Hayabusa (sonde spatiale) - Définition

Résultats de la mission

Résultats scientifiques

Les mesures effectuées depuis le sol avaient permis de connaître avec précision certaines des caractéristiques d'Itokawa. Les données transmises par la sonde ont permis de préciser ses dimensions (535x294x209 mètres), sa période de rotation avec une décimale supplémentaire (13,1324 heures) et l'orientation de son axe de rotation qui est pratiquement perpendiculaire à l'écliptique. Les mesures effectuées avec les spectromètres ont montré que les matériaux en surface ont une composition identique à ceux d'une chondrite dont la densité est normalement d'environ 3,2 grammes/cm³. La densité mesurée par la sonde spatiale est de 1,9 g/cm³ ce qui indique une porosité de 40% : l'astéroïde comprend donc de grandes lacunes. L'explication proposée par les scientifiques japonais est que Itokawa est un empilement de corps plus petits résultant par exemple de l'éclatement d'un astéroïde de grande taille à la suite d'une collision.

Les photos prises par la sonde en septembre 2005 avec une résolution inférieure à 1 mètre montrent un objet de forme patatoïde, qui résulte sans doute du rapprochement entre deux astéroïdes de plus petite taille auxquels les scientifiques japonais ont donné l'appellation de tête et de corps. La surface de l'astéroïde comprend deux types de terrain. Des zones à la topographie tourmentée du fait de la présence de nombreux débris rocheux atteignant une taille maximale de 50 mètres et des régions au relief adouci composées essentiellement de plaines de régolithe. Le modèle tridimensionnel de l'astéroïde développé à partir des mesures effectuées montrent que le potentiel de gravité est à son maximum aux extrémités de l'astéroïde et au minimum à la jonction entre la tête et le corps. Or les régions de potentiel minimum sont fortement corrélées avec la présence de régolithe, ce qui suggère que celui-ci s'est accumulé à ces endroits dans le cadre de mouvements sismiques générés par les impacts sur l'astéroïde.

Contrairement aux astéroïdes observées par les autres sondes spatiales, comme (433) Éros et (243) Ida, la surface est pratiquement dépourvue de cratères. Il s'agit sans doute d'une caractéristique liée à la très petite taille de l'astéroïde mais les mécanismes physiques en jeu ne sont pas identifiés.

Résultats techniques

Dans l'ensemble les systèmes expérimentés par la sonde se sont comportés de manière conforme aux attentes. Cependant certains composants des moteurs ioniques ont connu des défaillances et des modifications sont dès à présent prévues pour les prochaines missions. Pour pallier la panne des roues de réaction, dont l'origine n'est pas connue, une roue de secours sera prévue sur les futures sondes spatiales. Enfin le système de guidage et de navigation à proximité de l'astéroïde fait l'objet d'investigations qui n'étaient pas achevées début 2010.

Déroulement de la mission

La sonde Hayabusa est lancée le 9 mai 2003 par une fusée M-V à propergols solides tirée depuis le Centre spatial de Kagoshima près d'Uchinoura au Japon. Comme il est de tradition dans l'astronautique japonaise, la sonde, qui portait jusque-là l'appellation MUSES-C est suite à son lancement réussi rebaptisée Hayabusa c'est-à-dire faucon pélerin.

En route vers l'astéroïde Itokawa (2003-2005)

Le nouvel objectif choisi après le report du lancement nécessite plus de puissance pour être atteint. Le lanceur M-V ne disposant d'aucune marge de puissance, l'équipe de la JAXA choisit de faire parcourir une orbite autour du Soleil par la sonde au cours de laquelle Hayabusa acquiert de la vitesse grâce à ses moteurs ioniques puis d'utiliser la Terre comme « tremplin » pour parvenir au rendez-vous avec l'astéroïde

Un premier essai des moteurs ioniques est effectué : ceux-ci sont utilisés sans interruption entre le 27 mai et mi-juin 2003. Fin 2003, une tempête solaire endommage les panneaux solaires. La perte de puissance électrique disponible réduit la poussée maximale des moteurs ioniques ce qui entraine un report du rendez-vous avec l'astéroïde de plusieurs mois. L'arrivée doit désormais avoir lieu en septembre 2005 alors que le retour vers la Terre est planifié, pour des raisons de mécanique spatiale, en novembre 2005.

