Galileo (sonde spatiale)


Galileo (sonde spatiale)
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Galileo

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Galileo en cours de préparation

Caractéristiques
Organisation NASA
Masse 2380 kg
Lancement 18 octobre 1989
Lanceur Navette spatiale
Fin de mission 21 septembre 2003
Index NSSDC 1989-084B
Site http://www2.jpl.nasa.gov/galileo/
Lancement du satellite Galileo depuis la navette spatiale (1989)

Galileo est une sonde spatiale américaine développée par la NASA qui avait pour mission d'étudier la planète Jupiter et ses lunes. Ce projet complexe et coûteux développé avec une participation de l'Allemagne rencontre de nombreux problèmes budgétaires au cours de sa conception avant de subir un retard important à la suite de l'accident de la navette spatiale Challenger qui repousse son lancement de trois ans. La sonde d'une masse de 2,2 tonnes comprend un orbiteur et une sonde atmosphérique chargée de s'enfoncer dans les couches atmosphériques. Les deux engins emportent 22 instruments scientifiques.

Galileo est lancée le 18 octobre 1989 par la navette spatiale américaine Atlantis. Après un voyage de 6 ans, au cours duquel elle a recours à l'assistance gravitationnelle de la Terre à deux reprises ainsi qu'à celle de Vénus, la sonde se place en orbite autour de Jupiter le 7 décembre 1995. Elle circule sur une orbite de 2 mois qu'elle parcourt à 35 reprises au cours de la phase scientifique de la mission qui s'achève après plusieurs prolongations en 2003.

Galileo collecte de nombreuses informations scientifiques malgré l'indisponibilité de son antenne grand gain qui n'a pas pu être déployée limitant fortement le volume de données transmis. Galileo précise les éléments recueillis par les sondes qui l'avaient précédé notamment Voyager 1 et Voyager 2. L'atmosphère de Jupiter, sa magnétosphère et ses principales lunes sont longuement étudiés. La sonde atmosphérique larguée peu avant l'arrivée sur Jupiter détecte beaucoup moins d'eau que prévu, remettant en question les théories sur la formation de Jupiter et celle du système solaire. Parmi les faits les plus marquant, elle découvre la présence d'un océan d'eau liquide sous la surface gelée d'Europe, une des lunes galiléennes de Jupiter, la présence du champ magnétique de Ganymède et effectue le premier survol d'un astéroïde au cours de son transit entre la Terre et Jupiter. Au cours de sa mission la sonde prend 14 000 images de grande qualité.

Sommaire

Les objectifs scientifiques

Les objectifs de l'orbiteur sont :

  • Étudier la circulation et la dynamique de l'atmosphère de Jupiter,
  • Étudier la couche supérieure de l'atmosphère de Jupiter et l'ionosphère

Caractériser la morphologie, la géologie et la structure physique des lunes galiléennes

  • Étudier la composition et la distribution des minéraux à la surface des lunes galiléennes
  • Analyser le champ de gravité et le champ magnétique des lunes galiléennes
  • Étudier l'atmosphère, l'ionosphère et les nuages de gaz des lunes galiléennes
  • Étudier l'interaction entre la magnétosphère de Jupiter et les lunes galiléennes
  • Mesurer le vecteur du champ magnétique ainsi que le spectre, la composition et la distribution des particules énergétiques jusqu'à une distance de 150 rayons jupitériens de la planète géante.

