Sélection du projet

Les missions d'exploration du système solaire sont coûteuses et de ce fait rares (quelques missions par an toutes agences spatiales confondues) alors que les sujets d'étude se multiplient au fur et à mesure des avancées scientifiques. Le processus de sélection est donc sévère et très encadré. Les principales agences spatiales s'appuient pour déterminer leur stratégie d'exploration spatiale sur des documents produits par les principales autorités scientifiques. Pour la NASA c'est le Planetary Science Decadal Survey produit tous les dix ans tandis que l'Agence spatiale européenne a fait réaliser un document similaire pour son programme scientifique Cosmic Vision mis en place en 2004 pour les projets débouchant en 2015-2025. Le CNES français, bien que disposant d'un budget de recherche qui ne lui permet pas de réaliser des engins d'exploration du système solaire de manière autonome, procède de même. Dans ce cadre un appel à idées purement prospectif peut être lancé par l'agence spatiale suivi d'un appel à propositions (AO). Ce dernier débouche normalement sur la sélection puis le développement d'une mission. Il est lancé dans un cadre budgétaire préétabli. À la NASA cette ligne budgétaire pour un type de mission est disponible périodiquement comme dans le cas des New Frontiers ou Discovery qui permettent de développer respectivement 2 et 4/5 missions par décennie. L'ESA qui ne dispose que d'une fraction du budget de la NASA sélectionne des missions très longtemps avant leur lancement. La date de lancement est souvent repoussée pour faire face aux contraintes budgétaires. Les équipes qui répondent aux appels d'offres comprennent des ingénieurs et des scientifiques. Ils soumettent des propositions détaillant à la fois les objectifs scientifiques, les caractéristiques techniques et les aspects financiers. Le choix est effectué par des comités scientifiques qui tiennent compte de la stratégie scientifique à long terme fixée par les documents produits par les autorités académiques au début de ce processus.

Phases de conception

Réalisation

Sonde effectuant un survol

Les sondes spatiales peuvent être conçues pour effectuer un simple survol de l'objet céleste à étudier. Dans les cas les plus simples ces sondes doivent seulement être placées sur une trajectoire précise au départ de la Terre pour réaliser leurs missions au prix de quelques petites corrections au cours du transit. Les premières sondes interplanétaires comme Mariner 4 étaient de ce type. Les objectifs qui peuvent être atteints par ce type de mission sont toutefois limités : le temps d'observation est très bref car la sonde effectue son survol à une vitesse de plusieurs km/s, souvent seule une face du corps céleste est visible au moment du survol et les conditions d'éclairage ne sont pas optimales. Cette méthode d'observation peut être la seule envisageable pour les objets célestes les plus lointains (survol de Pluton par New Horizons)^{[Note 1]}. Elle est également employée pour des missions sophistiquées de reconnaissance dont l'objectif est d'enchaîner l'étude de plusieurs planètes ou lunes (sondes Voyager). Enfin ce peut être le seul moyen d'étudier les objets mineurs - comètes et astéroïdes - dont la vitesse relative est trop importante pour permettre une mise en orbite (mission Stardust)^[3].

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  La sonde Vega.
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  Maquette des sondes Voyager.
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  La sonde New Horizons.

Orbiteur

Un orbiteur est une sonde spatiale qui, après avoir transité jusqu'à son objectif, se met en orbite autour du corps céleste à étudier. Il s'agit de la deuxième grande catégorie des sondes spatiales avec celles effectuant un survol. Pour pouvoir se mettre en orbite, la sonde spatiale doit réduire fortement sa vitesse à son arrivée à proximité de son objectif. Les ergols utilisés pour cette opération de freinage peuvent représenter une fraction importante de la masse totale de l'engin (typiquement environ 50 % pour Mars). L'orbiteur permet d'effectuer des observations régulières de la quasi-totalité de la surface du corps céleste durant plusieurs années. L'orbiteur est l'étape qui suit logiquement l'envoi d'une sonde effectuant un simple survol. L'orbite de la sonde spatiale est choisie en fonction des objectifs poursuivis mais également de contraintes de masse. Les missions ayant un budget contraint comme Mars Express choisiront une orbite elliptique moins efficace mais moins coûteuse en ergols qu'une orbite basse circulaire retenue pour la majorité des orbiteurs martiens de la NASA^[3].