Alors que la sonde est sur le point d'achever sa première orbite autour du Soleil, ses moteurs ioniques lui on permis d'accélérer de 700 m/s en consommant 10 kg de xénon. Le 19 mai 2004, la sonde survole la Terre à une altitude de 3 725 km pour une manœuvre d'assistance gravitationnelle qui la place sur une nouvelle orbite elliptique la menant vers son rendez-vous avec Itokawa tout en lui procurant un gain de vitesse de 4 km/s dans le référentiel héliocentrique. Lors de son passage à proximité de la Terre, Hayabusa teste son système de navigation optique (ONC et LIDAR) qui doit lui permettre de calculer sa position relative par rapport à un corps céleste.

Jusqu'à son arrivée à proximité de l'astéroïde les moteurs ioniques sont utilisés en permanence avec des interruptions de 3 jours par mois destinées à recalculer sa position. Les moteurs chimiques sont sollicités lorsqu'il faut effectuer des corrections rapides c'est à dire au moment du survol de la Terre et à l'approche de l'astéroïde. Le nombre de moteurs ioniques utilisé est adapté à la distance du Soleil qui fixe la puissance électrique disponible. En décembre 2004 alors que Hayabusa atteint le point de son orbite le plus éloigné du Soleil (1,7 UA), seul un moteur fonctionne. Le 31 juillet 2004, une des trois roues de réaction qui maintient l'orientation de la sonde tombe en panne.

Approche et étude à distance (septembre 2005-octobre 2005)

La sonde atteint son objectif le 12 septembre 2005 en ayant consommé en tout 22 kg de xénon qui lui ont permis de gagner 1 400 m/s depuis son départ. Le temps de fonctionnement cumulé des quatre moteurs ioniques est alors de 25 800 heures. Une fois sur place, Hayabusa se place sur une orbite héliocentrique en restant à proximité de l'astéroïde. Hayabusa se maintient d'abord à 20 km de l'astéroïde (Gate position) ce qui lui permet d'effectuer de nombreuses observations scientifiques dont des mesures du champ gravitationnel et les relevés topographiques. Ces informations, qui remplissent des objectifs scientifiques, vont également être utilisées pour repérer les sites permettant d'effectuer les prélèvements d'échantillons. Le 15 septembre, la JAXA publie une première photo en couleur de l'astéroïde.

Début octobre, la sonde se place à une distance de 7 km (Home position) pour effectuer des observations à distance rapprochée, notamment la sélection des sites d'atterrissage. Le 2 octobre, la sonde perd une deuxième roue de réaction, l'obligeant à utiliser ses propulseurs chimiques pour contrôler son orientation. Cette défaillance entraine la réduction du nombre de tentatives de prélèvements d'échantillon de 3 à 2, pour limiter la consommation des carburants des propulseurs chimiques. Cependant, selon la JAXA la phase de cartographie n'est pas touchée par cette défaillance car elle est pratiquement achevée au moment de la panne.

Le 3 novembre, la sonde se rapproche à 3 km pour effectuer ses tentatives de descente sur le sol d'Itokawa. En raison de la distance entre l'astéroïde et la Terre, il est impossible pour les contrôleurs de la mission de piloter la sonde en temps réel. Ils peuvent cependant ordonner de suspendre la descente en cas de détection d'une anomalie. C'est ce qui se produit au cours de la tentative du 4 novembre, à la suite de la détection d'une erreur dans le système de navigation optique de la sonde alors que Hayabusa se trouve à environ 1 km de la surface. La JAXA préfère annuler la descente pour éviter de mettre en péril la sonde. L'équipe en charge de la mission Hayabusa relativise la gravité de la défaillance, qui est due selon elle, à la complexité de la surface d'Itokawa.

