Tianwen-1

sonde spatiale martienne chinoise
Description de cette image, également commentée ci-après
Maquette du rover exposée au 69e Congrès international d'astronautique 2018 à Brême.
Données générales
Organisation Drapeau : Chine (République populaire de) CNSA
Constructeur Drapeau : Chine (République populaire de) CASC
Domaine Exploration de Mars
Type de mission Orbiteur et Rover
Statut En orbite autour de Mars
Base de lancement Wenchang
Lanceur Longue Marche 5
Durée de vie 3 mois (rover)
24 mois (orbiteur)
Principaux jalons
Lancement
Insertion en orbite martienne
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 4 920 kg dont
3 175 kg (orbiteur)
1 285 kg (atterrisseur)
240 kg (rover)
Masse instruments 97 kg (orbiteur)
27,64 kg (rover)
Propulsion Ergols liquides
Contrôle d'attitude Stabilisé 3 axes (orbiteur)
Source d'énergie Panneaux solaires
Orbite
Orbite Polaire
Atterrissage mai/
Localisation Utopia Planitia
Principaux instruments
MoRIC Caméra moyenne définition
HiRIC Caméra haute définition
MOSIR Radar à pénétration de sol
MMS Spectromètre infrarouge
MOMAG Magnétomètre
MINPA Détecteur de particules (neutres et ions)
MEPA Détecteur de particules (haute énergie)
NaTeCam Caméra stéréoscopique (rover)
MSCam Caméra multispectrale (rover)
RoSPR Radar à pénétration de sol (rover)
MarsCoDe Spectromètre imageur laser (LIBS) (rover)
RoMAG Magnétomètre (rover)
MCS Station météorologique (rover)

Tianwen-1 (chinois : 天问一号 ; pinyin : tiānwèn yīhào ; litt. « question au ciel 1 ») est une sonde spatiale martienne de l'Administration spatiale nationale chinoise (CNSA), développée et construite par la Société de sciences et technologies aérospatiales de Chine (CASC), le principal industriel chinois du secteur spatial. La sonde consiste en un orbiteur, un atterrisseur et un astromobile (rover) qui doit explorer la surface de la planète. Après l'échec en 2011 de la mission russe Phobos-Grunt qui emportait le petit satellite chinois Yinghuo 1, il est finalement décidé de conduire la prochaine mission chinoise de façon indépendante. Les succès du programme d'exploration lunaire Chang'e, en particulier la réussite de la mise en œuvre du système d'atterrissage de Chang'e 3 et 4, permettent à la Chine d'entreprendre une mission ambitieuse. Le projet, qui constitue la première sonde interplanétaire de la Chine, est approuvé en 2016.

L'engin spatial, d'une masse totale de près de cinq tonnes, est l'une des sondes les plus lourdes lancées vers Mars et emporte un total de treize instruments scientifiques. L'orbiteur qui doit recueillir des données sur Mars durant au moins 2 ans est chargé des manœuvres orbitales. Il est équipé de deux caméras de moyenne (MoRIC) et haute résolution (HiRIC), d'un radar à pénétration de sol (MOSIR), d'un spectromètre infrarouge (MMS), d'un magnétomètre (MOMAG) ainsi que de deux détecteurs de particules (MINPA et MEPA). L'astromobile de 240 kg doit circuler à la surface de Mars durant au moins 3 mois. Son équipement comprend une caméra stéréoscopique de navigation (NaTeCam), une caméra multispectrale (MSCam), un radar à pénétration de sol (RoSPR), un magnétomètre (RoMAG), un spectromètre imageur (MarsCoDe) et une station météorologique (MCS). Les objectifs scientifiques de la mission portent sur la géologie de Mars, la présence actuelle et passée d'eau, la structure interne de la planète, l'identification des minéraux et des différents types de roches à la surface, ainsi que la caractérisation de l'environnement spatial et de l'atmosphère de Mars.

La mission décolle avec succès le depuis le centre spatial de Wenchang situé sur l'île d'Hainan à bord du cinquième exemplaire du lanceur lourd Longue Marche 5. Après sept mois de transit elle s'insère en orbite autour de Mars le . Durant deux mois la sonde spatiale devrait étudier le site visé depuis une orbite de reconnaissance, puis en mai ou l'atterrissage débuterait avec le largage de la capsule. Elle effectuerait une rentrée atmosphérique suivie d'une phase de descente sous parachute, après quoi l'atterrisseur utiliserait sa propulsion pour annuler la vitesse résiduelle et se poser en douceur sur Mars. Il déploierait alors le rover conçu pour explorer la surface durant 90 jours martiens. L'orbiteur servirait de relais de télécommunications pendant la mission primaire du rover, puis se placerait sur une orbite plus propice aux observations tout en conservant son rôle de relais.

ContexteModifier

Genèse du projetModifier

Dès la fin des années 1990, les missions robotiques interplanétaires donnent lieu en Chine à de nombreuses publications dans le milieu universitaire. Un expert du Centre pour la Science Spatiale et la Physique Appliquée (aujourd'hui le Centre national des sciences spatiales) de l'Académie chinoise des sciences indique au cours de l'été 2003 que Mars fait partie des destinations étudiées par le Projet 863 (en) consacré aux projets d'exploration du Système solaire. Pour définir les objectifs et l'architecture technique d'une mission chinoise martienne, une première phase de cette étude est consacrée à une revue des missions déjà lancées par d'autres pays vers cette planète. La priorité est toutefois donnée au programme d'exploration lunaire, destination moins complexe à atteindre, et qui doit permettre à la Chine de maîtriser les technologies qui seront mises en œuvre par les missions martiennes[1].

L'échec de Phobos-Grunt et Yinghuo 1Modifier

 
Maquette de Phobos-Grunt présentée au Salon du Bourget en 2011. Le satellite chinois Yinghuo-1 est au centre.

Profitant d'une embellie économique intervenant au milieu de la décennie 2000, l'Agence spatiale russe décide de réactiver son programme d'exploration du Système solaire qui n'a plus connu de succès depuis plus de 20 ans. En 2005, elle lance le développement d'une mission ambitieuse, baptisée Phobos-Grunt, qui doit ramener des échantillons du sol de Phobos, l'une des deux lunes de Mars. Pour faciliter le financement du projet et donner de meilleures chances à son projet d'aboutir, la Russie décide de s'associer à la Chine en embarquant dans sa sonde spatiale un orbiteur martien chinois de petite taille qui doit être largué après l'insertion en orbite autour de Mars. La Russie donne ainsi l'opportunité à la Chine de lancer une mission vers Mars sans avoir à développer une sonde spatiale complète. L'accord entre les deux pays est signé le . Comme pour la sonde Chang'e 1, le petit orbiteur, baptisé Yinghuo-1, réutilise la plateforme développée pour un satellite opérationnel : il s'agit du bus mis au point pour le satellite d'observation des océans Haiyang. Le petit orbiteur de 115 kg doit étudier la magnétosphère de Mars, son champ gravitationnel, l'interaction entre le vent solaire et l'atmosphère de la planète et identifier par quels processus Mars a perdu l'eau présente à sa surface. Une fois la sonde russe Phobos-Grunt insérée sur son orbite martienne, le satellite chinois doit être largué puis mener des observations conjointes. Le développement de Yinghuo-1 se déroule sans problème et l'engin spatial est livré dans les temps à Lavotchkine, constructeur de Phobos-Grunt implanté à Moscou. Le lancement doit avoir lieu en , mais il est finalement repoussé, car le constructeur russe rencontre de nombreux problèmes de mise au point des logiciels pilotant la sonde spatiale. Le lancement par une fusée Zenit a finalement lieu le en profitant de l'ouverture de la fenêtre de lancement suivante vers Mars. Comme prévu, la sonde est placée de manière provisoire sur une orbite de parking autour de la Terre. Mais la manœuvre suivante consistant à l'injecter sur une orbite de transfert vers Mars n'est pas déclenchée, sans doute à la suite de la défaillance d'un équipement de Phobos-Grunt. L'engin spatial finit par effectuer une rentrée atmosphérique et s'écrase dans l'Océan Pacifique en [2].