Les objectifs de la sonde atmosphérique sont :

  • Déterminer la composition chimique de l'atmosphère de Jupiter
  • Caractériser la structure de l'atmosphère de Jupiter au moins jusqu'à une profondeur correspondant à une pression de 10 bars
  • Étudier la nature des particules contenues dans les nuages et la structure des couches nuageuses
  • Établir le bilan radiatif de Jupiter
  • Étudier l'activité électrique (éclairs) de l'atmosphère de Jupiter
  • Mesurer le flux des particules énergétiques chargées

Historique du projet Galileo

Trajectoire de la sonde Galileo entre la Terre et Jupiter

Conception (1975-1977)

Le Centre de recherche spatiale Ames de la NASA, cherchant à capitaliser sur le succès de Pioneer 10 et 11 qu'elle avait développé à la fin des années 1960, étudie au milieu de cette décennie la possibilité d'une mission représentant la suite logique au survol de la planète Jupiter par ces deux sondes spatiales. L'engin spatial envisagé, baptisé Jupiter Orbiter with Probe (JOP) comprend un orbiteur chargé de se placer en orbite autour de Jupiter et une sonde atmosphérique qui doit être lancée dans l'atmosphère de Jupiter pour en étudier les caractéristiques. L'architecture de l'orbiteur repose sur une version évoluée de la plateforme des sondes Pioneer. Les principaux ajouts sont un moteur-fusée chargé d'insérer la sonde en orbite autour de la planète géante et une structure qui doit recevoir la sonde atmosphérique. Cette dernière est dérivée d'un engin similaire développé pour la mission Pioneer Venus. En 1975 la NASA autorise le centre spatial à lancer la phase de conception de la sonde spatiale dont le lancement par la navette spatiale américaine est programmé pour 1982. L'Agence spatiale européenne doit fournir le moteur chargé de l'insertion en orbite. Quelques mois plus tard, la NASA décide de confier le développement de l'orbiteur à son centre JPL qui, après avoir achevé le développement des sondes martiennes Viking et être sur le point de lancer les sondes Voyager vers les planètes extérieures, n'a plus de nouvelles missions interplanétaires à développer[1].

Les deux centres spatiaux divergent sur la conception de l'orbiteur. Ames privilégie les instruments scientifiques chargés d'étudier les champs et les particules et attribue un rôle mineur aux caméras, spectromètres, radiomètres et photomètres. À ce titre, il souhaite développer une sonde spinnée (en rotation sur elle-même) optimale pour cet usage. Le JPL donne quant à lui la priorité aux instruments qui nécessitent une plateforme stabilisée trois axes (caméras,...). Après avoir envisagé de développer un sous satellite spinné se détachant de la sonde principale à l'approche de Jupiter et portant les instruments d'étude des champs et des particules, le JPL décide, afin de répondre aux attentes de Ames, de concevoir une sonde spinnée, mais comportant un sous-ensemble contre-rotatif portant les instruments nécessitant une stabilisation trois axes. Les acteurs étaient conscients dès le départ que ce choix technique innovant augmentait tellement les coûts qu'il ne serait pas possible de lancer deux sondes jumelles selon la tradition établie pour réduire les risques. Le budget du projet JOP est soumis par la NASA à l'approbation du gouvernement et du congrès américain sous la législature du président Gerald Ford. Il revient au gouvernement Carter, en place à compter de janvier 1977, de statuer. Alors que l'annulation du projet est envisagée, une mobilisation particulièrement importante de l'opinion publique exerce une telle pression sur les décideurs que ceux-ci donnent leur feu vert en juillet 1977 à la mission vers Jupiter. Le coût du projet, chiffré à 270 millions $ par la NASA, est volontairement sous-évalué pour ne pas mettre JOP en concurrence avec le projet du télescope spatial Hubble qui est accepté la même année[2].

Développement (1977-1989)