Échec de l'envoi de Minerva (novembre 2005)

Le 9 novembre, la sonde descend jusqu'à 70 m de la surface pour tester l'altimètre laser et le système de navigation à proximité de la surface. Après avoir repris de l'altitude puis être redescendue à une altitude de 500 m, Hayabusa largue dans l'espace un réflecteur utilisé pour l'atterrissage. Les opérations de repérage de la cible menées permettent de vérifier la capacité de la sonde à la détecter. À partir des images prises à courte distance de la surface, un des deux sites présélectionnés est éliminé : il est prévu que la sonde se pose dans le lieu baptisé Mer Muses.

Le 12 novembre, Hayabusa effectue une nouvelle répétition générale de sa descente. La sonde doit descendre d'une altitude de 1,3 km jusqu'à 55 m du sol à une vitesse de 3 cm/s avant de remonter. L'atterrisseur Minerva doit être largué à la fin de la phase de la descente pour poursuivre la descente sur la lancée jusqu'au sol. Cette fois-ci tous les paramètres sont corrects mais le largage du micro-robot Minerva a lieu alors que la sonde a déjà entamé sa trajectoire de remontée. Ce dernier est probablement parti à la dérive dans l'espace. Malgré cette perte, la répétition de la descente s'est déroulée correctement et les tentatives de prélèvement d'échantillons sont planifiées pour les 19 et 25 novembre.

Atterrissage non contrôlé d'Hayabusa

Le 19 novembre, la première tentative de prélèvement d'échantillons a lieu. À environ 40 m au-dessus de l'astéroïde, un réflecteur de 10 cm de diamètre est envoyé sur le sol d'Itokawa puis la vitesse de la sonde est réduite de 12 cm/s à 3 cm/s pour permettre au réflecteur, qui va servir à estimer la vitesse de la sonde par rapport au sol, de se poser avant la sonde. À environ 17 m d'altitude, alors que la sonde a annulé sa vitesse et est entrainée par la seule gravité de l'astéroïde, les communications sont interrompues car l'antenne à haut gain n'est plus alignée vers la Terre à cause d'un changement d'orientation d'Hayabusa qui a voulu éviter un obstacle détecté par un capteur. Au même moment s'effectue sur Terre le changement de station de réception qui passe de Goldstone (en Californie) à Usuda au Japon, entrainant la perte des données transmises par la sonde. La sonde continue néanmoins à descendre lentement, pour finalement toucher le sol d'Itokawa à 20h40 TU, à une vitesse de 10 cm/s avant de rebondir une première fois et de reprendre contact avec le sol à 21h10 puis à 21h30 TU, où elle se stabilise à 30 m du réflecteur.

La sonde n'a pu effectuer son prélèvement, il semble qu'elle se soit posée de travers sur la tranche des panneaux solaires. Après un séjour d'environ 30 minutes sur le sol d'Itokawa, elle reçoit un signal commandant l'interruption de la mission qui avait été transmis par le centre de contrôle de la JAXA lors de la perte de communication. La sonde s'écarte alors de l'astéroïde, puis stationne à environ 100 km d'Itokawa.

Seconde tentative de prélèvement

Le repère étant en place, une nouvelle tentative de prélèvement est effectuée comme prévu le 25 novembre. À 20h10 TU, la sonde interrompt ses communications pour effectuer une modification de son orientation pour préparer son contact avec le sol. À 20h16 TU, la communication reprend et à 20h20 TU la sonde indique qu'elle est en train de remonter. L'analyse de la télémétrie semble indiquer qu'elle a effectué un prélèvement et que deux projectiles ont été tirés. La sonde a l'air en bon état, mis à part certains de ses propulseurs, qui ne semblent pas fonctionner correctement. L'équipe d'Hayabusa effectue des tests pour identifier le problème, qui pourrait avoir pour origine un choc au cours de l'atterrissage non contrôlé du 19 novembre. Début décembre, la JAXA modifie son analyse du déroulement de l'atterrissage : il semblerait qu'aucun projectile n'ait été tiré sur le sol de l'astéroïde. Par conséquent, il est probable que le cornet de prélèvement n'ait rien collecté.

