Utilisatrice:Eric.LEWIN/WP-Mars-FÉP/2020-2021 S2/Mars Geyser Hopper
Mars Geyser Hopper (Rover)
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Mars Geyser Hopper est un prototype de vaisseau spatial dont la mission est l'étude chimique et globale des geysers martiens de dioxyde de carbone, phénomènes qui n'ont pas d'équivalent sur Terre et dont les rejets de gaz sont printaniers, suite à une période d'obscurité ainsi qu'une hausse de température[1]. Ces geysers sont principalement répartis dans la région du pôle sud de Mars (planète), correspondant donc à la destination de Mars Geyser Hopper, qu'il atteindra en deux fois grâce à sa capacité de saut.
Mise en Contexte
modifierLa mission Mars Geyser Hopper est également l'occasion de tester le générateur Stirling à radio-isotope avancé (de l'anglais Advanced Stirling Radioisotope Generator ou ASRG) comme source d'énergie, adaptée aux circonstances par l'équipe de modélisation collaborative pour l'évaluation paramétrique du système spatial (Collaborative Modeling for the Parametric Assessment of Space System ou COMPASS[2]).
Ce vaisseau spatial s'inscrit dans le programme Discovery de la NASA, regroupant des missions à budgets plus modestes, inférieurs à 425 millions de dollars, telles que les missions Genesis ou Deep Impact, dont le but est l'exploration du système solaire. Le montant de cette mission devrait être compris entre 350 et 425 millions de dollars[1][3], soit entre 300 et 360 millions d'euros environ, cela n'incluant pas le coût de lancement[1].
Dans ce cas précis, le vaisseau utilise des technologies de la sonde spatiale Mars Phoenix[1][3], notamment pour le vol démonté, l'atterrissage et les fusées réutilisables afin de réduire les coûts et les risques de l'opération.
La mission est programmée pour une durée de 30 mois depuis le lancement. Cela comprend 8 mois de croisière interplanétaire et un an martien, correspondant à 22 mois terrestres, en surface de la planète. En cas de besoin, la mission pourrait même être rallongée de quelques mois sur place.
Des dates de lancements en 2016, 2018 et 2020 permettaient d'atteindre le pôle sud de la planète tout en évitant les périodes de glaciation[1]. Cependant, le lancement devait initialement respecter la date butoir du 31 décembre 2016. Ce dernier fut donc annoncé pour le 1er mars 2016[1].
Le début de l'EDL (Entrée-Descente-Atterissage) était prévu pour le 8 octobre 2016 [1]. Elle aurait été suivie de la préparation du premier saut de l'engin le 23 janvier 2017, qui aurait eu lieu par la suite le 8 février 2017 [1]. Le second saut de l'appareil était programmé pour le 25 mars 2017. Enfin, le 6 mai 2017, les observations auraient pu débuter[1].
À ce jour, la mission n'a toujours pas pu être lancée en raison du coût et de la difficulté d'accessibilité du plutonium 238, élément nécessaire pour l'utilisation de l'ARSG[4]. Ce sytème de production d'énergie est revu à l'étude à partir de 2018 [5], en plus du développement d'un générateur thermoélectrique à radio-isotopes multi-missions (de l'anglais Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator ou MMRTG)[6].
Caractéristiques détaillées et capacités de Mars Geyser Hopper
modifierSystème de saut et déplacement
modifierLe système est censé avoir la capacité de faire deux sauts, l’un pour être dans la zone à étudier et l’autre pour se déposer sur le site final d’étude de geysers dans le pôle sud de Mars. Il peut se déplacer par le biais de moteurs monopropulseurs d’hydrazine pulsés, maintenu sous forme liquide à -75°C grâce au système thermique[1], conçus pour permettre un redémarrage.
Les chercheurs ont pu estimer les quantités de propulseurs nécessaires pour ces sauts grâce au programme Mission Analysis and Simulation Tool in Fortran (MASTIF), permettant une modélisation du saut.
