Rosetta (sonde spatiale) - Définition

La sonde

La sonde Rosetta est constituée de deux parties : un orbiteur, qui doit se placer en orbite autour de la comète après avoir effectué une longue navigation et qui est chargé d'étudier et de cartographier celle-ci, de recueillir des données sur les astéroïdes qu'il rencontrera au cours de son parcours et de transmettre les résultats à la Terre et le petit atterrisseur Philaé, monté sur un des côtés de la sonde, qui doit se poser sur la comète.

L'orbiteur

L'orbiteur a une dimension de 2,8 m par 2,1 m par 2 m (environ 10 m³), pour une masse totale de 2 970 kg (1 300 kg sans le carburant). La charge utile de l'orbiteur seul comprend 11 instruments scientifiques. La propulsion est assurée par 24 moteurs-verniers fournissant chacun 10 newtons de poussée qui disposent de 1 670 kg de carburant pour effectuer les corrections orbitales au cours du long périple de la sonde puis placer celle-ci en orbite autour de la comète. L'orbiteur a été conçu par EADS Astrium et Alcatel Alenia Space, anciennement Alenia Spazio, pour le compte de l'Agence spatiale européenne.

Le système de navigation de Rosetta utilise un senseur d'étoile pour repérer une étoile précise et ainsi déterminer l'orientation de la sonde et pointer correctement ses antennes de télécommunications, panneaux solaires et instruments scientifiques. Ce capteur doit fonctionner dans des conditions particulières durant l'approche de la comète. Celle-ci est entourée d'un nuage diffus de poussière qui rend difficile l'identification d'une étoile. Un logiciel intelligent a été développé pour permettre à l'instrument de fonctionner.

Système de télécommunications

Le système de télécommunications utilise une antenne parabolique grand gain de 2,2 mètres de diamètre orientable. Elle permet d'envoyer les données vers la Terre avec un débit compris entre 10 000 et 22 000 bits/s. La station de New Norcia, construite en Australie par l'Agence spatiale européenne pour communiquer notamment avec Rosetta, n'est visible que 12 heures par jour par la sonde du fait de la rotation de la Terre ; d'autre part celle-ci sera à certains moments masquée par le Soleil. Durant les périodes où le signal ne peut être reçu, Rosetta stockera les données recueillies dans une mémoire de masse de 25 Go.

L'alimentation électrique

L'alimentation en énergie est assurée par deux panneaux solaires comportant chacun 5 éléments qui peuvent pivoter de plus ou moins 180° pour capter le maximum de l'énergie solaire. Chaque panneau est long de 15 mètres et la surface totale est de 64 m². Les panneaux fournissent entre 8 700 watts et 450 watts de puissance suivant la position de la sonde par rapport au Soleil. La sonde a besoin de 390 watts pour être maintenue en état de marche avec le minimum d'équipements actifs. La taille importante des panneaux solaires s'explique par la grande distance entre le Soleil et la sonde sur une partie de sa trajectoire. Les sondes amenées à voyager à une telle distance du Soleil, comme Voyager 1 et Voyager 2 embarquent des générateurs thermoélectriques à radioisotopes qui produisent de l'énergie électrique grâce à la chaleur émise par la désintégration radioactive. Cette technologie n'étant pas disponible en Europe, ce système a été remplacé par des panneaux solaires de grande taille conçus pour fonctionner à des températures très basses tout en optimisant la production d'énergie. Rosetta sera la première sonde alimentée par l'énergie solaire à voyager au-delà de la ceinture d'astéroïdes.

