé devait être analysé par les spectromètres de masse embarqués sur l'orbiteur^[6].

Une nouvelle plateforme pour la sonde spatiale

L'Union soviétique avait consacré très peu de moyens à l'évolution de la plateforme (bus) de ses engins interplanétaires au cours de la dernière décennie. Néanmoins pour le programme Phobos les ingénieurs soviétiques mettent au point une nouvelle plateforme baptisée UMVL (Universal Mars Venus Luna), qui succède à celle utilisé par les sondes Venera des missions planétaires de 1975-1985 et les missions Vega 1 et Vega 2 en direction de la comète de Halley. UMVL a été conçue pour pouvoir être utilisée pour la série de missions interplanétaires martiennes envisagées pour les années 1990 dont éventuellement sur une mission de retour d'échantillons du sol de Mars ainsi (comme son nom l'indique) pour des missions vers d'autres corps célestes (Vénus et la Lune). Cette cinquième génération de plateforme est notamment caractérisée par l'adoption d'une électronique moderne qui faisait défaut à la génération précédente.

Objectifs

A l'époque la théorie prépondérante concernant l'origine des lunes martiennes est que celles-ci étaient des astéroïdes capturés par la planète Mars. Or l'intérêt de la communauté scientifique pour les astéroïdes, vestiges de la formation du système solaire, s'était considérable accru. Phobos présentait également l'avantage de constituer une destination nécessitant moins d'énergie que la surface de la Lune ou de Mars. Le programme d'exploration planétaire de l'Union soviétique pour les années 1990 était centré sur Mars et une mission vers les lunes de Mars constituait à ce titre une entrée en matière pertinente^[6].

Le programme Phobos avait pour objectif principal l'étude de la surface de Phobos. Les objectifs secondaires étaient l'étude de l'environnement interplanétaire, l'observation du Soleil, la caractérisation de l'environnement plasmatique de Mars ainsi que l'étude de la surface et de l'atmosphère de cette planète^[6].

Caractéristiques techniques

Maquette de la sonde spatiale Phobos.

Les sondes spatiales Phobos ont chacune une masse de 2 600 kg dont 500 kg d'instruments. Avec l'étage de fusée ADU, qui est largué lors de l'insertion orbitale autour de Mars, leur masse atteint 6 220 kg. Elles sont lancées par une fusée Proton-K. Comme leur masse excède la capacité du lanceur Proton (4,5 tonnes pour une mission vers Mars), le lancement s'effectue en deux temps. La sonde spatiale avec son étage de fusée ADU est d'abord placé sur une orbite terrestre haute elliptique culminant à 130 500 km puis cet étage est allumé durant 142 secondes^[7].

Plateforme/bus

Ordinateur de bord.

Les sondes spatiales Phobos utilisent pour la première fois la nouvelle génération de plateforme/bus UMVL. Celle-ci est constituée d'un compartiment pressurisé de forme toroïdal contenant l'électronique flanqué de quatre réservoirs sphériques contenant les ergols utilisés pour les corrections d'attitude et les petites corrections de trajectoire. Les panneaux solaires fournissant l'énergie sont fixes et placés au-dessus du module toroïdal et parallèle à sa surface. Le système propulsif comprend 28 moteurs-fusées dont 24 développent une poussée de 50 N , quatre ayant une poussée de 10 N et 12 moteurs-fusées monoergols d'une poussée de 0,5 Newtons. Ces moteurs-fusées à ergols liquides brûlant de l'hydrazine sont fixés sous les réservoirs sphériques. La plateforme permet deux modes de stabilisation : stabilisation sur trois axes ou stabilisation sur deux axes (les panneaux solaires sont maintenus face au Soleil). La version utilisée par le programme Phobos utilise deux panneaux solaires de forme carrée ayant à leur extrémité des petits moteurs-fusées de contrôle d'attitude et des antennes omnidirectionnelles. La plateforme est surmontée d'une structure cylindrique contenant les batteries électriques, l'électronique du système de contrôle d'attitude, les émetteurs/récepteurs radio et les instruments scientifiques. Une antenne parabolique à grand gain de 1,65 mètres de diamètre et orientable avec deux degrés de liberté est fixée au sommet du cylindre. Un enregistreur permet de stocker 30 mégabits de données. Celles-ci sont transmises grâce à un émetteur radio d'une puissance de 50 Watts avec un débit compris entre 65 et 131 kilobits/s lorsque la sonde spatiale est en orbite autour de Mars. L'ancien système de contrôle d'attitude utilisé par les sondes Venera est remplacé par un ordinateur doté d'un double processeur disposant d'une mémoire de 4,8 gigaoctets et développé conjointement par la Hongrie et l'URSS. Les instruments utilisés pour l'observation à distance sont répartis sur tout le corps de la sonde spatiale et non sur une plateforme orientable comme dans le cas des sondes spatiales Vega ce qui constituait une régression car nécessitait de rompre le contact avec la Terre pour utiliser ces instruments^[8],[9].