À partir du programme MASTIF, ils ont imposé les conditions de sauts suivantes:
- l’engin doit effectuer une montée verticale de deux secondes
- s'orienter à un angle de 35 degré en fonction de la verticale
- une côte balistique
- orientation du vecteur de poussée afin d’annuler la vitesse horizontale
- descente verticale pour un atterrissage en douceur et donc ne pas abîmer la structure de l’engin
Les données du saut ont été calculées par rapport à la densité atmosphérique constante de 0,017314 kg/m3[1].
Le Tableau 1 regroupe les résultats modélisés par le programme MASTIF. Les distances sont les minimales estimées en Km. Noter que les réserves seront surement plus grandes que celles estimées, et qu’il en restera plus lors de l'atterrissage et donc, les chercheurs auront une plus grande marge. Après l'atterrissage, l’équipe chargée de la mission réévaluera les quantités de propulseur restant afin de déterminer la distance qu’ils pourront faire effectuer à l’engin.
| premier saut | deuxième saut | |
|---|---|---|
| Distance (Km) | 2.0 | 0.1 |
| Vitesse (m/s) | 248 | 60 |
| Masse initiale (kg) | 500 | 452 |
| Masse finale (kg) | 452 | 440 |
| Propergol consumé (kg) | 48 | 12 |
Tableau 1 : traduit depuis le texte initial de la NASA [1].
Les équipements dont dispose Mars Geyser Hopper
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Les geysers martiens sont dus à l'emprisonnement de particules de CO2 lors de l'hiver au sud de Mars, où les températures tombent à -150°C (−238 °F), soit lorsqu’il n’y a aucune exposition solaire[7].
Le but était de reprendre le modèle utilisé pour Mars Phoenix Lander, qui utilisait le soleil comme source d’énergie, or la faible exposition solaire de la zone d’étude rend son utilisation seule impossible.
Le système ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator), tirant son énergie de la désintégration des éléments radioactifs de Plutonium 238, était envisagé comme alternative, avec une puissance 133W, qui serait utilisé pour les opérations de surface et les sauts. À son action sera ajouté une batterie EDL, utilisée pour les propulsions lors des décollages et atterrissages, de 150W[1]. La chaleur résiduelle dégagée par l’ASRG (environ 350W) permettra à l’engin de résister au froid hivernal et de ne pas être piégé dans la glace. Les deux systèmes pèsent respectivement 6 kg pour l’ornement de l’engin et 126 kg pour le Hopper. Mais le système ASRG a été écarté à cause de son coût trop important en 2013[8].
L’utilisation d’hydrazine dans 15 propulseurs d’Aerojet MR-107N B 230 sec Isp pour l'atterrissage et le saut permet la propulsion de l’engin et un atterrissage en douceur. Tandis que son système de contrôle de réactions possède 4 paires de propulseurs de type Aerojet MR-103D à 215 sec Isp, et un propulseur Aerojet MR-102 à 220 sec Isp. Ce système permet de fournir de petites quantités de poussée dans toutes les directions, ainsi que le contrôle de rotation, ce qui permet une grande maniabilité de l’appareil pour les déplacements sur le terrain. La trémie sera composée de 62 kg supplémentaires d’hydrazine pour permettre des sauts jusqu’au site de geysers d’environ 2 km ainsi que 191 kg de propergol[1].
Plusieurs types d'instruments scientifiques[1] ont été inclus sur le Hopper tels qu’une caméra stéréo (MastCam) permettant l’observation des phénomènes de geyser, ou un bras robotique pour creuser la surface du sol martien afin d’effectuer des prélèvements d’échantillons et leurs analyses par le Hopper.
Il possède un système de détection de lumière et un instrument de télémétrie (LIDAR) qui a pour but d’évaluer les distances à l’aide d’un laser, d’un scanner et d’un récepteur GPS, notamment utilisé en cartographie car il permet d’obtenir une précision très élevée des environnements naturels[1][9]. Une caméra d'atterrissage et un spectromètre thermique servant aux études géologiques à distance, mais aussi à l'étude des conditions météorologiques. Tout le matériel d’étude de terrain a été estimé à 34 kg[1].
L'atterrisseur a été calqué sur le model de Mars Phoenix. Il sera composé de panneaux solaires en couple, de 3 axes d’entrée balistique, de capteurs solaires, d’un IMU, d’un radar d'atterrissage et d’un système de Start Track. Pour l'atterrisseur, le poids atteint les 25 kg, ce qui est contrasté par la masse des structures et mécanismes s’élevant à 402 kg[1].