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  La sonde jovienne Galileo.
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  La sonde Cassini-Huygens.
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  La sonde Juno.

Sonde atmosphérique

Une sonde atmosphérique est une sonde spatiale qui traverse l'atmosphère d'une planète pour l'étudier. Sa mission est relativement brève puisqu'elle dure généralement le temps de sa descente (non propulsée) jusqu'au sol. Durant cette phase, elle n'a besoin que d'une quantité d'énergie limitée et elle tire donc celle-ci de batteries. La sonde atmosphérique est généralement transportée jusqu'à la planète explorée par un vaisseau mère. La planète Vénus a été en particulier étudiée par cette méthode avec la série des sondes soviétiques du programme Venera. D'autres sondes atmosphériques remarquables sont Huygens qui a étudié l'atmosphère de Titan, la sonde atmosphérique de Galileo qui a plongé dans les couches supérieures de la planète géante gazeuse Jupiter. L'atmosphère très épaisse de Vénus a permis la mise en œuvre des ballons du programme Vega soviétique qui ont pu transmettre des données durant plusieurs dizaines d'heures^[3].

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  La sonde atmosphérique de Galileo.
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  Les sondes atmosphériques de Pioneer Venus.
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  La sonde Huygens.

Atterrisseur

Un atterrisseur est un type d'engin spatial conçu pour survivre à l'atterrissage sur le sol d'une planète ou d'une lune et collecter ensuite à l'aide de ses instruments scientifiques des données sur la surface qui sont transmises vers la Terre directement ou indirectement (via un autre engin spatial en orbite). La Lune et la planète Mars ont été en particulier explorées par des engins spatiaux de ce type avec par exemple les sondes du programme Surveyor les deux sondes du programme Viking ou l'atterrisseur Phoenix. L'atterrissage en douceur est la principale difficulté à laquelle doivent faire face les concepteurs de ce type d'engin. L'utilisation d'un parachute, mis en œuvre par exemple par Huygens sur Titan, nécessite la présence d'une atmosphère suffisamment épaisse et ne convient donc pas sur Mars. D'une masse et d'un coût réduits par rapport aux autres méthodes, le parachute ne permet pas un atterrissage complètement contrôlé. Pour se poser sur les corps célestes dépourvus d'atmosphère il faut avoir recours à des moteurs-fusées qui réduisent progressivement la vitesse de l'engin spatial. Ceux-ci nécessitent toutefois l'emport d'une grande quantité de carburant. Pour Mars, la NASA a développé des techniques particulières d'atterrissage : les coussins gonflables mis en œuvre pour la première fois par Mars Pathfinder et un système très sophistiqué de dépose au sol par un étage faisant office de « grue volante » mis en œuvre en 2012 par la sonde Mars Science Laboratory^[3].

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  Surveyor (Lune).
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  Mars 3.
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  Atterrisseur Viking.

Rover ou astromobile

Un astromobile ou rover après s'être posé sur le sol d'un corps céleste, se déplace pour réaliser des études in situ en différents points présentant un intérêt scientifique. Il peut emporter de véritables petits laboratoires pour analyser les échantillons recueillis comme Mars Science Laboratory. Son énergie peut être produite par des panneaux solaires ou des RTG (générateur électrique nucléaire). Il est télécommandé si l'éloignement n'est pas trop important (Lune). Cependant la distance est trop grande pour les rovers martiens, impliquant des délais de communication importants. Ceux-ci disposent donc d'une certaine autonomie pour leurs déplacements qui repose sur des programmes d'analyse du terrain. Les déplacements sur une journée ne dépassent toutefois pas une centaine de mètres^[3]. La Lune et Mars sont à l'heure actuelle les deux seuls corps où des rovers ont été envoyés.