Astromobile sauteur PrOP-F

L'astromobile sauteur PrOP-F, embarqué uniquement sur Phobos 2 en raison de contraintes de masse, est un des deux petits engins spatiaux qui devaient être éjectés par la sonde spatiale lors d'un survol rapproché de Phobos et se poser à la surface de la Lune. Il avait la forme d'une demi sphère de 50 centimètres de diamètre surmontant un cône tronqué haut d'environ 50 centimètres. Après avoir survécu au choc de l'atterrissage (vitesse horizontale maximale de 3 m/s et verticale de 0,45 m/s) il devait se redresser sur sa face inférieure plate à l'aide de quatre longs bras mobiles faisant levier. Après avoir collecté les données à l'aide de ses instruments durant 20 minutes, il devait utiliser ses bras pour effectuer un saut d'une vingtaine de mètres et entamer la collecte de données de son nouvel environnement. L'énergie était fourni par une batterie de 20 A.h qui lui permettait d'effectuer dix sauts sur une durée totale de quatre heures. Les données étaient transmises par un émetteur radio d'une puissance de 0,3 Watts avec un débit de 224 bits par seconde. Sa masse était de 50 kg dont 8 kg pour les instruments^[10].

L'atterrisseur mobile PrOP-F emporte six instruments. Les deux sondes spatiales sont tombées en panne avant que cet engin se pose sur le sol aussi ce instruments n'ont fourni aucun résultat^[6] :

• Un spectromètre à fluorescence rayons X permettant l'identification des éléments chimiques présents à la surface de Phobos.
• Un magnétomètre destiné à mesurer le champ magnétique local et déterminer la perméabilité du sol.
• Un gravimètre qui devait être utilisé pour mesurer le champ de gravité de Phobos.
• Des capteurs mesurant la température de la surface de Phobos.
• Un conductimètre utilisé pour mesurer la conductivité électrique de Phobos.
• Des capteurs mesurant les propriétés mécaniques de la surface de Phobos.

Atterrisseur DAS

L'atterrisseur DAS, qui était fixé au sommet de la sonde spatiale, est un des deux petits engins spatiaux qui devaient être éjectés par la sonde spatiale lors d'un survol rapproché de Phobos et se poser à la surface de la Lune. Une fois libre, il utilise des petits propulseurs à gaz froid pour se stabiliser en se mettant en rotation à une vitesse de deux radians par seconde (environ 19 tours par minute). Le contact avec le sol de Phobos est effectué à une vitesse maximale verticale de 4 m/s et horizontale de 2 m/s. Le contact avec le sol est détecté par des capteurs qui déclenchent alors à la fois la mise à feu de petits moteurs à propergol solide plaquant l'atterrisseur contre le sol et l'éjection d'un harpon qui vient se ficher dans le sol. Le câble au bout duquel est fixé le harpon est rembobiné pour maintenir l'atterrisseur collé au sol. Dix minutes après l'atterrissage, alors que la poussière soulevée par celui-ci est retombée sur le sol, la plateforme sur laquelle sont fixés les instruments est hissée à une hauteur de 80 centimètres au-dessus de la surface. Trois panneaux solaires, dont l'orientation suit le Soleil grâce à des capteurs, sont déployés. Les données sont transmises directement à la Terre par un émetteur radio fonctionnant dans le fréquence est de 1,672 MHz. Malgré la mise au point d'algorithmes de compression le débit était limité (4 à 16 bits par seconde) ce qui imposait quatre sessions de communications pour transmettre une seule image. La masse de DAS est de 67 kg dont 20,6 kg pour les instruments. Il était prévu que l'atterrisseur recueille des données durant trois mois^[11].