Le Hopper possède 100GB de capacité de stockage de données, deux unités d'acquisition de données, deux ordinateurs de vols à l'intérieur qui sont estimés à une trentaine de kilogrammes[1].
Détails de la mission
modifierLa conception de Mars Geyser Hopper s'appuie sur le système hérité de l'atterrisseur Mars Phoenix, mais utilise un seul ASRG comme source d'énergie, plutôt que les deux panneaux solaires utilisés par Phoenix[10]. L'ASRG a subit des tests de qualifications spatiale et de durée de vie à la NASA[11]. Cependant, aujourd'hui, le projet a été abandonné. L'appareil possède différents instruments de mesures et de détection, afin de pouvoir creuser sous la surface du sol et recueillir des échantillons de sol pour les faire analyser[10]. Il possède également un instrument de télémétrie (LIDAR), qui est un instrument optique permettant de mesurer la distance d'un objet visé, ainsi qu'une caméra d'atterrissage et un spectromètre thermique (pour l'analyse géologique à distance et la détection météorologique)[10].
Le site d'atterrissage est choisi au niveau du pôle sud car c'est une région où il existe des geysers sur plusieurs centaines de kilomètres, avec des densités de plus en plus importantes[12].
La durée entière de la mission à partir du lancement est de 30 mois, dont 8 mois de voyage jusqu'à la planète Mars. 22 mois sont consacrés à la mission principale, qui est l'observation de geysers sur 1 site précisément, qui aura été choisi par les scientifiques à l'aide des données transmises. Si la mission principale est un succès et qu'il reste suffisamment de réserve de propergol à bord, une deuxième manœuvre sera alors envisagée pour l'étude d'un deuxième site du pôle sud polaire[12][10].
La chronologie du déroulement de la mission
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- Mars Geyser Hopper entre dans l'atmosphère au niveau du pôle sud de Mars, pendant l'été là où la glace est la moins présente en surface. L'appareil réalise un atterrissage en douceur à l'aide d'une fusée propulsée. L'atterrissage est ciblé au niveau d'une région à proximité d'un geyser et non sur le geyser lui-même, son rayon d'atterrissage mesurant 20 Km sur 50 Km[10].
- L'été polaire favorise les recherches géologiques de surface. De plus, les images prises pendant la descente ainsi que les images de surface vont permettre au satellite d'identifier précisément le lieu de l'atterrissage avec un emplacement à proximité d'un geyser[10][12].
- Le vaisseau sera en mesure d'effectuer un premier saut d'une distance allant jusqu'à 2 Km, ceci a pour but : de rapprocher suffisamment l'appareil du site de prélèvement et de l'endroit où il restera pendant la période hivernale.
- Suite à son saut, il commence à effectuer ses recherches géologiques afin de caractériser un site de geyser[12].
- Le deuxième saut est quand à lui d'une plus court distance (environ 100m). Ce saut lui permettra d'accéder au site d'hivernage, un endroit choisi en altitude où il pourra avoir une vue des environs et être suffisamment en dehors de la zone de retombée du panache de débris attendu[12].
- Pendant l'été, il caractérisera la zone avant de passer en "mode hiver". Durant cette période, il continuera à transmettre des données géologiques et météorologiques[12].
- À l'arrivée du printemps, l'appareil observe les phénomènes de geyser depuis la position choisie pour une observation optimale. La mission principale est terminée une fois les geysers observés. La décision d'un prolongement de la mission pour une année entière martienne pourrait être prise, jusqu'au prochain été polaire[10].
Calendrier initial de la mission scientifique
modifier- Début de la mission 1er mars 2016, croisière d'une durée d'environ 7 mois. Une fois proche de l'orbite de Mars, correction de la trajectoire.
- Fin octobre 2016, opération de brulure d'entrée, qui permet l'orientation pour la décente aérodynamique. Initiation de l'état d'entrée avec une séparation de la partie du vaisseau qui a servi à la croisière[12].
- Début de la descente, chauffage des pointes et déploiement des parachutes environ 3 minutes après la descente. Largage du bouclier thermique et déploiement des jambes en plus de l'activation du radar[12].