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  Le rover lunaire soviétique Lunokhod.
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  Le rover MER Spirit.
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  Le rover Curiosity.

Aérobot

Un aérobot (contraction d'aéronef-robot) est une sonde planétaire de type aéronef. Souvent de type aérostat, ils peuvent aussi être de type aérodyne ou aérogire comme les futures sondes spatiales de type nouveau : Dragonfly et Mars Helicopter Scout. En termes techniques, c'est un véhicule robotique aéronautique d'exploration planétaire, ou bien un aéronef autonome d'exploration planétaire.

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  Un technicien sur un modèle aérogire durant la phase de test dans une chambre à vide au JPL, dans le cadre du projet de vol du mini-hélicoptère Ingenuity (a volé sur mars le 19 avril 21).
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  Montgolfière transportant des instruments étudiant l'atmosphère de Titan proposée dans le cadre du projet Titan Saturn System Mission.
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  ARES, projet de planeur volant dans l'atmosphère de Mars étudié dans le cadre du programme Mars Scout (vue d'artiste).

Mission de retour d'échantillons

Une mission de retour d'échantillon a pour objectif de ramener sur Terre à des fins d'analyses des échantillons d'un autre corps céleste — planète, comète, astéroïde — ou des particules interplanétaires ou interstellaires. Comparé à une étude réalisée sur place par les instruments d'un robot comme le rover martien Curiosity, le retour d'un échantillon de sol sur Terre permet d'effectuer des analyses avec une précision beaucoup plus importante, de manipuler l'échantillon et de modifier les conditions expérimentales au fur et à mesure des progrès de la technologie et de la connaissance. Ce type de mission comporte des difficultés importantes : il faut selon la cible capturer des particules circulant à plusieurs km/s, réaliser un atterrissage automatique sur un corps pratiquement dépourvu de gravité ou au contraire pouvoir atterrir et redécoller depuis un puits de gravité important, et dans tous les cas effectuer une rentrée dans l'atmosphère terrestre à grande vitesse et avec une grande précision. Le retour sur Terre d'échantillons de sol martien qui constitue en 2016 l'un des objectifs les plus importants pour l'étude du système solaire, n'a toujours pas été concrétisé pour des raisons à la fois financière et technologique.

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  Maquette de l'atterrisseur lunaire Luna 16 avec son système de collecte et au sommet la fusée/capsule chargée du retour sur Terre.
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  Collecteur de particules de vent solaire de Genesis
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  Collecteur de grains de poussière de la queue de comète constitué de blocs d'aérogel embarqués sur Stardust.

Pénétrateur

Un pénétrateur est un petit engin spatial conçu pour pénétrer dans le sol d'un corps céleste (planète, lune, astéroïde ou comète) à grande vitesse en subissant une décélération de plusieurs centaines de g. Les informations recueillies par les instruments scientifiques embarqués sont de manière classique transmises par un petit émetteur au vaisseau mère en orbite qui le retransmet à son tour vers les stations sur Terre. Le concept du pénétrateur permet d'éviter l'emport de parachutes et de fusées nécessaires à un atterrissage en douceur et d'alléger ainsi de manière importante la masse de l'atterrisseur. Mais celui-ci doit pouvoir résister à l'impact ce qui crée en retour de nombreuses contraintes sur sa masse, sa structure et la conception de sa charge utile. Plusieurs projets de pénétrateurs n'ont pas dépassé la phase d'étude et, en 2013, seules deux missions ont mis en œuvre des pénétrateurs sans résultats du fait de la perte des vaisseaux mères : deux pénétrateurs Deep Space 2 étaient embarqués à bord de Mars Polar Lander et deux autres à bord de Mars 96^[3].