Début 1978, le projet est rebaptisé Galileo du nom de l'astronome italien du XVIe siècle Galilée, qui a découvert les quatre lunes les plus visibles de Jupiter, dites lunes galiléennes. La sonde doit être lancée en 1982 par la navette spatiale américaine qui se substituera à cette date à l'ensemble des fusées classiques car, selon la doctrine officielle, elle permet un abaissement significatif des couts de lancement[N 1]. Pour parvenir jusqu'à Jupiter la sonde, une fois placée en orbite basse par la navette, est accélérée par une combinaison d'étages Inertial Upper Stage (IUS). L'étage IUS a été mis au point par Boeing pour le lancement de satellites de l'Armée de l'Air américaine et une version bi-étages et tri-étages est en cours de développement pour les besoins de la navette[N 2]. L'accélération procurée par les étages IUS n'est toutefois pas suffisante et la trajectoire retenue doit amener la sonde à survoler la planète Mars pour obtenir un surcroit de vitesse grâce à l'assistance gravitationnelle de celle-ci. Lorsque le planning de développement de la navette spatiale américaine subit un dérapage d'un an, le lancement de la sonde doit être repoussé en 1984 mais à cette date, la trajectoire ne permet plus une assistance gravitationnelle aussi efficace de Mars : le JPL doit envisager soit de sacrifier une partie de l'instrumentation scientifique, soit de concevoir une mission à deux satellites plus légers. Heureusement; à cette époque; le centre Lewis travaille sur une version de l'étage Centaur pouvant être embarquée dans la soute de la navette spatiale américaine. Le Centaur, qui utilise un mélange oxygène/hydrogène performant mais délicat à stocker, fournit une puissance de 50% supérieure à la combinaison d'étages IUS qui permet à la sonde de se passer de l'assistance gravitationnelle et d'opter pour une trajectoire directe vers Jupiter. Les dirigeants de la NASA décident d'abandonner les versions multi étages de l'IUS et de développer la version de l'étage Centaur adaptée à la navette spatiale. Le lancement de la sonde est repoussé d'un an, en 1985, pour tenir compte de la date de mise à disposition de la nouvelle version de l'étage Centaur[3].

Au début des années 1980 le projet Galileo se trouve confronté à la fois à des problèmes techniques et au programme d'austérité budgétaire de le la nouvelle administration du président Ronald Reagan qui vise notamment la NASA[4].

Le lancement de Galileo, d'un poids au départ de plus de 2,2 tonnes, est retardé de manière importante suite au gel des vols de navettes après l'accident de Challenger. De nouveaux protocoles de sécurité imposèrent à Galileo d'utiliser un étage de propulsion supérieur de faible puissance, ce qui obligea la sonde à utiliser de plus nombreuses accélérations gravitationnelles (en passant près de Vénus et la Terre) pour obtenir une vitesse suffisante afin d'atteindre Jupiter.

Lancement et transit vers Jupiter (1989-1995)

Galileo est lancée le 18 octobre 1989 par la navette spatiale américaine Atlantis. Après un voyage de 6 ans, au cours duquel elle a recours à l'assistance gravitationnelle de la Terre à deux reprises et à celle de Vénus, la sonde se place en orbite autour de Jupiter le 7 décembre 1996. Elle circule sur une orbite de 2 mois qu'elle parcourt à 35 reprises au cours de la phase scientifique de la mission et qui s'achève après plusieurs prolongations en 2003. Au cours de son voyage vers Jupiter, Galileo effectue un survol rapproché des astéroïdes (951) Gaspra et (243) Ida, et découvrit une lune de Ida, Dactyl[5],[6].

Lancement

Le survol des planètes intérieures

Galileo privée d'antenne grand gain

Reconstitution de l'antenne semi-déployée

En avril 1991, l'équipe au sol décide de déployer l'antenne grand gain de 4,8 mètres de diamètre : celle-ci avait été jusque là maintenue repliée derrière un pare soleil pour éviter qu'elle ne soit endommagée par la chaleur durant la partie du trajet proche du Soleil. Le 11 avril, la commande d'ouverture est envoyée mais la sonde ne renvoie pas le message confirmant que son antenne s'est déployée correctement. La situation met la mission en péril car, sans cette antenne, l'envoi des données doit passer par l'antenne à faible gain dont le débit est de 10 à 40 bits par seconde au lieu des 134 000 bits que permet l'antenne principale. Après avoir exploré différentes pistes, l'équipe de la mission sur Terre conclut, en utilisant différents indices, que trois des baleines qui forment l'armature de la partie déployable de l'antenne sont restées bloquées par leurs chevilles en titane placées à mi-longueur. Celles-ci verrouillent chaque baleine en position repliée mais sont censées coulisser dans leur logement lors du déploiement de l'antenne. Selon la reconstitution effectuée sur Terre les chevilles défectueuses se seraient à fois déformées et auraient perdu en partie les couches de revêtement protecteur qui empêchent les métaux de se souder à froid dans le vide et consistant en une couche de céramique anodisée et une couche de sulfure de molybdène. La déformation des chevilles se serait produite au cours de la préparation de la sonde tandis que la perte des revêtements protecteurs résulterait des secousses survenues au cours des quatre voyages effectués par la sonde en camion. Les vibrations subies lors du lancement de la sonde depuis la navette spatiale par les étages à propergol solide auraient aggravé le problème. L'aspect de l'antenne est reconstitué : celle-ci est partiellement ouverte mais de manière asymétrique du fait des baleines restées bloquées[7].