L'atterrisseur DAS emporte cinq instruments. Les deux sondes spatiales sont tombées en panne avant que cet engin se pose sur le sol aussi ce instruments n'ont fourni aucun résultat^[6] :

• Une caméra devant permettre l'étude la microstructure des couches de la surface. Cet instrument, dont le développement est piloté par J. Blamont est fourni par la France et l'URSS.
• Un spectromètre alpha rayons X pour déterminer les éléments présents à la surface de Phobos. L'instrument est fourni par l'Allemagne et l'URSS.
• L'instrument LIBRATION est un capteur solaire destiné à mesurer avec précision la position du Soleil avec comme objectif de déterminer le mouvement de libration de Phobos. Cet instrument et fourni par la France et l'URSS.
• Un sismomètre destiné à étudier la structure interne de Phobos

Étage ADU

Maquette de l'étage Fregat directement dérivé de l'étage ADU utilisé par les sondes spatiales Phobos.

La plateforme de la sonde spatiale est couplée avec un module propulsif ADU (Avtonomnaya Dvigatl'naya Ustanovka, en français : « étage propulsif autonome ») que le bureau d'études Lavotchkine a développé à partir du vieil étage E-8 utilisé par les sondes lunaires lourdes du programme Luna. Cet étage fonctionne comme un cinquième étage du lanceur Proton : son rôle est d'injecter la sonde spatiale sur l'orbite de transit vers Mars, d'effectuer les manœuvres de correction intermédiaires et de freiner l'ensemble pour assurer son insertion sur l'orbite martienne visée. Pour les missions Phobos il comprend quatre réservoirs sphériques de 73 centimètres de diamètre et quatre autres de 1,02 mètres de diamètre contenant d'une part les ergols (de l'UDMH et du peroxyde d'azote) et d'autre part l'avionique. Il est propulsé par un moteur-fusée à ergols liquides unique de type Isayev KTDU-425A qui peut fournir une poussée comprise entre 9,8 et 18,6 kiloNewtons. La durée totale de combustion est de 560 secondes et il peut être rallumé sept fois. Sa masse à vide est de 600 kg et il peut emporter trois tonnes d'ergols. L'étage ADU sera par la suite adapté et deviendra l'étage supérieur Fregat utilisé fréquemment par le lanceur spatial Soyouz à compter des années 2000^[7],[12].

Instrumentation

Maquette de la sonde vue de dessus.

Les sondes spatiales Phobos emportent un nombre record d'instruments. En comptant ceux installés sur les atterrisseurs on dénombre 24 instruments fournis par l'Union soviétique et 13 instruments fournis par d'autres pays^[13]. Les instruments installés sur la sonde spatiale sont :

• Instruments de télédétection actifs utilisés pour étudier Phobos^[14] :
  • LIMA-D est un instrument composé d'un canon laser et d'un spectromètre de masse développé conjointement par l'URSS, la Finlande et l'Allemagne dans le but de déterminer les éléments présents à la surface de Phobos. Le laser arrache des particules de la surface de Phobos et celles-ci sont analysées par le spectromètre de masse.
  • DION est un instrument composé d'un canon à ions et d'un spectromètre de masse développé conjointement par l'URSS, la France et l'Autriche dans le but de déterminer les éléments présents à la surface de Phobos. Le canon à ions arrache des particules de la surface de Phobos et celles-ci sont analysées par le spectromètre de masse.
  • Le radar RLK fourni par l'URSS étudie le sous-sol de Phobos.

• Instruments de télédétection passifs utilisés pour étudier Phobos et Mars^[15] :
  • Le spectromètre imageur VSK cartographie la surface de Phobos dans trois longueurs d'ondes. L'instrument est développé conjointement par l'URSS, la Bulgarie et l'Allemagne.
  • Le radiomètre THERMOSCAN, fonctionnant dans l'infrarouge thermique et fourni par l'URSS réalise une carte des températures en surface.
  • Le spectromètre gamma et rayons X GS-14 destiné à identifier les éléments présents à la surface de Phobos est fourni par l'URSS.
  • Le spectromètre à neutrons IPNM-3 fourni par l'URSS mesure l'eau présente à la surface de Phobos. L'instrument est embarqué uniquement sur Phobos 1.
  • Le spectromètre ultraviolet et proche infrarouge AUGUSTE fourni par la France et l'URSS étudie l'atmosphère de Mars en particulier les aérosols durant les occultations solaires.