Système de régulation thermique

Le système de régulation thermique doit maintenir l'intérieur de la sonde à une température d'environ 20 °C. Rosetta, qui voyagera dans le système solaire, rencontrera des températures variées : à 800 millions de kilomètres du Soleil, l'intensité du rayonnement solaire n'est plus suffisante pour chauffer la sonde, il est donc nécessaire d'employer des dispositifs de chauffage ; au contraire, au plus près du Soleil, afin d'éviter une surchauffe, des radiateurs sont installés pour dissiper l'énergie thermique. Rosetta est également munie d'un système de 14 lamelles réparties sur 2,5 m², des composants passifs qui s'ouvrent au Soleil pour laisser échapper la chaleur, mais qui se referment à l'ombre, à l'image des stores vénitiens. Ce système, testé avec succès au Centre européen de technologie spatiale (ESTEC), permet de réguler la température sans consommation électrique.

Instruments scientifiques

La charge utile de l'orbiteur comporte onze instruments scientifiques qui représentent une masse de 165 kg :

1. ALICE (Ultraviolet Imaging Spectrometer) est un spectromètre imageur ultraviolet similaire à celui embarqué sur la sonde New Horizons destiné à analyser la composition de la coma, de la queue et la production d'eau ainsi que de monoxyde et dioxyde de carbone par le noyau. D'un poids de 3,1 kg, cet instrument consomme 2,9 W et a été fabriqué aux États-Unis ;
2. CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission) est un sondeur radiofréquence conçu pour l'étude de la structure interne du noyau. Lorsque Philaé sera posé sur noyau et Rosetta orbitera autour, Consert mesurera la propagation d'ondes métrique (90MHz) à travers le noyau entre Rosetta et Philae. L'étude du signal mesuré (délai, puissance, chemin multiple) permettra de trouver des informations complètement inédites sur la structure interne du noyau composition interne du noyau: densité, hétérogénéité, présence de vides ou de zone plus denses et aider à meilleur compréhension des processus de formation de la comète. Consert est instrument conçut et réalisé par le LPG (CNRS/UJF, Grenoble, France), le LATMOS (CNRS/UVSQ, Paris, France) et le MPAE (Lindau, Allemagne) sous financement CNES et DLR.;
3. COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyser) est un spectromètre à temps de vol qui doit analyser la composition des grains de poussière émis par la comète afin de déterminer s'ils sont organiques ;
4. GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator) mesurera le nombre, la masse, la distribution des vecteurs de dispersion (vitesse, direction) de grains de poussière émis par la comète et réfléchis par la pression de radiation ;
5. MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) étudiera la taille, la forme et le volume des particules autour de la comète ;
6. MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter) est un radiotélescope fonctionnant dans la bande millimétrique et sub-millimétrique chargé essentiellement de déterminer la température de la surface et de distinguer les parties de la surface couvertes de poussières et de glace : ces informations sont primordiales pour déterminer les sites d'atterrissage propices ;
7. OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System) comporte deux caméras optiques à haute résolution (4 mégapixels) fonctionnant dans un spectre lumineux allant de l'ultraviolet au proche infrarouge qui peuvent être couplées pour obtenir des images stéréoscopiques. Elles doivent permettre d'effectuer un relevé topographique du noyau avec une résolution d'un mètre, déterminer la rotation du noyau et observer le dégazage, suivre les poussières et les jets de gaz et enfin photographier les astéroïdes : Osiris comprend une caméra à petit champ (2,5°x2,5°) NAC (Narrow Angle Camera) et une caméra grand champ (12°x12°) WAC (Wide Angle Camera). Les données sont enregistrées sur une mémoire de 1 gigaoctet ;
8. ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) est un spectromètre des gaz nobles et ionisés qui doit déterminer la composition de l'atmosphère et de l'ionosphère de la comète, les réactions chimiques qui y ont lieu ainsi que la vitesse des particules gazeuses ionisées ;
9. RPC (Rosetta Plasma Consortium) est constitué de cinq analyseurs de plasma chargé d'étudier la structure de la coma interne et l'interaction de la comète avec le vent solaire, doit surveiller l'activité cométaire et mesurer les propriétés physiques du noyau ;
10. RSI (Radio Science Investigation) mesurera la masse, la densité et la gravité du noyau. De plus, il définira l'orbite de la comète et étudiera sa coma ;
11. VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) est un spectromètre-imageur travaillant en lumière visible et dans l'infrarouge. Il est chargé d'établir une carte de la nature des solides et la température à la surface. Cet instrument sera utilisé afin de localiser les sites d'atterrissage.