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  Pénétrateur Deep Space 2.
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  Pénétrateur Mars 96.

Satellites de télécommunications

Un satellite de télécommunications est chargé de relayer les communications entre la surface d'un corps céleste où se trouve un atterrisseur ou un rover et la Terre. Ces engins ont jusqu'à présent toujours été des orbiteurs ayant par ailleurs leurs propres objectifs scientifiques tels que 2001 Mars Odyssey ou Mars Reconnaissance Orbiter. Certaines sondes spatiales relèvent de plusieurs catégories comme les sondes Viking qui comportent à la fois un atterrisseur et un orbiteur^[3].

Démonstrateur technologique

Un démonstrateur technologique est un engin spatial dont l'objectif est de valider une nouvelle technique. Par exemple Deep Space 1 dont l'objectif principal était de valider l'utilisation de la propulsion ionique pour les missions interplanétaires.

Énergie

Pour fonctionner, une sonde spatiale a besoin de disposer en permanence d'énergie. Les engins développés récemment doivent disposer d'une puissance électrique comprise entre 300 et 2 500 watts pour alimenter les ordinateurs embarqués, l'émetteur-récepteur radio, les moteurs, les instruments scientifiques, les radiateurs ainsi que de nombreux autres équipements. Il n'existe que trois sources possibles d'énergie pour un engin spatial interplanétaire : les panneaux solaires, les RTG seules solutions pour les planètes externes trop éloignées du Soleil et les batteries. Ces dernières peuvent être une source d'énergie chargée avant le lancement ou être utilisées comme un système de stockage temporaire de l'énergie produite par les panneaux solaires permettant de faire face par exemple à des périodes d'éclipse.

Panneaux solaires

Un des deux ensembles de panneaux solaires fournissant l'énergie de la sonde spatiale Juno.

Les panneaux solaires sont formés d'un ensemble de cellules photovoltaïques qui chacune transforme l'énergie solaire par effet photoélectrique en courant électrique continu. Chaque cellule solaire est constituée d'un matériau semi-conducteur connecté avec des liaisons électriques. Plusieurs types de matériaux peuvent être utilisés tels que le silicium ou l'arséniure de gallium (GaAs) plus efficace mais plus coûteux. Les cellules les plus performantes sont constituées de plusieurs couches très minces de matériaux semi-conducteurs, capable chacune de convertir une large partie du spectre de l'énergie solaire, qui permettent d'atteindre, combinés avec d'autres dispositifs, un rendement de 47 % (47 % de l'énergie du Soleil est transformée en courant électrique). Le rendement des cellules solaires des premiers satellites des années 1960 était de 6 %. En connectant les cellules solaires en série (le pôle positif d'une cellule est connecté au pôle négatif d'une autre cellule) on augmente la tension du courant produit, tandis qu'en les connectant en parallèle (tous les pôles positifs sont connectés ensemble et tous les pôles négatifs sont connectés ensemble) on augmente l'intensité du courant. Le panneau solaire sert de support physique aux cellules solaires, comporte les circuits électriques reliant les cellules entre elles et maintient les cellules dans une plage de température acceptable. Plusieurs panneaux solaires peuvent être reliés entre eux pour former une « aile ». Généralement les panneaux solaires sont articulés et leur orientation peut être modifiée avec un ou deux degrés de liberté. Généralement en modifiant en permanence l'inclinaison des panneaux solaires, on cherche à obtenir selon le cas le maximum d'énergie si on fait en sorte que les rayons solaires frappent à la perpendiculaire le panneau. Mais cette facilité peut être également utilisée pour diminuer l'angle d'incidence des rayons solaires afin de limiter la montée en température ou adapter la production de courant à une demande plus faible (l'énergie électrique produite décroit comme le cosinus de l'angle d'incidence des rayons solaires). Sur une sonde spinnée (stabilisée par rotation), les panneaux solaires tapissent le corps de forme cylindrique et la moitié est à l'ombre tandis que la majorité des cellules ne reçoivent pas le Soleil sous un angle optimal^[4].