• Étude de l'environnement spatial de Mars (vent solaire et plasma)^[16] :
  • L'instrument ASPERA développé conjointement par la Suède, l'URSS et l'Autriche étudie le vent solaire, l'environnement plasmatique (composition ionique du plasma, distribution électronique et le champ magnétique (structure et dynamique de la magnétosphère).
  • L'analyseur d'ondes de plasma APV-F fourni par l'Agence spatiale européenne, la Pologne, la Tchécoslovaquie et l'URSS.
  • Le magnétomètre fluxgate FMGG fourni par l'Allemagne de l'Ouest et l'URSS est un magnétomètre mesurant le champ magnétique à proximité de Mars.
  • Le magnétomètre fluxgate MAGMA fourni par l'Autriche mesure le champ magnétique à proximité de Mars.
  • L'instrument HARP fourni par la Hongrie est un spectromètre mesurant l'énergie et la distribution des ions et des électrons.
  • L'instrument TAUS fourni conjointement par l'Allemagne de l'Ouest et l'URSS mesure la direction et la vitesse des protons, des particules alpha et des ions lourds.
  • L'instrument SOVIKOMS fourni par l'Allemagne et l'URSS est un spectromètre qui étudie l'énergie, la masse et la charge de certaines particules spatiales du plasma (vent solaire)
  • L'analyseur de rayons cosmiques LET fourni conjointement par l'Agence spatiale européenne, l'URSS, la Hongrie et l'Allemagne de l'Ouest.
  • Le spectromètre des particules chargées SLED analysant les rayons cosmiques à faible énergie fournis par l'Union soviétique, la Hongrie, l'Irlande.

• Étude de la physique du Soleil et astrophysique^[17] :
  • Le coronographe TEREK fourni par la Tchécoslovaquie et l'URSS embarqué uniquement sur Phobos 1 étudie le spectre visible et rayons X de la couronne solaire
  • Le photomètre IPHIR analysant les oscillations du Soleil fourni par la Suisse avec des contributions de la France, de l'Agence spatiale européenne et de l'URRSS.
  • Le photomètre SUFR analysant le rayonnement ultraviolet lointain fourni par l'URSS.
  • L'instrument RF-15 fourni par la Tchécoslovaquie et l'URSS pour analysee les rayons X et gamma émis par le Soleil.
  • VGS/APEX analyseur de particules à haute énergie (100 keV à 10 MeV) en provenance du Soleil et des sursauts gamma fourni par la France et l'URSS.
  • LILAS, analyseur de particules à basse énergie (3 keV à 1 MeV) en provenance du Soleil et des sursauts gamma fourni par la France et l'URSS.

Déroulement des missions

Les missions Phobos 1 et Phobos 2 sont lancées respectivement les 7 et 12 juillet 1988. Phobos 1 est perdu durant son transit vers Mars le 2 septembre. Phobos 2 parvient à s'insérer en orbite autour de Mars le 28 janvier 1989. Il réalise une campagne d'observations de Mars et de Phobos. Alors que la mission s'apprête à descendre sur le sol de Phobos, le contact avec la sonde spatiale est perdu le 9 avril 1989.

Phobos 1

La sonde Phobos 1 est lancée le 7 juillet 1988 par une fusée Proton-K décollant de la Baïkonour. Reflétant la nouvelle politique d'ouverture à l'occident des autorités soviétiques, une délégation de journalistes et d'officiels américains (dont l'astronaute Michael Collins) et européens sont pour la première fois autorisés à visiter le hall dans lequel est assemblé la sonde spatiale et à assister au lancement. Conformément à ce qui était prévu la fusée place la sonde spatiale sur une orbite terrestre haute. Le module propulsif ADU est alors mis à feu pour injecter Phobos 1 sur sa trajectoire de transit vers Mars que la sonde spatiale doit atteindre début avril 1989. Une correction de trajectoire de 8,9 m/s est effectuée le 16 juillet 1988. Les premières données scientifiques sont collectées par l'instrument européen mesurant les ondes de plasma lors du franchissement de l'onde de choc de la magnétosphère terrestre à 200 000 km de distance de la Terre. En aout la sonde spatiale envoie 140 images du rayonnement X solaire. Mais le 2 septembre 1988, un tentative de contact routinière avec la sonde spatiale reste sans réponse. L'équipe projet découvre que lors de la dernière session de communications avec Phobos 1, qui a eu lieu le 29 aout, une commande erronée a été envoyée : celle-ci, au lieu d'activer comme prévu le spectromètre gamma, a lancé un programme résident utilisé lors de l'assemblage pour tester le système de contrôle d'attitude. Ce programme s'achève par une commande d'arrêt des moteurs-fusées chargés de maintenir l'orientation de la sonde spatiale. Phobos 1 a alors progressivement pivoté en adoptant l'orientation la plus stable sur le plan dynamique qui malheureusement positionne les panneaux solaires dans une direction opposée à celle du Soleil. Les batteries n'étant plus rechargées, celles-ci se sont vidées de leur énergie. Durant les mois de septembre et d'octobre les opérateurs au sol vont tenter en vain de reprendre contact avec la sonde spatiale avant de renoncer et de déclarer la fin de la mission. Les investigations menées pour déterminer l'origine de l'erreur montrèrent entre autres que la commande erronée avait été exécutée sans avoir été testée au préalable dans un simulateur (celui-ci était en panne ce jour là) comme la procédure le prévoyait. L'ingénieur à l'origine de l'envoi de la commande, fut écarté du projet^[18],[19].

