Hayabusa (sonde spatiale) - Définition
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Développement et lancement (1995-2003)
Entre 1987 et 1994, des groupes de travail réunissant des spécialistes de l'ISAS (ancienne agence spatiale japonaise à vocation scientifique absorbée par la suite par la JAXA) et de la NASA étudient différentes missions dont un projet de rendez-vous avec un astéroïde qui deviendra la mission NEAR Shoemaker et un projet de retour d'échantillon de comète qui deviendra la mission Stardust. En 1995 l'ISAS choisit de financer une mission de retour d'échantillon d'un astéroïde. La NASA qui doit initialement participer au projet, y renonce pour des raisons financières. La sonde spatiale japonaise doit initialement être lancée en juillet 2002 vers l'astéroïde (4660) Nérée mais une défaillance du lanceur M-V au cours d'un lancement en juillet 2000 entraine le report du tir. L'objectif initial désormais hors de portée, il est remplacé par l'astéroïde 1998 SF36 qui est rebaptisé à cette occasion du nom d'un pionnier de l'astronautique japonaise Hideo Itokawa. Après un dernier report de quelques mois pour des raisons techniques, le lancement est finalement planifié pour mai 2003. Le coût de la sonde Hayabusa est estimé à 12 milliards de yens (environ 120 millions d'euros).
Les caractéristiques techniques de Hayabusa
La sonde Hayabusa a la forme d'un parallélépipède rectangle long et large de 1,5 mètres et haut de 1,05 mètres. La sonde japonaise qui pèse au lancement 530 kg emporte 50 kg carburant utilisé par ses moteurs chimique et 65 kg de xénon utilisé par les moteurs ioniques. Il est stabilisé sur 3 axes. Deux panneaux solaires (SCP) constitués de cellules solaires en arséniure de gallium et d'une superficie totale de 12 mètres carrés, se déploient de chaque côté de la sonde et fournissent 2,6 kW lorsque la sonde se trouve à une unité astronomique du Soleil : l'électricité produite, primordiale pour la propulsion ionique, est stockée dans des batteries rechargeables de type nickel-métal hybride (Ni-Mh) d'une capacité de 15 Ampères-heures. Une antenne parabolique à haut gain (HGA) de 1,5 mètres de diamètre occupe une des faces du satellite. Elle assure les communications en bande X avec la Terre : la puissance est de 20 Watts et le débit de 8 ko/s; elle est assistée par deux autres antennes à faible gain fixées sur d'autres faces de l'engin et fonctionnant en bande X. Les panneaux solaires comme les antennes sont fixes. Sur la face opposée à l'antenne principale, un cornet long d'un mètre et comportant à sa partie inférieure une ouverture de 40 centimètres de diamètre doit permettre la récupération des échantillons du sol de l'astéroïde.
La propulsion
Hayabusa est dotée de deux systèmes de propulsion :
- Pour les manœuvres orbitales ou de changement d'orientation qui nécessitent d'être exécutées rapidement, la sonde est dotée de 12 petits moteurs-fusée chimiques (RCS) fournissant individuellement 22 N de poussée (2,2 kg). Les moteurs-fusée utilisent du peroxyde d'azote et de l'hydrazine qui constituent des ergols hypergoliques habituels pour des missions de longue durée. Les tuyères sont réparties sur les angles du parallélépipède pour pouvoir réaliser avec efficacité tous les types de correction. L'impulsion spécifique est de 290 secondes.
- La propulsion principale de la sonde est assurée par quatre moteurs ioniques µ10 japonais (IES) éjectant du xénon et dont le développement a débuté il y a 15 ans. Ils sont utilisés durant les phases de croisière qui ne nécessitent pas de fortes accélérations. Sur ce type de moteur, le xénon est ionisé par induction HF, puis les ions sont accélérés dans un champ électrique puissant créé grâce à l'énergie fournie par les panneaux solaires. Les ions sont éjectés à travers des tuyères regroupées sur la même face de la sonde spatiale. La poussée maximale d'un moteur est de 4,8 milliNewton (soit 0,48 grammes) et utilise une énergie électrique de 1 kW. La poussée est très faible mais le rendement est nettement plus élevé que celui d'un moteur-fusée chimique grâce à la grande vitesse d'éjection permettant de limiter l'emport de carburant : l'impulsion spécifique est de 3 200 secondes un rendement soit 11 fois plus élevé que celui des propulseurs chimiques également utilisés par la sonde. Ce type de moteur fonctionne sur de longues durées ce qui permet d'obtenir des accélérations significatives. Un moteur ionique comporte trois composants : la source d'ions, la partie accélératrice et le système de neutralisation. Les moteurs de Hayabusa sont conçus de manière à pouvoir combiner le système de neutralisation d'un moteur avec la source d'ions d'un autre moteur pour faire face à la panne de l'un de ces deux composants. La mission peut être accomplie avec seulement deux moteurs opérationnels.