Premières étudesModifier

Après cet échec, la Chine décide de développer de manière autonome sa prochaine mission martienne. Comme pour son programme d'exploration de la Lune Chang'e, les chinois envisagent de développer des engins spatiaux de difficulté croissante : après avoir placé un engin spatial en orbite autour de Mars, l'étape suivante doit consister à poser un atterrisseur à la surface de Mars qui doit y délivrer un astromobile. Enfin, la mission la plus complexe doit ramener des échantillons de sol martien sur Terre. Des fonds sont affectés au Projet 863 pour étudier la trajectoire, la navigation, les capteurs, les antennes et les communications longue distance imposées par une mission vers Mars. L'Institut de Mécanique Spatiale et d'Électronique de Pékin conduit des recherches dans le domaine de l'atterrissage. Pour la phase finale de l'atterrissage, il teste un système, reposant sur des airbags, analogue à celui mis en œuvre par les missions américaines MER. La technique de l'atterrissage propulsé assisté par des radars, plus précise, mais plus complexe, lui est finalement préférée. De nombreuses architectures de mission sont étudiées : certaines comportent des pénétrateurs, un ballon atmosphérique, un petit aéronef ou proposent comme destination Déimos, l'une des deux lunes de Mars.

Finalement, le scénario d'une première mission est finalisé et une demande de financement est soumise au gouvernement chinois. La sonde spatiale martienne doit être lancée en 2016 par une fusée Longue Marche 3B. D'une masse de 2 000 kg, l'engin spatial utilise une plateforme de satellite de télécommunications de type DFH comme l'avaient fait auparavant les sondes spatiales lunaires Chang'e 1 et Chang'e 2. La sonde doit emporter six instruments scientifiques : une caméra, un radar à pénétration de sol, un spectromètre infrarouge, un spectromètre gamma, un détecteur de particules de haute énergie et un autre de particules de vent solaire. Après s'être insérée en orbite martienne, elle doit progressivement réduire son altitude en ayant recours à la technique du freinage atmosphérique afin de se placer sur une orbite polaire elliptique caractérisée par un périastre de 300 km. Les objectifs scientifiques de la missions sont l'étude de l'environnement de Mars et l'analyse de la composition de sa surface. La sonde doit également emporter un petit atterrisseur d'une masse de 50 kg, destiné à valider les techniques d'atterrissage et utilisant successivement durant sa descente vers le sol martien un bouclier thermique, un parachute et des rétrofusées. Trois sites d'atterrissage sont proposés sur les franges du pôle sud martien. Une fois posé, le démonstrateur doit transmettre des données durant 3 à 5 jours en utilisant un émetteur fonctionnant en bande UHF. Ce projet de mission martienne est finalement abandonné, faute de financement[3].

Conception et construction de la sonde spatialeModifier

Démarrage du projetModifier

L'atterrissage réussi sur la Lune de la sonde spatiale Chang'e 3 le permet aux responsables chinois d'envisager une mission plus ambitieuse que ce qui était prévu initialement. Il est finalement décidé de combiner les deux premières phases du programme martien, l'orbiteur et l'atterrisseur sur Mars, en une seule mission. Lors de la 22e conférence de l'International Planetarium Society (en) à Pékin le , le scientifique chinois Ouyang Ziyuan (en) annonce qu'une sonde martienne comportant un orbiteur, un atterrisseur et un rover est en développement, suivie d'une mission de retour d'échantillons d'ici 2030. Une maquette de l'astromobile est présentée lors du Zhuhai Airshow en , mais des officiels annoncent que la mission n'est pour le moment pas approuvée. Les études de faisabilité sont cependant complétées le mois suivant, et l'architecture de la mission est fixée. La sonde spatiale doit être lancée par une fusée Longue Marche 5, la seule assez puissante pour envoyer vers Mars un engin de cette masse. Une maquette est exposée lors de la foire industrielle de Shanghai en par l'Académie chinoise de technologie spatiale (CAST), puis la mission est finalement approuvée par le gouvernement en . Le projet est supervisé par l'Administration d'État pour la Science, la Technologie et l'Industrie de la Défense nationale (SASTIND) via l'Administration spatiale nationale chinoise (CNSA). Le contractant principal de la mission est la Société de sciences et technologies aérospatiales de Chine (CASC) via ses trois filiales dédiées à la recherche et au développement des engins spatiaux. L'Académie chinoise de technologie spatiale (CAST) est chargée de concevoir l'atterrisseur et l'astromobile, l'Académie de Shanghai pour la technologie des vols spatiaux (SAST) doit fournir l'orbiteur ainsi que quelques sous-systèmes, et enfin l'Académie chinoise de technologie des lanceurs (CALT) fournit la fusée Longue Marche 5 qui doit lancer la mission. Les caractéristiques des 13 instruments scientifiques embarqués à bord de la sonde spatiale sont annoncées le . Le décollage de la mission initialement prévu en 2018 est rapidement reporté à [4],[5].

Développement de la sondeModifier

Il est décidé que l'atterrisseur utilisera la méthode classique d'atterrissage sur Mars reposant sur une capsule et un bouclier thermique, puis un parachute et enfin un propulseur à poussée variable pour ralentir la descente jusqu'au sol. La surface martienne pouvant être accidentée et comporter de nombreux rochers qui mettraient en danger la mission, le système d'atterrissage développé pour les sondes lunaires Chang'e 3 et Chang'e 4 est largement réutilisé. Un radar et une caméra sur l'atterrisseur comparent durant la descente les images prises du sol avec une base de données internes pour sélectionner le lieu le plus sûr. Le délai des télécommunications entre Mars et la Terre pouvant atteindre 22 minutes, un système de navigation autonome est développé pour le rover. En 2015 une trentaine de tests du parachute supersonique sont conduits, puis les premiers essais de la phase de vol stationnaire et d'évitement des obstacles de l'atterrissage sont menés en à Huailai par l'Institut de Mécanique Spatiale et d'Électronique de Pékin, à l'aide d'un exemplaire de test de l'atterrisseur suspendu à un portique pour simuler la gravité martienne. En , l'Académie de technologie aérospatiale de la propulsion liquide complète les tests du moteur de l'atterrisseur, puis le directeur du Centre national des sciences spatiales (NSSC), Wang Chi (en), annonce que la sonde est en train d'être intégrée. En s'achève avec succès une série de quatre lancements de fusées-sondes Tianying 6 depuis le centre de lancement de Korla au Xinjiang afin de tester le déploiement du parachute supersonique à une altitude comprise entre 44 et 55 km pour simuler la fine atmosphère martienne[6]. Le a lieu à Hengshui un test du radar à pénétration de sol de la mission à l'aide d'un ballon atmosphérique qui l'emporte à quelques centaines de mètres du sol[7]. Un dernier test de la phase finale de la descente a lieu le à Hualai devant un parterre d'envoyés et d'ambassadeurs de 19 pays étrangers, dont la France, l'Italie, le Brésil ou encore l'Union Européenne et l'Union Africaine. Le directeur de l'Administration spatiale nationale chinoise, Zhang Kejian (en), annonce alors que la mission décollera à l'été 2020, comme prévu[8],[9],[10].

Objectifs de la missionModifier

Il s'agit de la première mission interplanétaire de la Chine, ainsi que de sa première sonde indépendante à destination de Mars. Le but est donc tout d'abord de valider les technologies de communications et de contrôle dans l'espace profond, la mise en orbite autour de la planète et l'atterrissage à sa surface. L'orbiteur doit également permettre de repérer un site pour un futur retour d'échantillons martiens.