Phobos 2

La sonde Phobos 2 est lancée cinq jours après Phobos 1, le 12 juillet 1988 par une fusée Proton-K décollant de la Baïkonour. Reflet de l'ouverture à l'occident mais également d'une crise budgétaire larvée du programme spatial soviétique, le lanceur spatial arbore des publicités pour des sociétés sidérurgiques italienne et autrichienne fournisseurs de l'Union Soviétique. L'injection sur l'orbite de transit vers Mars se déroule de manière nominale et une première correction de trajectoire de 9,3 m/s est réalisée le 21 juillet. Les deux instruments observant le rayonnement gamma enregistrent 400 éruptions solaires. La structure temporelle détaillée de ces événements ainsi que leur spectre fournit des indices sur leur origine. L'instrument observant les oscillations solaires fournit également des données de qualité entre juillet 1988 et janvier 1989. Mais alors que la sonde spatiale arrive à proximité de Mars, les autorités soviétiques confirment les rumeurs selon lesquelles l'état de santé de la sonde spatiale s'est fortement dégradée. Un des trois ordinateurs redondants en charge du contrôle d'attitude est tombé en panne et un deuxième a des problèmes de fonctionnement. Or pour que le système soit opérationnel il faut qu'au moins deux sur trois des ordinateurs donnent des instructions convergentes. Une panne complète du deuxième ordinateur entrainerait la fin de la mission. Par ailleurs l'émetteur radio principal ne fonctionne plus et l'envoi de données repose sur un émetteur radio de secours dont le débit est bien plus faible. Phobos corrige une dernière fois sa trajectoire le 23 janvier (20,8 m/s) avant d'utiliser le 28 janvier sa propulsion principale pour s'insérer sur une orbite elliptique (81 301 × 864 km) quasi équatoriale (inclinaison de 1°) autour de Mars qu'elle parcourt en 76,5 heures^[20].

Sur cette orbite martienne les instruments sont à même de recueillir des données d'une part sur les interactions entre le vent solaire et l'ionosphère martienne et d'autre part sur les perturbations de la magnétosphère et du plasma générées sans doute par l'anneau de poussière situé sur la trajectoire de la lune Phobos. L'orbite de Phobos 2 est progressivement circularisée en abaissant l'apogée et en relevant le périgée. Durant les passages au périgée les instruments de télédétection sont utilisé pour observer les régions équatoriales de Mars. Le 11 février l'imageur infrarouge Termoskan est utilisé pour la première fois afin de dresser une carte des températures sur une bande longue de 120° en longitude avec une résolution spatiale de 300 mètres. La majorité des spectres gamma de la surface sont obtenus durant les premières orbites : la composition de la surface à l'équateur est très proche de celle mesurée par les atterrisseurs Viking qui s'étaient posés dans l'hémisphère nord ce qui indique que la majorité de la planète est sans doute recouverte d'une couche homogène de poussière transportée par le vent. Le 18 février une dernière manœuvre de 722 m/s circularise l'orbite de Phobos 2 : la sonde spatiale circule désormais sur une orbite de 6 270 kilomètres très proche de celle de Phobos (à quelques centaines de kilomètres près) avec une période orbitale de 7,66 heures. A l'issue de cette manœuvre le module propulsif ADU est largué. Le 21 février la sonde spatiale survole pour la première fois Phobos à faible distance (entre 560 et 1 130 kilomètres) et réalise des photos. Ces survols se répètent dans les jours suivants et début mars. L'objectif principal est de disposer d'éphémérides de la lune plus précises en vue des futures manœuvres d'atterrissage. A l'issue de cette phase la position de la lune peut être calculée à quelques kilomètres près. Par ailleurs le 27 février, des images de Deimos, de Jupiter et d'étoiles sont prises pour étalonner le système de pointage de la caméra et préciser l'orbite de Phobos 2. Finalement après plusieurs petites manœuvres effectuées les 7, 15 et 21 mars, la sonde spatiale parvient à se placer sur une orbite quasi stationnaire par rapport à Phobos en se maintenant à une distance comprise entre 200 et 600 kilomètres de la lune tout en ayant le Soleil dans la direction opposée^[21].