Les instruments scientifiques
Outre le système de prélèvement d'échantillons, plusieurs instruments scientifiques équipent la sonde dont certains sont utilisés pour la navigation.
| Équipement | Description |
|---|---|
| Asteroid Multiband Imaging CAmera (AMICA) | Cette caméra dotée d'un objectif télescopique avec un angle de vision de 5,7° a un usage mixte (appelée ONC-T pour la navigation) : sur le plan scientifique il est utilisé pour faire de l'imagerie ainsi que des mesures de polarimétrie (4 polariseurs) et de spectroscopie (7 filtres passe-bande). |
| X-Ray Fluorescence Spectrometer (XRS) | Ce spectromètre a été conçu pour étudier les rayons X émis par l'astéroïde. Il permettra d'en identifier les constituants chimiques principaux. Avec son angle de vision de 3,5° sa résolution va de 160 eV à 5,9 keV. |
| Near-IR Spectrometer (NIRS) | Cet appareil fonctionne dans le proche infrarouge (longueurs d'onde de 800 à 2 500 nm). Il peut détecter les différents matériaux qui composent la surface de l'astéroïde. Avec son angle de vision de 0,1° la résolution obtenue est comprise entre 6 et 90 mètres par pixel. |
Les manœuvres à proximité de l'astéroïde nécessitent d'avoir recours à plusieurs instruments combinant optique et ondes radio :
| Équipement | Description |
|---|---|
| Optical Navigation Camera (ONC) et Light Detection And Ranging (LIDAR) | Cet équipement a un usage mixte : pour la navigation, lors du processus d'approche de l'astéroïde, il permet de calculer une position relative à un astéroïde (ou à un corps céleste en général) en utilisant la détection et la télémétrie par la lumière avec l'altimètre laser LIDAR qui permet une précision d'un mètre à une distance de 50 mètres. |
| Fan Beam Sensor (FBS) | Ce capteur de faisceau électromagnétique permet de détecter la présence d'obstacles sur le site d'atterrissage de la sonde. |
| Laser Range Finder (LRF) | Durant la descente vers l'astéroïde, quatre faisceaux laser sont émis de manière légèrement oblique depuis la face tournée vers le sol. Ils permettent à la sonde de vérifier que son orientation est correcte et que le cornet utilisé pour la collecte est correctement orienté c'est à dire perpendiculaire par rapport au sol. |
| Star Tracker (STT) | Cet instrument permet de déterminer avec précision l'orientation de la sonde dans l'espace, en observant et en identifiant la position des étoiles. Il permet de maintenir notamment le pointage de l'antenne de télécommunications vers la Terre. Il est composé de deux parties : une partie optique située au sommet de l'antenne parabolique et un calculateur. |
La procédure d'atterrissage et de récupération d'échantillon
Pour atterrir sur l'astéroïde, la sonde doit faire face à de nombreuses contraintes :
- L'astéroïde Itokawa, du fait de sa petite taille, a une gravité très faible. Il s'agit donc moins de réaliser une manœuvre d'atterrissage qu'une opération de rendez-vous spatial avec un objet en déplacement constant et aux formes irrégulières. Du fait de l'extrême faiblesse de la gravité, aucune force ne peut être exercée sur le sol par un instrument, tel qu'une foreuse, sans engendrer en retour une force qui ferait décoller la sonde.
- La nature du sol n'est pas connue au moment de la construction de la sonde : la technique mise en œuvre pour l'atterrissage a du être développée sans savoir si sa surface est faite de roche dure ou de poussière molle.
- L'orientation de la sonde doit satisfaire deux contraintes. Les panneaux solaires de la sonde sont fixes et l'incidence du Soleil sur les panneaux ne doit pas être inférieure à 60° pour fournir suffisamment d'énergie. Mais par ailleurs le système de prélèvement retenu nécessite que les panneaux solaires soient parallèles au sol au moment de l'atterrissage.
- Le terrain d'atterrissage ne doit pas comporter d'obstacles d'une hauteur supérieure à 50 cm sous peine d'endommager les panneaux solaires.
- Malgré les reconnaissances effectuées auparavant, le relief et la topologie du terrain ne sont pas connus de manière détaillée avant la descente.
- Le pilotage de l'atterrissage ne peut se faire depuis la Terre car le temps de communication aller-retour est de 32 minutes et le débit est relativement faible (8 ko/s). La sonde doit pouvoir prendre des décisions de manière autonome en fonction de toutes les contraintes énumérées.