Au niveau de l'orbite terrestre, l'énergie électrique théoriquement disponible est de 1,371 W/m² dont 50 % peut être transformé en énergie électrique avec les cellules solaires les plus avancées. Abondante au niveau des planètes intérieures, la quantité d'énergie disponible est inversement proportionnelle au carré de la distance au Soleil. C'est ainsi qu'une sonde comme Juno envoyée en orbite autour de Jupiter cinq fois plus éloignée du Soleil que la Terre reçoit 25 (5×5) fois moins d'énergie solaire qu'au niveau de la Terre. La NASA a néanmoins choisi d'équiper cette sonde avec des panneaux solaires qui grâce à leur surface (45 m² de cellules solaires) et leur technologie avancée parviennent dans ces conditions à fournir 428 watts (et 15 kW au niveau de l'orbite terrestre). Mais à cette distance du Soleil le recours au RTG est plus fréquent^[4].

Les performances des panneaux solaires d'une sonde spatiale se dégradent sous l'action de plusieurs phénomènes. L'énergie reçue par le panneau solaire qui n'est pas convertie en énergie électrique est en partie réfléchie et en partie convertie en chaleur ce qui augmente la température des cellules. Lorsque sa température augmente la cellule solaire produit un courant de plus fort voltage mais l'ampérage diminue ainsi que la puissance produite (W = V × I). Cette diminution de la performance globale est de 1 % par degré Celsius pour les cellules en silicium et de 0,5 % pour les cellules en GaAs. Par ailleurs, quelques centaines d'heures après son déploiement, la performance d'un panneau solaire diminue de 1 % du fait des changements chimiques générés par la lumière. Enfin le facteur qui produit le plus de dommage, est l'action des particules énergétiques produites par le vent solaire ou les tempêtes solaires qui endommagent progressivement la structure cristalline. C'est ainsi que les panneaux solaires de la sonde Magellan, placée en orbite autour de Vénus, ont perdu les deux tiers de leur capacité au cours de leur vie opérationnelle. Cette dégradation progressive est prise en compte dans le dimensionnement des panneaux solaires au moment de la conception de la sonde spatiale^[4].

Source d'énergie primaire de quelques sondes spatiales

Sonde spatiale	Destination	Date lancement	Source énergie primaire	Puissance	Autres caractéristiques	Remarques
Cassini	Saturne	1997	3 × générateurs à radioisotope	885 watts
Huygens	Titan	1997	Batteries Li SO2	1 600 watts-heures	Durée de vie opérationnelle quelques heures	Vaisseau mère : Cassini
Mars Global Surveyor	Mars	1996	Panneaux solaires Si GaAs	1 000 watts	Orientable avec 2 degrés de liberté
MESSENGER	Mercure	2004	Panneaux solaires AsGa / Ge	450 watts	Orientable selon un degré de liberté 70 % de la surface des panneaux solaires recouverts de réflecteurs
Juno	Jupiter	2011	Panneaux solaires	450 watts	Panneau fixe, surface des cellules : 45 m2

Générateur thermoélectrique à radioisotope

RTG de New Horizons.

