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La sonde TGO a réussi son aérofreinage autour de Mars

L'orbiteur TGO, de la mission ExoMars 2016, a terminé sa phase d'aérofreinage autour de Mars. C'était la première fois que l'Agence spatiale européenne (ESA) utilisait cette manœuvre pour approcher la sonde de son orbite définitive en consommant le moins possible de masse d'ergols. Les explications avec Michel Denis, directeur des opérations en vol de la mission à l'ESA, et Hervé Renault, expert de la mission ExoMars TGO chez Thales Alenia Space.
 
C'est fait. Après un voyage de presque deux ans à destination de Mars, dont seize mois à freiner autour de la Planète rouge, la sonde Trace Gas Orbiter (TGO), de l'Agence spatiale européenne (ESA), « termine sa phase d'aérofreinage », nous explique Michel Denis, directeur des opérations en vol de la mission à l'Agence spatiale européenne.
 
Cet orbiteur de la mission ExoMars 2016 a été lancé le 14 mars 2016, avec des objectifs ambitieux, tant sur le plan scientifique (étude des champs électriques, inventaire complet des espèces chimiques de l'atmosphère martienne, etc.) que sur le plan technologique (atterrissage contrôlé, aérofreinage, etc.). Il est arrivé autour de Mars le 19 octobre 2016 et, pour circulariser l'orbite, l'Agence spatiale européenne a utilisé, pour la première fois, la « technique de l'aérofreinage, expérimentée avec Venus Express en juin 2014 ». Cette manœuvre consiste à utiliser « l'atmosphère d'une planète pour modifier l'orbite d'un engin spatial ». Dans le cas du TGO, le but a été d'amener le satellite sur une « orbite circulaire à 400 kilomètres d'altitude inclinée à 74° avec une période de révolution de deux heures ».
 
L’aérofreinage du TGO est assuré par une équipe de l’Agence spatiale européenne (ESA) d’une vingtaine de personnes. Celles-ci travaillent ensemble depuis plus d’un an au sein de l'équipe Mission, qui associe les mathématiciens de la Dynamique de Vol et les ingénieurs du Contrôle de Vol à l'ESOC (Darmstadt, en Allemagne), le centre de contrôle de l’ESA.
 
Chaque jour, la séquence des opérations pour les orbites à venir est préparée par le Flight Dynamics et chargée à bord du satellite, mettant à jour les prédictions et manœuvres déjà à bord, et les étendant d'une journée.
 
Mais, bien que l'Agence spatiale européenne annonce la fin de l'aérofreinage du TGO, la sonde « n'est pas encore installée sur son orbite définitive ». L'aérofreinage a été arrêté dès que « l'apoapse de l'orbite [point le plus éloigné de la planète, NDLR] a été descendu à 1.000 kilomètres », souligne Hervé Renault, expert de la mission ExoMars TGO chez Thales Alenia Space, constructeur du satellite*. Continuer au-delà apporterait un « bénéfice en delta V faible au prix d'un risque significatif ». La réduction finale de l'apoapse sera donc faite en utilisant la propulsion du satellite.
 
Le passage de cette orbite intermédiaire, « d'un peu plus de 1.000 kilomètres à l'apoapse et d'un peu plus de 200 kilomètres au périapse », vers l'orbite finale quasiment circulaire de 400 km d'altitude, sera réalisé par une suite de manœuvres à propulsion chimique dans les semaines qui viennent. Ces manœuvres seront « découpées en plusieurs sous-manœuvres pour diverses raisons techniques et de sécurité ». Chacune est suivie d'une détermination d'orbite et du calcul de la manœuvre suivante, à raison de deux manœuvres par semaine. Elles seront optimisées en fonction de l'orbite intermédiaire qui sera caractérisée à partir d'aujourd'hui, « en particulier pour économiser le carburant » ! Aujourd'hui donc, il n y a pas encore de date précise de l'arrivée sur l'orbite finale : « cela prendra au moins quelques jours avant que la stratégie ne soit finalisée ». Ceci étant, « nous pouvons dire sans nous tromper que l'orbite finale devrait être atteinte vers fin mars-début avril », avec peut-être quelques corrections en avril. Le 21 avril la mission scientifique débutera à plein, « après un mois de recette en vol des instruments sur une orbite quasi-finale ».
 