Le déroulement de l'atterrissage est piloté par des logiciels de guidage et de navigation complexes et plusieurs instruments fournissent des indications sur la position de la sonde par rapport au sol. La descente se déroule en trois étapes :
- Le site d'atterrissage a été déterminé à l'avance. La phase de descente débute à 3 ou 4 km au-dessus de l'astéroïde. La sonde doit descendre en se maintenant sur un axe proche de la droite qui joint le Soleil et l'astéroïde pour que les panneaux solaires soient éclairés suffisamment. Durant cette phase la sonde utilise pour sa navigation des points remarquables identifiés auparavant à la surface de l'astéroïde. La trajectoire doit prendre en compte la lente rotation du petit corps céleste qui tourne sur lui-même en un peu plus de 12 heures. Arrivé à 500 mètres d'altitude la décision de continuer est prise à partir de l'image obtenue depuis cette position.
- La phase de descente finale commence à 400 mètres. La vitesse de descente est réduite à 0,1 mètre par seconde. La sonde doit parvenir à se synchroniser durant cette phase avec la rotation de l'astéroïde de manière à rester en permanence au-dessus du site d'atterrissage retenu. A 30 mètres d'altitude un marqueur d'objectif sphérique est largué : quand il sera au sol il doit servir de repère fixe à la sonde pour stabiliser sa vitesse horizontale. Pour que le marqueur d'objectif ne rebondisse pas sur le sol il est constitué d'une enveloppe rigide dans laquelle se trouve de nombreuses petites billes qui absorbent l'énergie dégagée par la collision avec le sol. Lorsque le marqueur est parvenu jusqu'au sol, il est recherché par le télescope qui utilise des flashs pour l'identifier grâce à la surface réfléchissante qui le recouvre.
- La phase d'atterrissage commence à 17 mètres d'altitude. La sonde doit maintenant descendre en maintenant sa face tournée vers le sol parallèle à celui-ci. Pour cela elle utilise les quatre faisceaux laser LRF qui lui permettent de mesurer sa distance par rapport à quatre points au sol et à modifier son orientation pour être parallèle à ce plan (virtuel) ainsi défini. Dans cette phase l'instrument FBS signale à la sonde la présence de tout obstacle latéral. La fin de la descente se fait en chute libre, à une vitesse de quelques centimètres par seconde, sous la seule influence de la gravité de l'astéroïde qui est de l'ordre de 1/100 000 de celle de la Terre. Lorsque le cornet utilisé pour le prélèvement entre en contact avec le sol, un projectile de 10 grammes est tiré à travers son ouverture à une vitesse de 300 m/s. L'impact sur la surface provoque l'éjection de fragments et de poussières qui sont collectés par le cornet puis transférés dans une capsule. Les scientifiques espèrent récupérer par cette méthode quelques grammes du sol, en provenance de trois sites de prélèvement différents. Le temps de contact sur l'astéroïde est d'environ une seconde par prélèvement. La sonde reprend de l'altitude immédiatement après. Cette méthode de prélèvement d'échantillons est à l'origine du surnom donné à la sonde : en effet, un faucon (Hayabusa) plonge sur sa proie, l'attrape dans ses serres et reprend son envol sans atterrir.
Le mini atterrisseur Minerva
Il était prévu initialement que la NASA fournisse un petit rover qui devait être déposé sur l'astéroïde afin d'en étudier la surface. Ce projet a cependant été annulé à la suite de restrictions du budget spatial américain. Un autre micro-robot appelé Minerva (acronyme de MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid) a été développé par la JAXA, pour être lâché sur l'astéroïde afin d'en étudier la surface.
Il se présente sous la forme d'un hexadécagone (un polygone à 16 côtés) de 120 millimètres de diamètre pour 100 mm de haut pour une masse de seulement 591 grammes. Son alimentation électrique est assurée par plusieurs petits panneaux solaires qui couvrent sa surface. Toutes les opérations effectuées sur Itokawa doivent tenir compte de la gravité extrêmement faible régnant autour de celui-ci. Comme se mouvoir sur des roues à la surface d'un corps nécessite un minimum de gravité, un autre mode de déplacement a dû être développé. Le robot était conçu pour se déplacer en bondissant, avec une vitesse maximale de 9 cm/s. Minerva doit calculer chaque bond avec précision pour éviter, soit de « flotter » au-dessus du sol d'Itokawa, soit de se mettre en orbite autour de celui-ci.
Minerva est équipé de 3 caméras CCD, dont deux sont utilisées ensemble pour générer une représentation tridimensionnelle de la surface d'Itokawa. La mise au point se fait à une distance comprise entre 10 et 50 cm. La troisième caméra permet d'obtenir des images de cibles plus éloignées. Minerva embarque également six capteurs thermiques. La sonde Hayabusa sert de relais vers la Terre pour la transmission des données recueillies par Minerva.