D'un point de vue scientifique, la mission doit répondre à 5 objectifs :

  • Étudier la morphologie et la structure géologique de Mars, ainsi que son évolution et ses causes (voir Géologie de Mars). Pour ce faire, la sonde analysera la topographie de la planète avec des données précises de régions caractéristiques telles que le lit asséché de rivières, le reliefs des volcans, l'érosion du vent, les glaciers aux pôles, etc. Les deux caméras présentes sur l'orbiteur sont dédiées à cet objectif.
  • Étudier les caractéristiques de la surface et des couches souterraines du sol martien, ainsi que la distribution de la glace d'eau. C'est le rôle des radars présents sur l'orbiteur et l'astromobile.
  • Étudier la composition et le type des roches ainsi que les minéraux et les éléments présents à la surface de Mars. Analyser les minéraux carbonatés ou météorisés présents dans les anciens lacs, rivières et autres paysages issus de la présence passée d'eau sur la planète, tels que les hématites, les silicates lamellaires, les hydrates de sulfates ou encore les minéraux de perchlorate afin d'établir le lien avec le passé aqueux de Mars. Les spectromètres à bord de l'orbiteur et du rover ainsi que la caméra multispectrale sont dédiés à cet objectif.
  • Étudier l'ionosphère, le climat, les saisons et plus globalement l'atmosphère de Mars, aussi bien dans son environnement spatial proche qu'à sa surface. C'est le rôle des deux détecteurs de particules présents sur l'orbiteur ainsi que de la station météorologique du rover.
  • Étudier la structure interne de Mars, son champ magnétique, l'histoire de son évolution géologique, la distribution interne de sa masse et son champ gravitationnel. Les magnétomètres ainsi que les radars présents sur l'orbiteur et le rover sont dédiés à cet objectif[11].

Site d'atterrissageModifier

Critères de sélectionModifier

Le site d'atterrissage de la sonde spatiale chinoise est sélectionné sur la base de critères particulièrement contraignants pour réduire les risques d'échec :

  • Une latitude assez proche de l'équateur pour faciliter les télécommunications et accroître l'ensoleillement ; cela permet de disposer de plus d'énergie (produite par les panneaux solaires) et de faciliter le contrôle thermique du rover (utilisation réduite des résistances chauffantes).
  • Une altitude du site peu élevée ; ce qui laisse plus de temps au parachute et à l'atterrisseur pour décélérer l'engin spatial.
  • Un sol faiblement incliné pour ne pas perturber les mesures du radar chargé de mesurer l'altitude pendant la descente et pour garantir la stabilité de l'atterrisseur, une fois celui-ci posé.
  • Un site comportant une quantité de poussière réduite pour ne pas gêner les déplacements du rover et rendre plus facile son contrôle thermique et sa production d'énergie (la poussière masque les panneaux solaires).
  • Une densité de rochers peu élevée pour limiter le risque d'un échec de l'atterrissage et faciliter les déplacements du rover.
  • Une vitesse locale du vent réduite pour faciliter la descente sous parachute et le contrôle thermique du rover.
  • Un site visible depuis la Terre au moment de l'atterrissage, afin que le rover puisse communiquer directement avec le contrôle au sol durant cette phase[12].

Choix du site d'atterrissageModifier

Les deux régions de Mars envisagées pour l'atterrissage du rover sont annoncées en au cours d'une séance du Comité des Nations unies pour l'utilisation pacifique de l'espace extra-atmosphérique. Les deux sites, caractérisés par une altitude faible, une absence de reliefs et d'obstacles et une latitude comprise entre 5° et 30° sont :

Le site d'Utopia Planitia est finalement retenu[13].

 
Carte topologique de Mars où sont indiqués les atterrissages ayant réussi (en vert), ayant échoué (en rouge), ceux où l'atterrissage a réussi, mais la sonde a été perdue (en orange), et ceux à venir (en rose). En noir, sont encadrés les deux sites étudiés pour l'atterrissage de Tianwen-1. En blanc, est encadré le site final retenu.

Caractéristiques techniquesModifier

La sonde spatiale Tianwen-1 comprend quatre sous-ensembles : l'orbiteur, le véhicule de rentrée, l'atterrisseur et le rover. Durant le transit entre la Terre et Mars, puis durant la phase de reconnaissance, l'orbiteur fournit la propulsion, l'énergie et les télécommunications à l'ensemble de la sonde. L'orbiteur et le rover disposent de panneaux solaires afin de recharger leurs batteries et ce sont eux qui sont chargés de l'étude scientifique de Mars. Le véhicule de rentrée et l'atterrisseur ont pour rôle de déposer en douceur le rover à la surface.

 
Schéma de la sonde Tianwen-1 avant le largage de la capsule.

OrbiteurModifier

Caractéristiques généralesModifier

L'orbiteur d'une masse de 3 175 kg au décollage a la forme d'un prisme hexagonal. Il possède 2 ailes symétriques comportant chacune 3 panneaux solaires fournissant l'énergie, ainsi qu'un moteur principal, pour les manœuvres orbitales d'importance, d'une poussée de 3 000 N[14],[12]. Il dispose également d'un total de 20 propulseurs dont 8 de 120 newtons et 12 de 25 newtons de poussée pour le contrôle d'attitude et les petites corrections de trajectoire[15]. L'orbiteur est équipé de caméras de navigation capables de repérer automatiquement Mars à une distance de 10 millions de kilomètres. À l'aide du diamètre apparent et de la position de la planète, il calcule ensuite la vitesse et la position relative de la sonde par rapport à Mars[16].

TélécommunicationsModifier

L'orbiteur possède 3 types d'antennes pour les télécommunications dont une antenne parabolique émettrice-réceptrice grand gain orientable de 2,5 mètres de diamètre et d'une masse de 80 kilogrammes, une antenne émettrice à gain moyen, ainsi que plusieurs antennes omnidirectionnelles de faible gain[17]. En fonctionnement normal, les données portant le contrôle de l'orbiteur vers la Terre sont transmises avec un débit de 2 kbit/s et les commandes sont reçues avec un débit de 16,384 kbit/s. En mode survie, lorsque l'engin spatial ne parvient plus à pointer ses antennes directionnelles vers la Terre, les communications passent par les antennes omnidirectionnelles et le débit chute à 7,812 5 bit/s vers la Terre et à 32 bit/s dans le sens inverse. Le transfert des données scientifiques vers la Terre se fait avec un débit compris entre 16 kbit/s et 4,096 Mbit/s[18].

Véhicule de rentréeModifier

Pour protéger l'atterrisseur et l'astromobile durant la phase de rentrée dans l'atmosphère de Mars, ils sont encapsulés dans un véhicule de rentrée, comparable à une capsule. Celui-ci est composé d'un bouclier thermique avant, conçu pour résister à la forte chaleur que subit cette partie de la sonde, d'un bouclier arrière et d'un module contenant le parachute. Le véhicule de rentrée a la forme d'une sphère-cône de demi-angle de 70°, angle hérité de l'expérience des sondes de la NASA qui l'ont précédé, et ne dispose pas de propulseurs propres. La rentrée est donc balistique. La capsule a un diamètre de 3,400 m pour une hauteur de 2,607 m, tandis que le parachute a un diamètre de 15,96 m une fois déployé[14],[12].

Le bouclier thermique de la capsule de rentrée est fait dans un matériau ablatif (c'est-à-dire qu'il se désagrège durant la rentrée pour évacuer la chaleur) très léger renforcé d'une structure en nid d'abeille. Sa conception est héritée du bouclier thermique des capsules Shenzhou et lunaires telles que celui testé par Chang'e 5 T1. L'épaisseur du bouclier est étudiée pour se concentrer sur les régions les plus sensibles en fonction de la charge aérodynamique afin de diminuer sa masse au maximum. D'autres parties de la capsule, notamment la trappe d'accès et les anneaux d'étanchéité, utilisent un matériau plus lourd en raison de la charge subie. La partie arrière de la capsule subissant relativement peu d'échauffement durant la rentrée est faite dans un matériau très léger et ablatif, ce qui joue un rôle important dans la réduction de la masse de la sonde. Les trois différents matériaux de la capsule de rentrée sont étudiés pour résister aux importantes variations de température durant le transit vers Mars qui pourrait les endommager[19].