- Il y a séparation de l'atterrissage et du début du virage par gravité. Une fois l'atterrissage effectué, l'étape de dépoussiérage commence 15 min après le débarquement, suivie d'une reconfiguration selon les besoins; déploiement de l'antenne, établissement des communications et transmission de l'état de santé de l'appareil[12].
- Une fois le vaisseau en place, commence alors la caractérisation initiale du site qui aura une durée d'environ 107 jours. Le but étant la sélection du site pour les opérations scientifiques d'été[12].
- Le premier saut vers le site scientifique d'été est programmé pour le 23 janvier 2017 et d'une durée de 60 jours. Une reconfiguration est à réalisée si nécessaire. Observation de la région locale et transmission des informations en plus du traitement des données, afin de déterminer le prochain site scientifique "ajusté" (si nécessaire et si le carburant le permet)[12].
- Le deuxième saut est un saut d'ajustement. Une fois effectué avec une reconfiguration, début des observations scientifiques et d'archives des données récoltées. Les observations hivernales au pôle sud ont une durée de 376 jours, pendant lesquels le robot effectue des observations météorologiques et climatiques[12].
- Après le dégel printanier, début de la conservation, des acquisitions et du relai des données, afin de détecter les geysers. Fin de la mission principale autour du 10 août 2018, probabilité de prolongement de la mission[12].
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Notes et références
modifier- (en) Geoffrey A. Landis, Steven J. Oleson and Melissa McGuire, « Design Study for a Mars Geyser Hopper », sur ntrs.nasa.gov, (consulté le )
- (en) Melissa L. McGuire, Steven R. Oleson, Timothy R. Sarver-Verhey, « Concurrent Mission and Systems Design at NASA Glenn Research Center : The Origins of the COMPASS Team », sur ntrs.nasa.gov, (consulté le )
- (en) Bruce Dorminey, « NASA May Go Mars Geyser Hopping », sur Forbes, (consulté le )
- « Générateur Stirling à radioisotope avancé », dans Wikipédia, (lire en ligne)
- (en) Edward J. Lewandowski, Michael W. Dobbs et Salvatore M. Oriti, « Advanced Stirling Radioisotope Generator Engineering Unit 2 Anomaly Investigation », sur ntrs.nasa.gov, (consulté le )
- (en) Dan Leone, « Lockheed Shrinking ASRG Team as Closeout Work Begins », sur spacenews.com, (consulté le )
- (en) Hugh H. Kieffer, Philip R. Christensen et Timothy N. Titus, « CO 2 jets formed by sublimation beneath translucent slab ice in Mars' seasonal south polar ice cap », Nature, vol. 442, no 7104, , p. 793–796 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/nature04945, lire en ligne, consulté le )
- « Future Planetary Exploration: The ASRG Cancellation in Context », sur Future Planetary Exploration, (consulté le )
- (en-US) National Oceanic and Atmospheric Administration US Department of Commerce, « What is LIDAR », sur oceanservice.noaa.gov (consulté le )
- D. Munjal, P. L. Chawla, J. J. Lokich et N. Zamcheck, « Carcinoembryonic antigen and phosphohexose isomerase, gammaglutamyl transpeptidase and lactate dehydorgenase levels in patients with and without liver metastases », Cancer, vol. 37, no 4, 1976-04-xx, p. 1800–1807 (ISSN 0008-543X, PMID 4219, DOI 10.1002/1097-0142(197604)37:43.0.co;2-k, lire en ligne, consulté le )
- Louise M. Richards, « NASA Technical Reports Server (NTRS)2008364NASA Technical Reports Server (NTRS). Washington, DC: NASA Center for Aerospace Information Last visited June 2008. Gratis URL: http://ntrs.nasa.gov/ », Reference Reviews, vol. 22, no 8, , p. 40–41 (ISSN 0950-4125, DOI 10.1108/09504120810914619, lire en ligne, consulté le )
- Geoffrey Landis, Steven Oleson et Melissa McGuire, « Design Study for a Mars Geyser Hopper », 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, American Institute of Aeronautics and Astronautics, (ISBN 978-1-60086-936-5, DOI 10.2514/6.2012-631, lire en ligne, consulté le )