L'équipe qui a effectué des tests sur une copie de l'antenne et de ses composants pour reconstituer l'origine de l'anomalie tente par le même moyen d'identifier des stratégies permettant de déployer l'antenne. Celles-ci sont mises en application entre mai 1991 et janvier 1993[8] :

  • l'antenne est repliée avant d'être redéployée ;
  • durant plusieurs mois l'antenne est successivement exposée au Soleil puis placée à l'ombre pour que les chevilles se décollent sous l'effet de la succession de dilatations et de contractions suscitées par ces changements de température ;
  • les deux moteurs électriques utilisés pour le déploiement sont actionnés par brefs à coups pour obtenir, par résonance, un couple de forces de 40 % plus important que la puissance d'origine ;
  • La sonde est mise en rotation rapide à 10 tours par minute.

Toutes ces tentatives échouent et il faut s'accommoder des faibles débits de l'antenne à bas gain en tentant de les optimiser. Plusieurs solutions sont mises en œuvre. De nouveaux algorithmes de compression de données avec et sans perte sont développés pour limiter la quantité de données à transférer : ces méthodes dans certains cas permettent de diviser par 80 la quantité de données à transférer pour une image. Par ailleurs les caractéristiques du réseau de réception à Terre sont améliorées : les trois antennes paraboliques de Canberra (une de 70 mètres de diamètre et deux de 34 mètres), l'antenne de l'observatoire de Parkes et celle de Goldstone sont modifiées de manière à pouvoir recevoir simultanément les signaux de la sonde ce qui permet un accroissement substantiel du débit. Toutes ces modifications permettront globalement à la mission de Galileo d'atteindre 70 % de ses objectifs scientifiques : 80 % des données attendues dans le cadre des études atmosphériques, 60 % des données relatives au champ magnétique, 70 % des données sur les lunes de Jupiter peuvent être récupérées[9].

Déroulement de la mission scientifique (1995-2003)

Avant de se placer en orbite autour de Jupiter, Galileo largue une sonde atmosphérique qui s'enfonça dans l'atmosphère de Jupiter. La sonde subit une brutale décélération en passant d'une vitesse de 47 km/s à une vitesse subsonique puis poursuit son périple à vitesse réduite suspendue à un parachute. Sa plongée d'une durée de 57 minutes lui permet de recueillir des données sur la composition élémentaire de l'atmosphère de Jupiter. Elle est finalement écrasée puis sublimée lorsque la pression atteint 100 bars et la température 460 °C alors que la sonde ne s'est enfoncée que de 200 km.

La phase scientifique de la mission de Galileo a une durée planifiée initiale de 2 ans. Galileo se place sur une orbite allongée d'une période de deux mois, qui lui permet d'étudier les différentes parties de la magnétosphère à une distance variable de la planète. Cette orbite est calculée pour permettre le survol des plus gros satellites de Jupiter. La mission est prolongée le 7 décembre 1997. La sonde fit alors une série de survols rapprochés de Europe et de Io, deux satellites de la planète.