AtterrisseurModifier

L'atterrisseur d'une masse de 1 285 kg au lancement est l'élément chargé de la dernière phase de la descente : il doit déposer en douceur l'astromobile sur le sol martien. Il est fourni en énergie par une batterie lithium-fluorocarbone, la première utilisation de cette technologie dans une sonde spatiale ; cela permet d'assurer la stabilité de l'apport en énergie et d'alléger ce dernier de 5 kg[20]. Après s'être séparé du véhicule de rentrée, il met à feu son moteur principal YF-36 de 7 500 newtons à poussée variable, hérité des sondes spatiales Chang'e 3 et 4, pour ralentir et contrôler la descente[21]. Lorsque l'atterrisseur est en vol stationnaire, il analyse le sol à l'aide d'un capteur laser et d'une caméra, et compare les relevés avec une base de données pour choisir un site dégagé. Il dispose durant cette phase de 26 propulseurs dont 20 de 250 newtons et 6 de 25 newtons de poussée pour se déplacer horizontalement[15]. Au moment du contact avec le sol, la vitesse résiduelle est amortie à l'aide de quatre pieds. L'atterrisseur comporte une antenne omnidirectionnelle et deux rails qui sont déployés pour permettre au rover de rouler jusqu'au sol ainsi que quelques équipements scientifiques[14],[12].

Astromobile (rover)Modifier

Caractéristiques généralesModifier

L'astromobile de la mission Tianwen-1 reprend l'architecture des rovers lunaires jumeaux Yutu et Yutu 2 et bénéficie ainsi d'un bon retour d'expérience. Il a une masse de 240 kg, mesure 200*165*80 cm en position repliée, et 260*300*185 cm en position déployée (L*l*h). Un mât soutient les deux caméras de navigation ainsi que la caméra multispectrale. Pour se déplacer, le rover dispose de 6 roues redondantes de 30 cm de diamètre disposées sur un système de suspension actif. Elles ont chacune un moteur individuel[22]. De plus, elles comportent toutes un moteur supplémentaire agissant sur la direction, ce qui permet au rover de tourner sur lui-même et de se déplacer latéralement ("en crabe")[21]. En raison du délai des télécommunications avec la Terre, qui peut atteindre 22 minutes, le rover utilise un système de navigation autonome. Il a une vitesse maximale de 200 mètres/heure et une vitesse de navigation de 40 m/h. Il peut franchir des obstacles de 30 cm de haut et gravir des pentes de 30° d'inclinaison[18].

Énergie et contrôle thermiqueModifier

Son énergie lui vient de 4 panneaux solaires à haut rendement qui se déploient peu après l'atterrissage, deux d'entre eux pouvant s'incliner pour maximiser la production d'énergie[18]. Il réalise ses opérations uniquement l'après-midi, car la température de la surface de Mars est alors à son point le plus élevé de la journée, ce qui est optimal pour le fonctionnement des instruments scientifiques et une consommation minimale d'énergie. Sur la face supérieure du rover, on trouve deux larges fenêtres circulaires exposant au soleil de l'undécane. Son point de fusion se situant à environ −25 °C, il se liquéfie durant la journée pour accumuler de l'énergie. Il se solidifie ensuite durant la nuit, relâchant la chaleur accumulée afin de contribuer au contrôle thermique du rover[23]. S'il détecte que l'apport en énergie est faible, par exemple en cas de tempête de poussière, il se place automatiquement en mode survie, attendant que la température et l'ensoleillement s'améliore pour reprendre ses opérations normales[24]. Il est conçu pour une durée de vie de 90 jours martiens[14].

TélécommunicationsModifier

Pour les communications avec la Terre, le rover utilise une antenne parabolique grand gain orientable de 36 cm de diamètre[22]. Il est capable de communiquer directement vers la Terre à un débit de 16 bit/s, essentiellement pour envoyer des informations sur son statut. L'essentiel des télécommunications se font entre le rover et l'orbiteur, qui sert alors de relai. Chaque jour, 30 mégabits en moyenne sont transmis pendant une fenêtre de 8 à 10 minutes en bande UHF. Le rover peut également communiquer en bande X, mais en raison de restrictions liées à la puissance électrique disponible, le téléchargement des données ne se fait qu'une fois tous les 3 jours lorsque l'orbiteur est à l'apoapside de son orbite. Le débit est alors de 32 kbit/s pour un total de 50 mégabits en moyenne[18].

Instruments scientifiquesModifier

La sonde emporte au total 13 instruments scientifiques, répartis entre l'orbiteur et le rover[25].

OrbiteurModifier

Synthèse des caractéristiques des instruments embarqués sur l'orbiteur[26]
Instrument Type d'instruments Objectifs Principales caractéristiques Masse Consommation électrique Volume de données produit
MoRIC Caméra Étudier la topographie et la structure géologique de la surface martienne 4 096 × 3 072 pixels ; résolution spatiale supérieure à 100 mètres à 400 kilomètres d'altitude 3,5 kg 20 watts 16 Mo/s
HiRIC Caméra haute définition Étudier des structures dynamiques et des objets géomorphologiques de la surface martienne Résolution spatiale supérieure à 2,5 mètres et jusqu'à 0,5 mètre en mode panchromatique ; supérieure à 10 mètres et jusqu'à 2 mètres en mode couleur 43 kg 127 watts 2 254 Mo/s
MOSIR Radar à pénétration de sol Étudier la structure géologique du sous-sol martien Jusqu'à 100 mètres de profondeur pour le sol et 1 000 mètres pour la glace ; résolution verticale de l'ordre du mètre 28 kg 67 watts Mo/s
MMS Spectromètre infrarouge Analyser la composition chimique de la surface martienne Résolution spectrale entre 12 et 20 nanomètres ; résolution spatiale : 2,8 kilomètres 7,2 kg 48 watts 3,8 Mo/s
MOMAG Magnétomètre Étudier les interactions entre l'ionosphère martienne, sa magnéto-gaine et le vent solaire Plage de mesure : ± 2 000 nanoTesla ; résolution supérieure à 0,01 nanoTesla 7,5 kg 3,8 watts 1,95 ko/s
MINPA Détecteur de particules Étudier les causes de la disparition de l'atmosphère martienne Ions entre 5 eV et 25 KeV ; particules neutres entre 50 eV et 3 KeV 4,7 kg 11 watts 18 ko/s
MEPA Détecteur de particules Étudier les particules dans l'environnement interplanétaire et martien Électrons entre 0,1 et 12 MeV ; protons entre 2 et 100 MeV ; ions et particules ɑ entre 25 et 300 MeV 3,1 kg 8,4 watts 1,3 ko/s

L'orbiteur emporte en tout 7 instruments scientifiques, dont 4 sont des instruments de télédétection dédiés à l'observation de Mars. Ces instruments sont :