L'atterrisseur

Fonctionnement et mission

L'atterrisseur Philaé se présente sous la forme d'un cylindre partiellement hexagonal, d'un mètre de diamètre pour 80 cm de haut et d'une masse totale de 100 kg. La structure est réalisée en fibre de carbone avec un revêtement d'aluminium. L'énergie électrique est fournie par des batteries et des panneaux solaires.

Philaé sera largué à quelques kilomètres d'altitude et déploiera ses trois pieds. La dureté du sol est définie avant l'atterrissage par l'instrument VIRTIS. En raison du manque d'informations sur la consistance de la surface au lancement de la sonde, trois dispositifs d'atterrissage complémentaires sont prévus. Les pieds du train d'atterrissage sont munis de raquettes qui doivent éviter à la sonde de s'enfoncer dans un sol mou. Pour éviter un rebond sur un sol qui se révélerait élastique Philaé est muni d'un système propulsif qui va plaquer au sol l'engin immédiatement après le contact avec la surface de la comète. Enfin deux harpons et des vis doivent lui permettre de se fixer solidement sur un sol plutôt ferme. Pour éviter que l'atterrisseur ne rebondisse, les trois pieds du train d'atterrissage sont équipés d'absorbeurs de chocs. En raison du changement d'objectif de la mission qui doit amener Rosetta sur une comète 10 fois plus importante qu'initialement prévu, les absorbeurs de chocs ont été modifiés pour pouvoir rester efficaces. Les jambes du train d'atterrissage peuvent tourner, se soulever ou se pencher pour remettre l'atterrisseur d'aplomb après le contact au sol.

La descente sera une étape critique de la mission : si elle se fait trop rapidement, Philaé risque de rebondir à cause de la faiblesse de la gravité qui est égale à 1/100 000 de celle de la Terre : l'atterrisseur pèse un gramme à la surface de la comète. Le noyau cométaire peut dégazer et déstabiliser Philaé qui devra alors utiliser le moteur placé sur le dessus pour se remettre sur le bon chemin. De plus, la grande distance qui séparera la Terre de l'atterrisseur empêchera tout contrôle direct : les communications feront un aller/retour en 80 minutes et cette phase du vol sera donc entièrement pilotée par le programme de l'atterrisseur.

Philaé est recouvert de panneaux solaires fournissant 9 W de puissance couplés à des batteries rechargeables. En raison des variations de l'exposition au Soleil générées par la rotation du noyau, du possible givrage des panneaux solaires ou du brouillard créé par les poussières, des batteries électriques lui assurent une autonomie minimale de cinq jours qui est la durée estimée pour que l'atterrisseur remplisse ses missions principales. Les données acquises seront stockées sur 12 Mb de mémoire puis transmises à l'orbiteur par un émetteur bande S d'un watt de puissance, qui les fera parvenir à la Terre. En utilisant ses pieds, il pourra pivoter ou s'incliner.

L'atterrisseur a été conçu par un consortium de 8 pays européens, sous la direction de l'Agence spatiale allemande (DLR).