En 1994, Galileo observe en direct la collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter. La sonde est volontairement désorbitée et se désintègre dans l'atmosphère de Jupiter le 21 septembre 2003 afin d'éviter le risque d'une contamination d'Europe par des bactéries terrestres.

Caractéristiques techniques

La sonde Galileo est composée d'un orbiteur et d'une sonde atmosphérique larguée avant l'arrivée de la sonde sur Jupiter et qui est chargée de pénétrer dans l'atmosphère de Jupiter pour analyser sa composition chimique et déterminer ses caractéristiques. L'orbiteur est long de 6,2 mètres et a une masse de 2 223 kg dont 118 kg d'instrumentation scientifique et 925 kg d'ergols. La sonde atmosphérique a une masse de 339 kg : elle comprend un module de rentrée chargé de protéger la sonde de l'échauffement thermique durant sa décélération dans l'atmosphère et un module de descente, encapsulé dans le module de rentrée, d'une masse de 121 kg et emportant 30 kg d'instrumentation scientifique.

L'orbiteur

Structure

Énergie

Télécommunications

Équipements scientifiques

L'orbiteur comprend 9 instruments scientifiques dont 5 installés sur la partie non rotative de la sonde[10] :

  • Un détecteur de poussières chargé de collecter et d'analyser les poussières durant le trajet Terre-Jupiter et dans le système jupitérien. Cet instrument est fourni par l'Allemagne et est basé sur un instrument ayant volé sur le satellite HEOS 2 de l'Agence spatiale européenne.
  • Un détecteur de particules énergétiques
  • Un magnétomètre
  • Deux détecteurs de plasma
  • Une expérience de radio-science

Sur la plateforme stabilisée se trouvent:

  • Un spectromètre imageur en proche infrarouge
  • Un photopolarimètre
  • Un spectromètre ultraviolet
  • Une caméra en lumière visible utilisant pour la première fois[N 3] sur un engin spatial un CCD (800x800 pixels) qui remplaçait avantageusement les vidicons beaucoup plus gourmands en énergie et fournissant des images parfois déformées ou en partie surexposées. Le senseur est placé au bout d'un télescope Cassegrain de 176 mm de diamètre et 150 cm de longueur focale.

La sonde atmosphérique

Le module de rentrée de la sonde atmosphérique
Le module de descente de la sonde atmosphérique

La sonde atmosphérique comporte un module de rentrée et un module de descente. Lorsqu'elle pénètre dans l'atmosphère de Jupiter la sonde se déplace à une vitesse de 57 km par seconde : à cette vitesse la friction de l'atmosphère entraîne un violent échauffement qui porte la température de l'avant de la sonde à plusieurs milliers de degré. Pour protéger la charge utile, celle-ci est encapsulée dans un module de rentrée.

Le module de rentrée

Le module de rentrée est constitué de deux boucliers emboités l'un dans l'autre. Le bouclier avant en forme de cône arrondi, qui subit la plus forte agression thermique, est recouvert d'un isolant thermique ablatif constitué de carbone phénolique d'une épaisseur allant de 14,6 au centre à 5,4 cm à la périphérie. Le bouclier arrière est une structure de forme sphérique en résine. Le module de rentrée perd plus de 80 kg de la masse de son bouclier thermique durant la rentrée atmosphérique. Au bout d'environ deux minutes de décélération durant laquelle la sonde subit environ 250 g, la vitesse est tombée à environ 0,5 km par seconde, un parachute de 2,4 mètres en dacron chargé de ralentir le module de descente se déploie et les deux demi-coques du module de rentrée sont larguées.