  • MoRIC (Moderate Resolution Imaging Camera) est une caméra moyenne résolution chargée d'imager la surface de la planète de manière globale afin d'obtenir des informations sur les paysages et la topographie de Mars, ainsi que sa structure géologique. Elle sera utilisé durant l'orbite de transfert afin de photographier la Terre et la Lune, puis Mars durant son approche. Une fois en orbite autour de la planète, l'instrument est utilisé pour photographier en 3 dimensions les sites d'atterrissages visés, puis le site réel après que l'atterrisseur se soit posé, lorsque l'altitude de l'orbiteur est inférieure à 800 km et l'élévation du soleil supérieure à 5°. La caméra dispose de 4 modes de fonctionnement : standby, bilan de santé, prise d'image statique, et étalonnage (une fois par mois). Elle fonctionne dans le spectre visible et a une résolution de 100 mètres, avec une largeur de champ de 400 × 400 km et une définition de 4 096 × 3 072 pixels[11],[27].
  • HiRIC (High Resolution Imaging Camera) est une caméra haute résolution chargée d'obtenir des images précises de zones caractéristiques de la surface pour étudier la topographie et les paysages de Mars, et afin de repérer un site pour une future mission de retour d'échantillons martiens. Elle a notamment pour but d'observer des structures dynamiques telles que des dunes, des avalanches ou des glaciers et des objets géomorphologiques typiques tels que des cratères d'impact, des volcans, des canyons, des collines ou encore des falaises. Elle étudie également des structures formées par l'érosion du vent, ou encore des lits de rivière asséchée. L'instrument est utilisé pour photographier en 3 dimensions les sites d'atterrissages visés, puis le site réel après que l'atterrisseur se soit posé, lorsque l'altitude de l'orbiteur est inférieure à 800 km et l'élévation du soleil supérieure à 10°. La caméra dispose de 4 modes de fonctionnement : prise d'image, bilan de santé, contrôle thermique et mise au point. À une altitude de 265 km, elle a en mode panchromatique une résolution supérieure à 2,5 mètres, voir à 0,5 mètre s'il s'agit d'une zone d'importance. En mode couleur et à la même altitude, elle atteint une résolution supérieure à 10 mètres, voir à 2,0 mètres s'il s'agit d'une zone d'importance. Dans les deux cas sa largeur de champ est de 9 km. Ses caractéristiques en font une caméra de résolution comparable à l'instrument HiRISE embarqué à bord de la mission Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA, mais avec une largeur de champ supérieure (9 contre 6 km). L'instrument est construit par l'Institut d'optique, de mécanique fine et de physique de Changchun (en)[11],[28],[27].
  • MOSIR (Mars Orbiter Scientific Investigation Radar) est un radar chargé d'analyser la surface et le sous-sol de la planète afin d'en étudier la structure et la distribution de glace d'eau souterraine. Lors du voyage entre la Terre et Mars, il détecte le spectre radio très basse fréquence de l'environnement interplanétaire. L'instrument est sensible entre 10 et 20 MHz et entre 30 et 50 MHz, il est capable de sonder jusqu'à 100 mètres de profondeur avec une résolution de 1 mètre[11]. L'instrument est construit par l'Institut de Recherche sur l'Énergie Électrique de Chine (China Electric Power Research Institute ou CEPRI)[29].
  • MMS (Mars Mineralogical Spectrometer) est un spectromètre infrarouge chargé d'analyser les minéraux présent sur Mars et leur distribution. Il étudie la composition chimique globale de la planète et son évolution, ainsi que la distribution des ressources. Il est sensible dans le visible et le proche infrarouge entre 0,45 et 1,05 μm avec une résolution supérieure à 10 nm et dans l'infrarouge proche et intermédiaire entre 1,00 et 3,40 μm avec une résolution supérieure à 12 nm[11].

Les 3 instruments restants sont dédiés à l'étude des particules et à l'environnement in-situ de l'orbiteur. Ces instruments sont :

  • MOMAG (Mars Orbiter Magnetometer) est un magnétomètre chargé d'étudier l'environnement spatial magnétique de Mars. Coopérant avec le magnétomètre présent sur le rover de la mission, il analyse les courants dans l'ionosphère martienne et ses caractéristiques telles que sa conductivité. En détectant le champ magnétique de Mars et du vent solaire, il étudie les interactions entre l'ionosphère martienne, le vent solaire et la magnétogaine de la planète. L'Institut de Recherche Spatiale (en allemand : Institut für Weltraumforschung ou IWF) de l'Académie autrichienne des sciences (Österreichische Akademie der Wissenschaften) contribue à cet instrument, notamment en apportant son aide à son étalonnage. L'instrument a une plage de mesure de ± 2 000 nT, avec une résolution supérieure à 0,01 nT et une précision de 0,1 nT[11],[30].
  • MINPA (Mars Ion and Neutral Particle Analyzer) est un détecteur de particules qui étudie la fuite de l'atmosphère martienne, le mécanisme de l'interaction entre le vent solaire et l'atmosphère martienne ainsi que le mécanisme d'accélération des particules neutres près de l'arc de choc martien. L'instrument est capable de détecter les ions de faible énergie entre 5 eV et 25 KeV avec un angle de vue de 90° × 360° et une résolution angulaire de 11,2° × 22,5°, et est capable de détecter les particules neutres de faible énergie entre 50 eV et 3 KeV avec un angle de vue de 15° × 160° et une résolution angulaire de 10° × 25°[11].
  • MEPA (Mars Energetic Particles Analyzer) est un détecteur de particules chargé d'étudier les caractéristiques, le flux, la composition élémentaire et les variations du spectre énergétique des particules présentes dans l'environnement spatial proche de Mars et durant le transit entre la Terre et Mars, ainsi que de cartographier la distribution spatiale des radiations de particules énergétiques. En coopération avec Mars Magnetometer et Mars Ion and Neutral Particle Analyzer il étudiera l'interaction entre les particules énergétiques et l'atmosphère de la planète, l'influence des particules solaires énergétique (en), l'accélération des particules et le mécanisme d'échappement de l'atmosphère martienne. L'instrument est sensible aux électrons entre 0,1 et 12 MeV, aux protons entre 2 et 100 MeV, aux particules α et aux ions lourds entre 25 et 300 MeV. Il est capable de détecter les éléments chimiques de l'hydrogène au fer (1 ≤ Z ≤ 26)[11]. L'instrument est construit pas l'Institut 510 en coopération avec l'Institut de Physique Moderne (Institute of Modern Physics) de l'Académie chinoise des sciences[31].

Astromobile (rover)Modifier

Synthèse des caractéristiques des instruments embarqués sur le rover[26]
Instrument Type d'instruments Objectifs Principales caractéristiques Masse Consommation électrique Volume de données produit
NaTeCam Caméra stéréoscopique Étudier la topographie et la structure géologique de la surface martienne Deux caméras de résolution 2 048 × 2 048 pixels 0,7 kg 1,8 watt
MSCam Caméra multispectrale Étudier les roches martiennes et leur composition 2 048 × 2 048 pixels ; 9 spectres échelonnés de 480 à 1 000 nanomètres ; résolution spectrale entre 12 et 50 nanomètres 1,65 kg 8 watts 25 Mo/s
RoSPR Radar à pénétration de sol Étudier la structure géologique du sous-sol martien Canal 1 : jusqu'à 100 mètres de profondeur avec une résolution de l'ordre du mètre ; Canal 2 : jusqu'à 10 mètres de profondeur avec une résolution de l'ordre du centimètre 6,1 kg 26,5 watts Mo/s
MarSCoDe Spectromètre laser infrarouge Analyser la composition chimique de la surface martienne Spectromètre laser : plus de 10 éléments détectables et résolution spectrale entre 0,1 et 0,3 nanomètre ; spectromètre passif entre 850 et 2 400 nanomètres avec une résolution spectrale entre 3 et 12 nanomètres 16,4 kg 64 watts Mo/s
RoMAG Magnétomètre Détecter le champ magnétique martien et les courants de sa ionosphère Plage de mesure : ± 2 000 nanoTesla ; résolution supérieure à 0,01 nanoTesla 1,05 kg 5,5 watts Mo/s
MCS Station météorologique Étudier la température, le vent, la pression atmosphérique, et le son à la surface de Mars Température : entre −130 et +70 °C, résolution : 0,1 °C ; résolution vitesse du vent : ~0,3 m/s, et direction : 5° ; pression : entre 1 et 1 000 Pa, résolution : 0,1 Pa ; son : entre 20 Hz et 20 kHz 1,75 kg 11 watts Mo/s

L'astromobile emporte en tout six instruments scientifiques. Contrairement aux rovers américains tels MER, Curiosity ou Perseverance, il ne dispose pas d'un bras robotique permettant de positionner des instruments au contact des roches ou du sol.