Pour comprendre comment la sonde freine et baisse son orbite, il faut savoir qu'à chaque passe, le « le delta V résultant de l'aérofreinage est en moyenne d'environ 1 m/s, ce qui induit, pour les dernières orbites, une réduction de période d'environ 2 minutes par jour ». En raison de la fluctuation de l'atmosphère, cette réduction de la vitesse peut varier typiquement d'un facteur 2 d'une orbite à l'autre, en plus ou en moins, « c'est-à-dire de 50 centimètres par seconde jusqu'à 2 mètres par seconde », précise Michel Denis.
 
Si l'atmosphère devait freiner le satellite plus que prévu, des « systèmes automatiques pour remonter son orbite et la sortie de la phase d'aérofreinage étaient prévus ». Le TGO n'a pas eu besoin d'utiliser ces systèmes : « le satellite est pratiquement toujours resté dans cette bande des deux fois. Dans 1 % des cas, il a été freiné un peu plus, mais toujours en deçà du seuil de protection ».
 
La mesure et le suivi de cette fluctuation de la densité de l'atmosphère ont été un point crucial, car le « pic de densité peut varier d'un facteur 2 (voire plus) d'une passe à l'autre, ce qui impacte le timing des passes suivantes ». Pour limiter les effets des incertitudes quant à l'état de l'atmosphère, le timing des opérations est « automatiquement recalé à bord en utilisant un estimateur bord, développé dans notre usine de Cannes, qui utilise les données de l'accéléromètre bord ». Si le TGO n'a pas eu besoin de rehausser son orbite, il ne s'est pas non plus mis dans un mode de survie, ce qui l'aurait contraint d'interrompre temporairement son aérofreinage, au prix d'une « consommation de carburant importante, nécessaire à la fois pour sortir de l'atmosphère, et pour y rentrer à nouveau afin de recommencer à freiner ».
 
Au terme de cette phase, le TGO a utilisé moins de carburant que prévu, ce qui fait dire à l'ESA que, de ce point de vue, le satellite « pourra fonctionner au moins jusqu'en 2032, bien au-delà de la mission initiale prévue pour se terminer en 2022 ». C'est aussi une bonne nouvelle pour la Nasa, qui doit gérer la vétusté de ses sondes pour relayer les données des engins de surface, notamment ceux prévus pour la mission de retour d’échantillons, qui débutera avec le rover Mars 2020. Or, Maven, Mars Odyssey et MRO ont toutes dépassé leur durée de vie initiale et sont concernées par des problèmes techniques. Le TGO pourrait alors relayer les données des missions de la Nasa si nécessaire.
 
Tout au long de ces quelque 1.000 orbites, le satellite s'est très bien comporté. Aérodynamiquement, sa structure n'a subi aucun dommage et la température des panneaux solaires, déployés pour faire office de frein, en exposant leur face arrière au flux atmosphérique, « a été moins élevée que prévu ».
 
Les dernières orbites de l'aérofreinage ont été celles ayant nécessité une plus grande réactivité des équipes de Michel Denis. Elles ont été difficiles à réaliser en raison de « la fréquence accrue des opérations dans une atmosphère martienne à la densité toujours aussi variable ». Tout l'enjeu a été de faire tenir une « séquence complexe dans une période orbitale de plus en plus courte, tout en garantissant un temps suffisant de communication et d'exposition des panneaux solaires », précise Hervé Renault. Cette séquence a été « longuement étudiée et discutée avec l'ESOC [le centre de contrôle de l'ESA, NDLR] dans la phase de préparation de l'aérofreinage », conclut Hervé Renault.
 
* Constructeur du satellite, Thales Alenia Space apporte simplement un support aux opérations. Ses équipes ont été présentes à Darmstadt (Allemagne) pendant le premier mois d'aérofreinage, en mars-avril 2017. Bien que l'entreprise n'intervienne plus sur les différentes phases de la manœuvre, elle suit néanmoins la progression des opérations.

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