Le module de descente

La sonde atmosphérique emporte 6 instruments scientifiques :

  • Un spectromètre de masse neutre chargé d'analyser la composition chimique et isotopique à différentes profondeurs de l'atmosphère de Jupiter
  • Une station de mesure atmosphérique chargée de mesurer la température, la pression, la densité et le poids moléculaire moyen à différentes altitudes
  • Un néphélomètre qui détermine la taille, la forme et la densité des gouttelettes dans les nuages en utilisant un laser infrarouge
  • Un radiomètre chargé d'établir le bilan radiatif à différentes altitudes
  • Un détecteur d'émissions radio et d'éclairs
  • Un détecteur de particules énergétiques

L'équipement radio qui transmet les données scientifiques à l'orbiteur est redondant pour prévenir une panne. Il est également utilisé pour mesurer la vitesse du vent et l'absorption atmosphérique. L'énergie est fournie par une batterie de trois batteries de 13 éléments Lithium-Dioxyde de soufre dotées d'une capacité suffisante pour alimenter la sonde jusqu'à son écrasement final.

Les quatre lunes galiléennes photographiées par Galileo

Résultats scientifiques

La découverte la plus spectaculaire de Galileo est l'existence d'un océan salé sous la croute de glace qui recouvre la lune Europe. Cet océan pourrait abriter des formes simples de vie. Les instruments de Galileo déterminent que l'hélium représente 24 % de l'atmosphère de Jupiter : cette proportion est très proche de celle du Soleil (25 %) ce qui fait de la planète un corps céleste d'une nature intermédiaire entre planète et étoile. La sonde atmosphérique lancée vers l'intérieur de la planète révèle une proportion d'eau anormalement faible dans l'atmosphère de Jupiter en contradiction avec ce que les théories sur la formation de Jupiter et du système solaire prévoient. La vitesse des vents qui soufflent à la surface de la planète géante est mesurée : ceux ci peuvent atteindre jusqu'à 720 km/h et les instruments de la sonde indiquent que leur vitesse ne s'atténue pas lorsqu'on s'enfonce dans la couche nuageuse. L'activité de la ceinture de radiations qui entoure Jupiter se révèle beaucoup plus forte que prévu. Les données sur le champ magnétique entourant Jupiter permettent de supposer que Ganymède le plus gros satellite de Jupiter possède un champ magnétique créé par une dynamo interne similaire à celle de la Terre. C'est la première fois qu'on découvre un champ magnétique sur un satellite naturel. Galileo photographie la collision de la comète Shoemaker-Levy avec la planète Jupiter. La sonde a plusieurs premières à son actif. C'est la première sonde qui réussit un survol à faible distance d'un astéroïde (Gaspra) et la première sonde à se placer en orbite autour d'une planète extérieure et autour de Jupiter. C'est également la première sonde spatiale lancée depuis la navette spatiale américaine. Durant son transit vers Jupiter, la sonde traverse la tempête de poussières interplanétaires la plus intense jamais observée. Lors de son survol de la Terre, les instruments de Galileo permettent de détecter un immense bassin sur la face cachée de la Lune qui n'avait jusque là pas été observé[11].

Galerie

Notes et références

Notes

  1. Ces calculs reposaient sur une cadence de lancement de quelques dizaines de vols par an avec un entretien minimal au sol entre deux vols ; ces deux conditions ne seront jamais remplies.
  2. La navette spatiale ne peut que placer un objet sur une orbite à quelques centaines de kilomètres d'altitude.
  3. Le projet Galiléo prendra tellement de retard que plusieurs vaisseaux spatiaux, notamment la sonde européenne Giotto et les sondes soviétiques Vega, auront déjà mis en œuvre des CCD lorsque Galileo sera lancé.

Références

Sources

  • NASA
  • (en) Michael Meltzer (NASA), Mission to Jupiter: a History of the Galileo Project, 2007 [lire en ligne] 
    Histoire du programme Galileo
  • Autres
  • (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 2 Hiatus and Renewal 1983-1996, Springer Praxis, 2009 (ISBN 978-0-387-78904-0) 
    Histoire des missions interplanétaires de 1982 à 1996
  • (en) Daniel Fischer, Mission Jupiter : The Spectacular Journey of the Galileo Spacecraft, Springer, 2001 (ISBN 978-0387987644) 
    Ouvrage rédigé par un allemand sur l'histoire du programme Galileo et publié avant la fin de la mission

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


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