  • NaTeCam (Navigation and Terrain Camera) est un ensemble de 2 caméras chargées de fournir des images sur la topographie de la surface de Mars afin de mesurer la pente et d'identifier les ondulations et les irrégularités du terrain. Elles sont utilisées pour réaliser des photos panoramiques à 360° dès que l'astromobile est devenu opérationnel et pour guider celui-ci durant ses déplacements. Les deux caméras fournissent des images en couleurs avec une résolution de 2 048 × 2 048 pixels[12],[27],[32].
  • MSCam (Multispectral Camera) est une caméra chargée de prendre des images en couleur permettant d'étudier l'environnement du rover et les matériaux au sol. L'instrument fonctionne dans le spectre visible et en proche infrarouge dans 9 bandes spectrales dont les longueurs d'ondes sont comprises entre 480 et 1 000 nm. La résolution est de 2 048 × 2 048 pixels[33].
  • RoSPR (Rover-mounted Subsurface Penetrating Radar) est un radar chargé d'analyser la surface et le sous-sol de la planète le long de la trajectoire du rover. Il doit déterminer l'épaisseur et la structure de la glace d'eau souterraine, et fournir des informations sur la géologie de Mars, en croisant ses données avec celles recueillies par l'instrument Mars Subsurface Exploration Radar embarqué à bord de l'orbiteur. Ce radar dispose de deux canaux, un basse fréquence et un haute fréquence. Le premier utilise une fréquence centrale de 55 MHz et une largeur de bande comprise entre 35 MHz et 75 MHz. Il est capable de détecter la glace d'eau jusqu'à une profondeur de 100 mètres et d'étudier la structure du sol jusqu'à une profondeur de 10 mètres, avec une résolution de 1 mètre. Le second canal utilise une fréquence centrale de 1,3 GHz et une largeur de bande comprise entre 0,8 GHz et 1,8 GHz. Il est capable d'étudier la glace d'eau jusqu'à 10 mètres de profondeur et le sol jusqu'à 3 mètres, avec une résolution de l'ordre du centimètre. L'instrument a une masse de 5,8 kg et consomme 20 W de puissance électrique[33],[34].
  • MarSCoDe (Mars Surface Composition Detection Package) est un instrument utilisant la technique d'analyse spectroscopique induite par ablation laser ou LIBS : un laser pulsé tire sur la roche à analyser provoquant la fusion de sa couche superficielle et générant un plasma. La lumière de désexcitation émise dans l'infrarouge est collectée puis étudiée par un spectromètre afin d'en déduire la composition. L'instrument est capable de détecter plus d'une dizaine d'éléments chimiques (Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, O, C, H, Mn, Ti, S etc), et fonctionne de façon optimale à une distance d'entre 2 et 5 mètres, mais est capable d'aller jusqu'à 10 mètres. Il est composé de 5 modules : le laser proprement dit, deux spectromètres à infrarouge, une caméra capable d'obtenir des images d'une résolution de 0,3 mm par pixel de la cible étudiée, un miroir orientable afin de pointer avec précision le laser, et une cible d’étalonnage composée de 12 disques cylindriques. Le premier spectromètre infrarouge fonctionne dans une gamme de longueur d'onde comprise entre 240 et 850 nm pour en déduire le spectre d'émission du plasma. Le second fonctionne entre 850 et 2 400 nm et permet d'obtenir le spectre de réflectance. Tout deux ont une résolution spectrale inférieure à 12 nm[33],[35]. L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie via le CNES, l'agence spatiale française, a contribué à la conception de l'instrument en fournissant notamment une cible d'étalonnage identique à celle utilisée sur ChemCam, un instrument similaire embarqué à bord du rover Curiosity de la NASA[36].
  • RoMAG (Mars Rover Magnetometer) est un magnétomètre qui étudiera l'environnement magnétique du rover, et notamment la structure interne de Mars en analysant les variations naturelles du champ magnétique de la planète. Avec l'instrument Mars Magnetometer installé dans l'orbiteur, il étudiera les courants de l'ionosphère de Mars, ainsi que certaines de ses caractéristiques telles que la conductivité du sol. L'instrument a une plage de mesure de ± 2 000 nT, avec une résolution supérieure à 0,01 nT[33].
  • MCS (Mars Climate Station) est une station météorologique qui mesurera les caractéristiques de l'atmosphère de Mars à proximité de l'astromobile. L'instrument comporte un thermomètre capable de mesurer les températures comprises entre −120 °C et +50 °C avec une résolution de 0,1 °C, un manomètre pouvant mesurer la pression atmosphérique entre 1 et 1 500 Pa avec une résolution de 0,1 Pa, un anémomètre qui mesurera la vitesse du vent entre 0 et 70 m/s avec une résolution de 0,1 m/s ainsi que sa direction avec une résolution de 5°, et enfin un microphone pouvant enregistrer le son entre 20 Hz et 20 kHz[33].

Déroulement de la missionModifier

 
Lancement de Tianwen-1 à bord de la cinquième Longue Marche 5.

Tianwen-1 a été lancée le 23 juillet 2020, le premier jour de la fenêtre de transfert vers Mars s'étant ouverte à la mi-juillet et s'étant refermée en début par une fusée Longue Marche 5, la plus puissante en service en Chine. La phase de transit a duré environ 7 mois, puis l'orbiteur a inséré la sonde en orbite autour de Mars le 10 février 2021. Après une phase de repérage du site visé d'environ 2 mois, le véhicule de rentrée se séparera et effectuera une rentrée atmosphérique. L'atterrisseur se séparera à son tour et atterrira à la surface, avant de déployer l'astromobile. L'orbiteur servira ensuite pendant 90 jours de relai de télécommunications, puis changera d'orbite afin de poursuivre ses investigations scientifiques.

Lancement (23 juillet 2020)Modifier

 
Le navire de suivi Yuanwang 6 en 2011.

La sonde utilise le lanceur lourd Longue Marche 5 qui l'insère directement en orbite de transfert vers Mars. Ce dernier connaît un échec lors de son deuxième lancement en 2017 qui provoque une interruption des vols durant 2 ans, puis reprend du service en [37]. Les sondes martiennes ne peuvent décoller qu'une fois tous les 26 mois, lorsque la position de la Terre et de Mars sont favorables. La fenêtre de tir de Tianwen-1 s'est ouverte le et s'est refermée le , car avant et après cette période, le lanceur n'a plus une puissance suffisante pour permettre à la sonde d'atteindre Mars. Chaque jour, 3 opportunités de lancement d'une durée de 5 minutes chacune s'ouvrent.

Le à 04h41 UTC, soit le jour de l'ouverture de la fenêtre de lancement, la sonde décolle à bord du cinquième exemplaire du lanceur Longue Marche 5 depuis la base de lancement de Wenchang sur l'île d'Hainan. Les médias chinois n'ont pas annoncé l'heure exacte du décollage ni ne tiennent de direct, mais des avertissements invitant les avions et les bateaux à quitter les zones de retombées des composants du lanceur suggérèrent que le lancement aura bien lieu. La trajectoire de la mission amène le lanceur à survoler les Philippines et sa capitale Manille, les étages du lanceurs tombant dans l'océan. Le succès du vol est annoncé 36 minutes plus tard par l'Administration spatiale nationale chinoise (CNSA) puis par la Société de sciences et technologies aérospatiales de Chine (CASC). Trois navires de classe Yuanwang, à savoir les bâtiments 5, 6 et 7, assurent une part du suivi de la mission : 6 minutes après le décollage, Yuanwang 6 détecte puis transmet les données du lanceur et de sa charge utile, les deux autres navires prenant ensuite le relai pour un total de 30 minutes de suivi[38]. Le premier contact de télécommunication avec la sonde après sa séparation du lanceur est effectué par l'antenne de 15 mètres de diamètre de la station de contrôle à Kourou de l'ESTRACK en Guyane. La sonde rentre alors en phase de transit et atteint la planète Mars après un voyage de 7 mois le 10 [39],[40].