Lorsque l'énergie solaire devient trop faible du fait de l'éloignement du Soleil un ou plusieurs générateur thermoélectrique à radioisotope remplace les panneaux solaires pour la production d'électricité. Ce générateur électrique produit de l'électricité à partir de la chaleur dégagée par la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radioisotopes, généralement du plutonium 238 sous forme de dioxyde de plutonium ²³⁸PuO₂. La chaleur est convertie en électricité par l'intermédiaire de thermocouples. L'efficacité énergétique est réduite : moins de 10 % de la chaleur produite est convertie en électricité et le reste doit être évacuée par des radiateurs. Pour améliorer ces performances, les recherches actuelles s'orientent vers des convertisseurs thermoïoniques et des générateurs Stirling à radioisotope, qui pourraient multiplier le rendement global par quatre mais imposeraient des pièces mécaniques en mouvement susceptibles de se bloquer avec le temps. Le générateur thermoélectrique à radioisotope est particulièrement bien adapté à la production d'une alimentation électrique stable, sur une longue durée requise pour les instruments embarqués dans les sondes interplanétaires. Ainsi, le générateur embarqué sur la sonde New Horizons est capable de fournir une alimentation électrique stable de 200 W sur plus de 50 ans. Cependant la présence de plutonium 238 dans un engin susceptible d'être victime d'un échec du lanceur, suscite de fortes craintes dans une partie de l'opinion nobrmalgré des dispositifs de protection (blindage) qui se sont révélés en pratique efficaces.

Les sondes spatiales lancées vers Jupiter ou au-delà comme Voyager 1, Cassini ou New Horizons utilisent pour leur alimentation électrique des générateurs thermoélectriques à radioisotope. Toutefois, grâce aux rendements croissants des cellules solaires, les deux dernières sondes spatiales développées pour l'exploration de Jupiter - Juno et JUICE ont recours à des panneaux solaires qui sont toutefois de très grande taille (60 m² pour Juno). Ces générateurs ont été également utilisés sur deux engins lancés vers la surface de Mars - Viking 1 et 2 et le rover Curiosity car ils permettent de s'affranchir du cycle jour/nuit et sont insensibles aux dépôts de poussière. Les générateurs fournissent des puissances modestes : 100 W (45 kg) pour Curiosity, 300 W (~56 kg) pour les sondes spatiales américaines en service au début du XXI^e siècle. Pour répondre à leur besoins électriques certaines sondes embarquent jusqu'à trois générateurs (Cassini, Voyager).

Contrôle d'orientation

Propulsion

Tuyères de la propulsion principale de l'orbiteur Cassini.

Pour remplir sa mission, la sonde spatiale a besoin d'un système de propulsion. Celui-ci peut remplir plusieurs rôles qui dépendent des objectifs de la mission et de certains choix d'architecture de la sonde spatiale :

• mise en orbite autour de la planète à étudier (orbiteur) ;
• corrections de trajectoire ;
• désaturation des roues de réaction si la sonde spatiale a recours à ce système pour contrôler son orientation ;
• contrôle de l'orientation en l'absence de roues de réaction ;
• contrôle du vecteur vitesse lorsque la propulsion principale est utilisée.

Ces différents types d'utilisations nécessitent des propulseurs aux caractéristiques très différentes (poussée, nombre de mises à feu, durée). Aussi la sonde spatiale dispose généralement de plusieurs types de propulseurs pour faire face à ces besoins. De manière relativement classique, une sonde spatiale comporte un moteur-fusée principal d'une poussée de plusieurs centaines de newtons pour la mise en orbite, des grappes de petits propulseurs dont la poussée va de quelques dixièmes à quelques N. pour le contrôle d'orientation et des propulseurs de quelques dizaines de newtons pour les corrections de trajectoire ou d'orbite^[5].

Il s'agit généralement de moteurs à ergols liquides monoergol brûlant de l'hydrazine ou biergols (généralement hydrazine et peroxyde d'hydrogène) qui présentent l'avantage d'être stockables sur de longues durées et d'être hypergoliques (de brûler spontanément sans dispositif de mise à feu). Ces ergols sont généralement mis sous pression par de l'hélium lui-même stocké dans des réservoirs sous haute pression. On trouve également plus rarement des petits propulseurs à gaz froid (utilisés pour éviter une pollution des instruments ou des échantillons recueillis, des moteurs ioniques (démonstrateur Deep Space 1, Dawn) qui nécessitent une architecture de mission adaptée et des moteurs à propergols solides (pour l'insertion en orbite) utilisés au début de l'ère spatiale (atterrisseurs lunaires du programme Surveyor)^[5].