Le retour vers la Terre (2007-2010)

Après avoir passé plusieurs mois à étudier Itokawa, il était prévu que la sonde s'éloigne de l'astéroïde dans la première moitié du mois de décembre 2005, afin de revenir vers la Terre, qu'elle aurait ainsi atteint durant l'été 2007. Mais cette fenêtre de départ ne peut être respectée : une fuite de carburant survenue le 26 novembre modifie l'orientation de la sonde ce qui désaligne l'antenne normalement tournée vers la Terre et entraine l'interruption des communications avec les contrôleurs de la mission. La Jaxa parvient début 2006 à restaurer les communications et à stabiliser la sonde. Les propulseurs chimiques ont perdu tout leur carburant et 4 des 11 batteries lithium-ion sont hors service. Il subsiste toutefois suffisamment de xénon pour fournir les 2,2 km/s nécessaires pour revenir vers la Terre. Le plan de mission est modifié pour permettre un retour de la sonde sur Terre à l'été 2010. Conformément à ce nouveau plan de vol, la sonde entame son voyage de retour en avril 2007. La propulsion ionique fonctionne en continu jusqu'en octobre 2007 générant une accélération de 1 700 m/s. À cette date les moteurs ioniques sont éteints et la sonde est mise en hibernation : elle poursuit désormais sa trajectoire en vol balistique. Durant la phase propulsée elle était stabilisée sur 3 axes mais dans cette nouvelle phase elle est mise en rotation de manière à avoir ses panneaux solaires constamment tournés vers le Soleil.

Le 4 février 2009 la sonde est réveillée. L'équipe de la mission a mis au point une technique pour contrôler l'orientation de Hayabusa en l'absence de deux des roues de réaction. La solution utilise la capacité des moteurs ioniques à orienter leur poussée de quelques degrés et la pression de radiation exercée par les photons sur les panneaux solaires. Hayabusa peut être réorientée puis les moteurs ioniques sont remis en marche.

Un troisième moteur ionique tombe en panne en novembre 2009. Hayabusa a déjà accéléré de 2 km/s depuis son rendez-vous avec l'astéroïde. Le dernier propulseur en état de marche ne permettant pas de ramener seule la sonde, les ingénieurs de la JAXA parviennent à combiner les composants de deux propulseurs défectueux pour en former un nouveau en état de marche afin de fournir les 200 m/s restants.

La rentrée atmosphérique (13 juin 2010)

Le 13 juin vers 14 heures TU la capsule, qui est attachée sur la sonde à côté du cornet utilisé pour le prélèvement, effectue son retour sur Terre. Elle se sépare du corps principal de la sonde alors que celle-ci se trouve encore à plus de 200 000 kilomètres de la Terre. La capsule, qui a la forme d'une soucoupe, mesure 40 cm de diamètre et 25 cm de hauteur pour une masse d'environ 17 kg. L'extrémité orientée vers l'avant durant la rentrée atmosphérique est recouverte d'un bouclier thermique ablatif de 3 centimètres d'épaisseur pour protéger son contenu de la chaleur (près de 3 000 °C) générée par sa vitesse de rentrée de 12 km/s dans l'atmosphère terrestre. Parvenu à une altitude d'environ 10 km la capsule qui est passée sous la vitesse du son, largue le bouclier et la coque arrière puis déploie un parachute pour permettre un atterrissage en douceur. L'antenne de la balise qui doit faciliter le repérage par les équipes au sol est déployée. La trajectoire de la sonde a été calculée de manière à ce que la capsule atterrisse sur le terrain d'essais militaires de Woomera en Australie. Le reste de la sonde effectue également une rentrée atmosphérique mais, en l'absence de protection thermique, est détruite.

La rentrée atmosphérique s'est déroulée comme prévu et la capsule est repérée par les équipes de la JAXA peu après son atterrissage. Elle doit être rapatriée dans les laboratoires de l'agence spatiale au Japon, où son contenu éventuel va être analysé.

Le 5 juillet 2010, la Jaxa annonce que de "minuscules particules" ont été détectées dans le container de la capsule. Toutefois, il reste à déterminer si le matériel recueilli est d'origine terrestre ou extra-terrestre.