Transit entre la Terre et Mars (23 juillet 2020 - 10 février 2021)Modifier

 
Schéma de l'orbite de transfert de Tianwen-1 entre la Terre et Mars ainsi que de l'emplacement des manoeuvres de correction de trajectoires (TCM).

Après sa séparation avec son lanceur, la sonde spatiale a entamé une phase de croisière, d'une durée d'environ sept mois durant laquelle elle s'est rapprochée de Mars uniquement grâce à sa vitesse acquise. Plusieurs manœuvres de correction de trajectoire étaient prévues (en anglais : trajectory correction maneuver ou TCM) durant le transit. Elles devaient permettre de corriger l'imprécision de l'injection par le lanceur, les perturbations gravitationnelles, ou encore les erreurs de détection et d'exécution du système.

La première manœuvre de correction de trajectoire est réalisée avec succès le à 23h00 UTC lorsque le moteur principal de l'orbiteur est mis à feu durant 20 secondes. La sonde est alors dans l'espace depuis 230 heures et à 3 millions de kilomètres de distance de la Terre[41]. La deuxième manœuvre a lieu le à 15h00 UTC, l'orbiteur allumant 4 de ses propulseurs de 120 newtons durant 20 secondes, testant à la même occasion leur bon fonctionnement. La sonde est alors dans l'espace depuis 60 jours et se trouve à 19 millions de kilomètres de la Terre[42]. Le , à l'occasion de la fête nationale chinoise, la CNSA dévoile deux selfies pris par la sonde en transit vers Mars à l'aide d'un petit module largué par l'orbiteur. D'une masse de 950 grammes, il comprend deux caméras grand champ de résolution 800 × 600 et 1 600 × 1 200 capturant chacune une image par seconde. Ces dernières sont placées dos à dos afin de maximiser les chances d'obtenir des photos satisfaisantes de la sonde, car le module n'utilise aucun système de contrôle d'attitude pour cadrer sa cible. Disposant d'une batterie d'une heure, il transmet ses photos à l'orbiteur via un système Wi-Fi d'une portée maximale de 400 mètres[43],[44]. Une manœuvre de correction de trajectoire de grande ampleur appelée "manœuvre dans l'espace lointain" (en anglais : deep-space maneuver) a eu lieu avec succès le à 15h00 UTC lorsque le moteur principal de l'orbiteur a été mis à feu durant 480 secondes. La sonde se trouvait alors à 29,4 millions de kilomètres de la Terre et avait parcouru 210 millions de kilomètres depuis son décollage[45],[46]. Une troisième manœuvre de correction de trajectoire a eu lieu le à 14h00 UTC lorsque l'orbiteur a allumé simultanément 8 de ses propulseurs de 25 newtons, testant à la même occasion leur bon fonctionnement. La sonde était alors dans l'espace depuis 97 jours et se trouvait à 44 millions de kilomètres de distance de la Terre. Elle avait parcouru 256 millions de kilomètres depuis son décollage, et la CNSA a annoncé que tous les systèmes de la sonde fonctionnaient normalement[47]. La quatrième manœuvre de correction de trajectoire a été accomplie le à 12h00 UTC, la sonde se trouvant à 184 millions de kilomètres de la Terre et à seulement 1,1 million de kilomètres de Mars. Il s'était alors écoulé 197 jours depuis son décollage, et elle avait parcouru 465 millions de kilomètres. La CNSA a publié à la même occasion la première photo de Mars obtenue par la sonde, prise à 2,2 millions de kilomètres de la planète[48].

Phase de reconnaissance (10 février 2021 - mai/juin 2021)Modifier

Alors que la sonde spatiale était au plus proche de la planète, le à 11h52 UTC le moteur principal de l'orbiteur d'une poussée de 3 000 newtons a été mis à feu durant 15 minutes afin de ralentir la sonde et de la placer dans une orbite martienne très elliptique de 400 × 180 000 kilomètres avec une inclinaison d'environ 10° qu'elle parcourt en 10 jours[49]. Une fois à l'apoapside 5 jours après l'insertion en orbite martienne, la sonde réalise le à environ 9h00 UTC une nouvelle manœuvre pour se placer dans une orbite polaire, modifiant l'inclinaison orbitale de 10° à 86,9°. C'est une nouvelle fois le moteur principal de l'orbiteur qui est chargée de la manœuvre tandis que le périapside est en même temps abaissé de 265 km à 86,9°[50].

Plusieurs manœuvres sont attendues afin que la sonde s'insère dans son orbite de reconnaissance qu'elle doit maintenir jusqu'à l'atterrissage[18].

 
Schéma des différentes orbites parcourues par Tianwen-1 autour de Mars au cours de sa mission.

Déroulement futur de la missionModifier

Atterrissage (mai/juin 2021)Modifier

Afin d'atterrir sur Mars la sonde doit décélérer d'un total de 4,8 km/s. La précision de l'atterrissage limite l'incertitude à une ellipse de 100 km de long pour 20 km de large. Cette phase se décompose en quatre étapes :

  • la rentrée atmosphérique qui commence à environ 125 km d'altitude,
  • la descente sous parachute lorsque la vitesse a chuté sous Mach 2,
  • la descente propulsée à partir de 1,5 km d'altitude à l'aide du moteur principal de l'atterrisseur,
  • l'amortissement du choc avec le sol par les pieds de l'atterrisseur.

Rentrée atmosphériqueModifier

L'orbiteur met à feu son moteur principal afin de placer la capsule contenant l'atterrisseur et l'astromobile dans sa trajectoire de rentrée. La séparation a lieu 5 heures avant l'atterrissage, lorsque la sonde se trouve non loin du périapside. L'orbiteur manœuvre ensuite pour se placer dans une orbite de 265 × 15 000 kilomètres qu'il parcourt en 8,2 heures. Il sert alors de relai de télécommunication pour l'astromobile tout en poursuivant ses observations scientifiques. La rentrée atmosphérique de la capsule se fait selon une trajectoire balistique, c'est-à-dire qu'elle n'est pas pilotée. Elle commence à environ 125 km d'altitude, la trajectoire suivant un angle de 11,2° (avec une tolérance de ± 0,2°) par rapport à la surface de Mars et durera 300 secondes. La vitesse diminue alors de 4,8 km/s à 460 m/s, la rentrée atmosphérique ayant absorbée 90,4 % de la vitesse orbitale[14],[12],[18].

Descente sous parachuteModifier

Le parachute d'un diamètre de 15,96 m est déployé une fois que la vitesse de la sonde sera inférieure à 460 m/s soit Mach 2. La sonde est alors à 10 km d'altitude au-dessus de la surface de Mars. L'éjection du parachute crée un choc proche de la fréquence fondamentale de la sonde, il s'agit du choc le plus violent subi durant la mission. Cette phase de la descente dure 90 secondes, la vitesse de l'atterrisseur diminuant de 460 m/s à 95 m/s, le parachute ayant absorbé 7,6 % de la vitesse orbitale initiale. Durant cette phase de la descente le bouclier thermique avant est éjecté, permettant à un télémètre laser d'évaluer la distance avec le sol et à un capteur à micro-onde de calculer la vitesse[14],[12],[18].

Descente propulséeModifier

Lorsque la vitesse n'est plus que de 95 m/s et l'altitude de 1,5 km, l'atterrisseur se sépare du bouclier arrière et du parachute puis met à feu son moteur principal à poussée variable. Cette phase de la descente dure 90 secondes et ralentit la capsule de 95 m/s à 3,6 m/s, soit 1,9 % de la vitesse initiale de la sonde à sa rentrée dans l'atmosphère. L'atterrisseur stationne brièvement lors de sa descente à 100 m d'altitude au dessus du sol afin d'analyser le terrain. Pour ce faire, il emploie un capteur laser chargé d'imager le sol en trois dimensions, ainsi qu'une caméra qui compare les images prises avec sa base de donnée pour éviter les obstacles et repérer un site d'atterrissage dégagé[14],[18].