Télécommunications

Antenne grand gain de l'orbiteur martien MAVEN.

Le système de télécommunications d'une sonde spatiale est chargé des échanges de données entre celle-ci et les stations à Terre. Ceux-ci comprennent dans le sens sonde spatiale-Terre (liaison descendante) les données télémétriques fournies périodiquement qui permettent de surveiller l'état de l'engin spatial ainsi que les données recueillies par les instruments scientifiques qui concrétisent les résultats de la mission. Dans le sens Terre-sonde spatiale (liaison montante) transitent les instructions données à la sonde ainsi que d'éventuelles mises à jour logicielles. Les caractéristiques du système de télécommunications dépendent de la distance entre la sonde spatiale et la Terre, de la quantité d'énergie disponible, de la masse de la sonde. Le composant le plus visible du système est l'antenne parabolique grand gain. Plus le diamètre de cette antenne est élevé, plus le faisceau radio émis peut être concentré et le débit est important, ce qui est vital lorsque la distance avec la Terre entraîne une forte baisse du débit. L'antenne peut être fixe ou orientable pour permettre de la pointer vers la Terre de manière indépendante de l'orientation retenue pour la sonde souvent contrainte par la direction du Soleil (production d'énergie) ou par rapport à l'objet étudié (caméras…)^[6].

Pour que la liaison radio fonctionne, il faut que le faisceau radio émis par l'antenne grand gain soit pointé précisément vers la Terre. La sonde spatiale dispose toujours par ailleurs d'antennes à faible gain omnidirectionnelles qui ne permettent qu'un débit de données très faible mais ne nécessitent aucun pointage. Ces antennes sont mises en œuvre à faible distance de la Terre mais elles permettent surtout de maintenir la liaison radio en cas d'échec de problème de pointage de l'antenne grand gain, par exemple lorsque la sonde spatiale ne parvient plus à maintenir son orientation à la suite d'une défaillance de son calculateur ou de son système de contrôle d'attitude. Il existe également des antennes aux caractéristiques intermédiaires dites moyen gain qui émettent un faisceau large de 20 à 30° avec des débits moyens. L'émetteur radio émet en bande S, X ou Ka^[6].

Liaisons optiques

Schéma du terminal optique de la sonde spatiale lunaire LADEE de la NASA.

Les communications entre la Terre et un engin spatial explorant le système solaire, donc situé à très grande distance de la Terre, sont difficiles car le diamètre du faisceau d'ondes arrivant sur la Terre augmente comme le carré de la distance entre la sonde spatiale et la station de réception sur Terre. Or, plus le faisceau d'ondes est large, plus le signal reçu est faible. Dans le cas d'une sonde spatiale circulant au niveau de Pluton ou de Neptune, objets célestes distants d'environ quatre milliards de kilomètres de la Terre, le diamètre du faisceau d'ondes au niveau de la Terre est dix milliards de fois plus large que celui émis par un satellite circulant sur une orbite géostationnaire terrestre. Autrement dit, un émetteur radio capable de transmettre dix gigabits par seconde depuis l'orbite géostationnaire ne pourra transmettre qu'un unique bit par seconde depuis les orbites de Pluton ou Neptune. Pour accroitre ce débit, on a d'une part amélioré la capacité des équipements radio embarqués sur les sondes spatiales (utilisation de fréquences radio plus courtes, augmentation du diamètre de l'antenne pour obtenir un faisceau d'ondes plus étroit comme la bande Ka) et d'autre part optimisé les stations réceptrices (sensibilité des récepteurs, diamètre de l'antenne accru)^[7]. Ces efforts ont permis d'atteindre un débit de 6 Mb/s depuis l'orbite martienne à bord de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) grâce au changement de fréquences (utilisation de la bande Ka], à 32 GHz, au lieu de la bande X, à 8 GHz)^[8] et un peu plus de 1 kb/s depuis l'orbite de Pluton^{[Note 2],[9]}). Mais les perspectives d'amélioration des émetteurs et récepteurs radio sont réduites. Il est difficile d'augmenter la taille de l'antenne parabolique utilisée par la sonde spatiale^{[Note 3]} car on est limité par le diamètre de la coiffe du lanceur. Côté récepteur, les antennes paraboliques atteignent une taille qu'il devient difficile de dépasser (70 mètres pour les plus grosses antennes du Deep Space Network de la NASA) et on ne peut guère améliorer les mesures prises pour réduire le bruit de fond^{[Note 4]} car les amplificateurs sont d'ors et déjà maintenus à des températures proches du zéro absolu<refname=Hemmati2005-p2/>.