Le 27 mars la sonde spatiale effectue une manœuvre pour réaliser une série de photos dans le but de préparer le survol de Phobos à vitesse réduite des 9 et 10 avril au cours duquel les deux petits atterrisseurs doivent être largués. Pour réaliser ces images, la sonde spatiale doit modifier sont orientation ce qui coupe la liaison avec la Terre (l'antenne parabolique ne peut plus être pointée vers la Terre). Quatre heures après cette manœuvre un faible signal radio est reçu durant 13 minutes puis la liaison est interrompue. En analysant le signal, les opérateurs comprennent que la sonde spatiale s'est mise en rotation autour d'un axe anormal et que les batteries vont progressivement se vider à moins que les panneaux solaires ne soient orientés face au Soleil ce qui ne sera pas le cas. La mission est perdue avant que l'objectif principal ne soit rempli. Les ingénieurs de Lavotchkine attribuent initialement la perte de Phobos 2 à l'impact d'un débris circulant sur l'orbite de Phobos mais toutes les simulations, aussi bien côté soviétiques (IKI) que américaines (JPL), démontrent que la probabilité d'un tel événement est quasi nulle. L'origine de l'incident est presque certainement la perte du deuxième ordinateur du système de contrôle d'attitude qui rencontrait déjà des problèmes de fonctionnement avant cet événement. Une circonstance aggravante a pu être le fait que, contrairement à qui existait sur des sondes plus anciennes, le constructeur soviétique n'a pas installé de programme arrêtant les fonctions non vitales lorsque l'énergie restant dans les batteries descend sous un certain seuil ; un tel système aurait peut-être donné le temps à la sonde spatiale de réorienter ses panneaux solaires. Par la suite, dans une démarche de transparence propre à cette période de perestroïka, certains membres de l'IKI mirent en cause la mauvaise planification et les impasses découlant du délai très court (trois ans) entre le feu vert donné au programme Phobos et le lancement des sondes spatiales^[22],[23]. En 1989, l'orbite décrite par Phobos 2 était celle d'un quasi-satellite par rapport à Phobos^[24].

Résultats scientifiques

Timbre-poste soviétique (1989).

Bien que l'objectif principal de la mission (étude in situ de Phobos) n'ait pas été rempli, le programme Phobos a permis d'obtenir des résultats scientifiques significatifs. Dès l'arrivée de Phobos 2 sur Mars, les instruments mettent en évidence la présence d'un champ magnétique faible (10 000 fois moins intense que celui de la Terre) à 1 000 kilomètres de la surface de la planète. L'échappement de l'atmosphère martienne dans l'espace, découlant sans doute de cette faiblesse du champ magnétique, est évalué à l'aide des instruments entre 2 et 5 kilogrammes par seconde (une valeur négligeable pour la Terre mais importante pour Mars compte tenu de la faible densité de son atmosphère). La quantité de vapeur d'eau présente entre 20 et 60 km est évaluée à 1/10 000^e de celle de la Terre. Des indices de présence d'eau en petite quantité sont découverts en surface près des anciens volcans et dans la région de Valles Marineris. La présence d'ozone, déjà détectée par la mission Mars 5, est confirmée. L'instrument TERMOSCAN permet la première cartographie thermique de la surface de Mars. Le relevé effectué au niveau de l'équateur sur un secteur long de 1 500 km avec une résolution spatiale de deux kilomètres indique des températures comprises entre -93 et +7 °C. Quatre images panoramiques de la surface de Mars sont prises. Elles permettent d'estimer la hauteur de certains volcans^[25].