Atterrissage et déploiement du roverModifier

L'impact final avec le sol est amorti à l'aide des 4 pieds de l'atterrisseur. Ces derniers peuvent supporter une vitesse verticale de 3,6 m/s et horizontale de 0,9 m/s. Une fois posé, l'astromobile déploie ses panneaux solaires, son antenne grand gain ainsi que le mât sur lequel sont installées les caméras de navigation. Durant 3 jours martiens [Note 1], le rover oriente son antenne grand gain de sorte à établir le lien de télécommunication afin de communiquer son statut. L'atterrisseur déploie deux rails qui servent de rampe au rover pour qu'il descende jusqu'à la surface. Après 9 sols, le rover s'éloigne du site d'atterrissage, 15 sont nécessaires pour compléter le téléchargement initial des données[18].

Phase d'opération (mai/juin 2021 - )Modifier

La mission primaire du rover à la surface de Mars doit durer 3 mois, durée pendant laquelle l'orbiteur lui sert de relai de télécommunications depuis son orbite de parking. L'orbiteur Mars Express de l'Agence spatiale européenne est également mis à contribution en tant que relai de soutien des données du rover[51]. L'astromobile est équipée de 6 instruments scientifiques afin d'étudier son environnement dont une station météorologique, un radar qui sonde les couches souterraines de la surface, une caméra multispectrale ou encore un spectromètre laser. L'orbiteur est alors dans une orbite de 265 × 15 000 kilomètres avec une inclinaison de 86,9° et une périodicité de 8,2 heures. Après la phase d'opération primaire de 3 mois du rover, l'orbiteur modifie une dernière fois son orbite pour en abaisser l'apoapside à 12 000 km, ce qui diminue la période orbitale à 7,8 heures, afin de conduire des analyses plus poussées de la planète tout en maintenant son rôle de relai des données de l'astromobile. Il conduit tout au long de sa mission des relevés scientifiques à l'aide de 7 instruments, dont un magnétomètre, un spectromètre, un radar sondant la surface ou encore une caméra haute résolution aux capacités similaires à celle embarquée sur la sonde Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA[14],[12],[18],[13].

Segment solModifier

 
Antenne principale de la station de contrôle chinoise de Las Lajas en Argentine.

Plusieurs stations au sol sont utilisées pour communiquer avec la mission. On trouve notamment une antenne parabolique de 50 mètres de diamètre à Pékin, quatre de 35 mètres à Kashi, une de 25 mètres à Ürümqi, une de 66 mètres à Jiamusi, une de 40 mètres à Kunming et deux antennes de 25 et 65 mètres à Shanghai[14]. Une autre de 70 mètres de diamètre a été installée le à Tianjin[52]. L'Agence spatiale européenne apporte sa contribution durant les premières phases du lancement via son réseau de stations de contrôle ESTRACK, puis via ses antennes présentes à Cebreros (Espagne) et à New Norcia (Australie), qui permettront de localiser et de calculer avec précision la trajectoire de la sonde durant son trajet entre la Terre et Mars[51]. Une station de contrôle chinoise avec une antenne de 35 mètres de diamètre est également installée à Las Lajas en Argentine, en collaboration avec l'agence spatiale argentine CONAE[21],[53],[54].

Autour de la missionModifier

 
Logo du Programme Chinois d'Exploration Planétaire, ici dans sa version dédiée à Tianwen-1.

Nom de la sondeModifier

La sonde est connue au début de son développement en tant que « orbiteur global de télédétection et petit astromobile martien » (en anglais : Mars Global Remote Sensing Orbiter and Small Rover). Comme pour les rovers Yutu et Yutu 2, une compétition nationale est mise en place pour nommer la mission et 35 912 noms différents sont proposés. Les finalistes retenus sont : Fenghuang (en chinois : 凤凰 ; en français : phénix) ; Tianwen (天问 ; question céleste) ; Huoxing (火星 ; Mars) ; Tenglong (腾龙 ; dragon élancé) ; Qilin (麒麟 ; Qilin) ; Zhuque (朱雀 ; oiseau vermillon) ; Zhuimeng (追梦 ; chasseur de rêve) et Fengxiang (凤翔 ; phénix ascendant). À l'été 2018, la mission prend le nom provisoire de Huoxing-1 (火星一号 ; Mars-1)[28]. Le nom définitif de la mission est finalement dévoilé le à l'occasion de la journée spatiale du pays, commémorant Dong Fang Hong 1, premier satellite de la Chine, lancé 50 ans plus tôt. Tianwen (天问) signifiant "questions célestes" ou "questions au ciel", est le nom d'un antique poème de Qu Yuan dans lequel il soulève plusieurs questions sur le ciel, les phénomènes naturels et les mythes[55],[56].

Nom du roverModifier

La CNSA annonce le , soit le lendemain du décollage, le lancement d'une campagne pour baptiser le rover. La sélection se fera en quatre étapes : proposition du public via l'application Baidu ou le canal officiel, 10 noms semi-finalistes sélectionnés par un jury, puis un vote du public pour déterminer les 3 finalistes, et enfin la sélection du nom que portera le rover. La phase des propositions doit s'achever le [57]. Le , les 10 noms sélectionnés par le jury parmi les plus de 1,4 million de propositions des internautes sont dévoilés. Les semi-finalistes retenus sont : Hongyi (en chinois : 弘毅 ; en français : persévérance) ; Qilin (麒麟 ; Qilin) ; Nezha (哪吒 ; Nezha) ; Chitu (赤兔 ; lièvre rouge) ; Zhurong (祝融 ; Zhurong) ; Qiusuo (求索 ; chercher) ; Fenghuolun (风火轮 ; roue de vent et de feu (en)) ; Zhuimeng (追梦 ; chasseur de rêve) ; Tianxing (天行 ; marcheur céleste) et Huoxing (火星 ; Mars). La phase de vote des internautes pour sélectionner les 3 noms finalistes est ouverte du au [58].

Timbre commémoratifModifier

Une cérémonie se tient le au Wenchang Space Science Center sur l'île d'Hainan afin de dévoiler un timbre commémoratif du lancement de la mission. Celui-ci représente la sonde et son voyage en direction de Mars, avec en fond la Terre et une galaxie. Il est prévu d'en émettre 7,8 millions pour un prix à l'unité de 1,2 yuan[59].

Suite du programmeModifier

Le directeur de l'Administration spatiale nationale chinoise Zhang Kejian (en) annonce le que la mission inaugure le programme d'exploration Tianwen dédié aux planètes du Système solaire. Une deuxième sonde martienne en vue de ramener des échantillons de Mars d'ici 2030 est en développement. Il est initialement proposé que la mission décolle en un seul tir à bord d'un lanceur super lourd Longue Marche 9, mais une architecture en deux lancements, un orbiteur de 5 000 kg sur une Longue Marche 5 et un atterrisseur doté d'un étage de remontée de 2 500 kg sur une Longue Marche 3B, est également étudiée[28],[55].

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. Un jour solaire martien, dit « sol », dure 24 heures, 39 minutes et 35 secondes (l'équivalent de notre jour solaire de 24 heures) alors que le jour sidéral martien dure 24 heures, 37 minutes et 23 secondes (l'équivalent du jour sidéral terrestre de 23 heures 56 minutes et 4 secondes).

RéférenceModifier

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BibliographieModifier

Programme spatial chinois en général

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AnnexesModifier

Articles connexesModifier

Au sujet de MarsModifier

Au sujet de l'exploration de MarsModifier

Au sujet du programme spatial de la ChineModifier