Instruments scientifiques

La charge utile de l'atterrisseur est composée de dix instruments scientifiques qui représente une masse de 21 kg :

1. APXS (Alpha X-ray Spectrometer) est un spectromètre X, alpha et protons chargé de déterminer la composition du noyau de la comète ;
2. CIVA (Comet Infrared & Visible Analyser), d'origine franco-suisse, comprend cinq caméras panoramiques, un couple de caméras stéréoscopiques fournissant des images en relief, un spectromètre infrarouge et un microscope optique analysant des échantillons avec une résolution de 7 μm. Chaque caméra pèse 100 g et a une résolution d'un mégapixel. Les composants peuvent résister à des températures comprises entre -100 °C et 50 °C ;
3. CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission) est un sondeur radar hyper-fréquence qui sera utilisé en parallèle avec le même équipement embarqué sur l'orbiteur ;
4. COSAC (Cometary Sampling and Composition experiment) est un pyrolyseur et analyseur (spectromètre de masse et chromatographe) qui doit analyser les gaz et les molécules organiques complexes prélevés dans le sol. Des échantillons prélevés sur le sol et dans le sous-sol seront portés à 800 °C dans le pyrolyseur puis analysés.
5. PTOLEMY mesurera les relations isotopiques d'éléments légers ;
6. MUPUS (Multi-Purpose Sensors for Surface and Subsurface Science) est un ensemble de détecteurs mesurant la densité, les propriétés thermiques et mécaniques de la surface ;
7. ROLIS (Rosetta Lander Imaging System), caméra CCD à haute résolution, enregistrera des images lors de l'atterrissage ;
8. ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor) est un magnétomètre qui doit mesurer l'intensité du champ magnétique de la comète et les interactions avec le vent solaire ;
9. SD2 (Sample and Distribution Device) forera un trou de 20 cm de profondeur pour y collecter des échantillons, analysés par la suite ;
10. SESAME (Surface Electrical, Seismic and Acoustic Monitoring Experiments) est composé de trois instruments qui étudieront la propagation des ondes sonores à travers la surface, les propriétés électriques et les poussières retombant à la surface.

Le contrôle au sol

Le contrôle de la mission est assuré par le Centre européen d'opérations spatiales (ESOC). La salle de contrôle, dédiée aux missions européennes à destination des autres planètes du système solaire, est partagée avec les missions Mars Express et Vénus Express. L'équipe de contrôle au sol de Rosetta est assistée par une équipe chargée du calcul de la trajectoire, et utilise le logiciel SCOS-2000. Le Centre des opérations scientifiques de Rosetta (Rosetta Science Operations Centre), chargé de la collecte et de la diffusion des données scientifiques, est implanté à l'ESOC, mais également au Centre européen de technologie spatiale (ESTEC) aux Pays-Bas. L'atterrisseur est contrôlé par l'Agence spatiale allemande (DLR) depuis Cologne ; les données collectées par Philaé sont traitées par le CNES, à Toulouse.

La complexité de la mission a nécessité la mise au point de plusieurs innovations. La sonde est notamment mise en hibernation durant plusieurs années pour économiser l'énergie qui se raréfie lorsque la sonde se dirige vers Jupiter et ménager les équipements du bord. Pendant les phases de routine, un seul contact est établi par semaine avec le centre de contrôle.

Pour les communications avec Rosetta, l'agence spatiale européenne utilise la station de New Norcia qu'elle a fait édifier près de Perth en Australie. Celle-ci est entrée en service en 2003 peu de temps avant le lancement de Rosetta et est télécommandée depuis le Centre européen d'opérations spatiales. La station de Cebreros, en Espagne, également détenue par l'agence spatiale, est utilisée en appoint ; toutes deux sont équipées d'antennes paraboliques de 35 mètres de diamètre et sont conçues pour pouvoir communiquer avec les sondes les plus éloignées. Si Rosetta n'est pas en vue de ces deux stations, les antennes de Madrid, de Goldstone et de Canberra du réseau de communications en espace profond de la NASA peuvent être utilisées. Deux canaux du réseau de communications avec l'espace lointain sont attribués à la sonde spatiale Rosetta afin de pouvoir communiquer avec la Terre : 8 421,790 123 MHz et 8 423,148 147 MHz. Ces deux fréquences sont celles de l'émetteur à bord de la sonde et ne tiennent donc pas compte de l'effet Doppler.