Deux instruments ont fourni des informations sur la composition du sol de Mars. Le spectromètre infrarouge développé par la France suggère qu'il existe des dépôts d'origine sédimentaire. Le spectromètre à rayons gamma a mesuré la composition suivante du sol martien : oxygène : 48 %, magnésium 6 %, aluminium 5 %, silicium 19 %, calcium 6 %, fer 9 %, titane 1 %, potassium 0,3 %, uranium et thorium à l'état de traces. Ces résultats confirment les données recueillies par les missions précédentes Mars 5 et Viking. Les instruments de Phobos ont indiqué que la région observée est recouverte d'une couche de grains de poussière de petite taille transportés par le vent et que la composition de ceux-ci et du sol sous-jacent est identique. Les caméras ont pris 37 photos de Phobos couvrant 80 % de sa surface qui ont permis de découvrir six nouveaux cratères et onze cavités. Les mesures confirment que la lune est composée de chondrite carbonée ce qui est conforme à la théorie d'un astéroïde capturé par Mars. La densité faible, évaluée à 1,95 g/cm³, suggère soit qu'elle est soit constituée d'un matériau poreux soit que se trouve sous la surface une quantité significative de matériaux légers (comme de la glace d'eau) soit que ces deux caractéristiques sont présentes. L'absence de matériau hydraté détecté par le spectromètre infrarouge fait pencher la balance vers la première hypothèse. Le détecteur SLED confirme la présence permanente de radiations à la surface de Mars mais son intensité est non létale pour d'éventuels astronautes. Les instruments de Phobos 1 et 2 ont enregistré une centaine d'émissions de rayons X et gamma dont l'une, le 24 octobre 1988, était la plus intense jamais mesurée^[25].

Fin d'une épopée scientifique portée par la guerre froide

Conséquences immédiates de l'échec du programme Phobos

L'échec de Phobos 2 est un des sujets abordés durant la campagne pour les élections du parlement soviétique d'avril 1989^{[Note 2]}. Pour répondre aux critiques le gouvernement soviétique décide en avril 1990 de réduire le budget annuel consacré à l'espace qui passe de 300 à 220 millions de roubles. Au sein de l'IKI de longs débats ont lieu pour déterminer s'il fallait lancer en mars 1992 une mission Phobos 3, utilisant l'exemplaire de rechange déjà construit, ou s'il était préférable de concentrer les efforts autour d'une mission à destination de Mars. Finalement l'exemplaire de rechange fut vendu dans le cadre d'une vente aux enchères organisée à l'ouest pour récupérer des devises^[26].

Mission Mars 96

Avant même le lancement des sondes spatiales Phobos, des discussions avaient lieu au sein de l'IKI sur la suite à donner au programme d'exploration du système solaire. Un projet Colombus, destiné à être lancé en 1992 pour le 500ème anniversaire de la découverte de l'Amérique par Christophe Colomb (1492), est proposé. Des ballons, des atterrisseurs et des astromobiles devaient explorer la surface de Mars durant un an. Le projet est approuvé par le gouvernement soviétique en fin 1989 ce qui repousse sa date de lancement en 1994. En conséquence le projet est renommé Mars 94. Il était prévu qu'il soit suivi en 1996 par une mission comprenant un orbiteur et un astromobile et une mission de retour d'échantillons de sol martien en 1998-2001. Mais le programme spatial soviétique puis russe^{[Note 3]} subit de plein fouet les conséquences de la crise économique. La suite de missions martiennes est remplacée par une unique mission programmée en 1996, Mars 96, comportant un orbiteur, deux petits atterrisseurs et deux pénétrateurs et équipée de nombreux instruments fournis par les pays européens. Mais le lancement de la mission le 16 novembre 1996 est un échec du fait d'une défaillance du lanceur Proton^[27].

Phobos-Grunt

Maquette de l’atterrisseur Phobos-Grunt.

Phobos-Grunt (en russe : Фобос-Грунт, c'est-à-dire « Sol de Phobos ») est une mission spatiale russe destinée à l'étude de Phobos, un des deux satellites naturels de la planète Mars. Elle a été lancée sans encombre le 8 novembre 2011 mais n'a pu rejoindre son orbite de transit vers Mars. Après plusieurs semaines sans contrôle en orbite basse, elle est donc retombée sur Terre le 15 janvier 2012 dans l'océan Pacifique à 1 250 km à l'ouest de l'île Wellington, au large du Chili.