Les instruments embarqués sur les engins explorant le système solaire génèrent des volumes de données de plus en plus importants, en particulier les caméras, les radars et les spectromètres. Ainsi, du fait du goulot d'étranglement constitué par les capacités du système de communication, les engins chargés de réaliser la cartographie de Mars, comme MRO, n'ont pu réaliser celle-ci à la résolution maximale que sur une faible proportion de la surface de la planète, malgré deux décennies d'observation continue. Pour cette raison, la résolution spatiale et spectrale effective des données collectées par les sondes spatiales est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle des instruments utilisés sur les satellites orbitant autour de la Terre^[10].

Pour augmenter le débit de ses missions interplanétaires, la NASA expérimente depuis le début de la décennie 2010 le recours à une liaison optique. La fréquence beaucoup plus élevée du rayonnement optique (le proche infrarouge est utilisé) combinée à un rayonnement cohérent (laser) permettent d'obtenir un débit nettement plus important et un faisceau dont la divergence est réduite. L'équipement optique embarqué demande également moins de puissance électrique et une masse inférieure à celle des équipements radio. L'utilisation du laser dans ce contexte se heurte toutefois à la nécessité d'un pointage extrêmement précis depuis un support se déplaçant éventuellement à grande vitesse par rapport au récepteur et à des problèmes de transparence de l'atmosphère, lesquels peuvent interdire toute liaison durant une proportion significative de l'année^[11].

Deux sondes spatiales ont été équipées à titre expérimental d'un équipement de transmission optique. En 2013/2014 la sonde spatiale LADEE, placée en orbite autour de la Lune à environ 350 000 kilomètres de la Terre, a utilisé un terminal optique Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD) pour communiquer avec la Terre. Un débit descendant de 622 Mbs/s et ascendant de 20 Mb/s a été atteint^[12]. La sonde spatiale Psyché, lancée en octobre 2023, est elle équipée d'un système de télécommunications optique Deep Space Optical Communications (DSOC), qui doit être utilisé à titre expérimental pour des communications à des distances allant jusqu'à plus de 300 millions de kilomètres^[13].

Équipement DSOC de la sonde spatiale Psyché. À gauche, le banc optique, qui comprend notamment le miroir primaire et la plateforme montée sur des plots mobiles permettant d'ajuster le pointage avec six degrés de liberté ; à droite, l'enveloppe du banc optique.

Système de cntrôle thermique

Système de navigation

Autonomie

Analyse du rayonnement électromagnétique au cœur de l'instrumentation scientifique

Spectre électromagnétique continu.

Exemple de spectre présentant des raies d'émission.

Exemple de spectre présentant des raies d'absorption.

La majorité des instruments scientifiques embarqués à bord d'une sonde spatiale, en particulier à bord d'un orbiteur, repose sur l'analyse du rayonnement électromagnétique émis par les objets observés. Ces instruments sont par exemple les caméras, spectromètres, et radars. Ils exploitent le fait que la matière dans tous ses états (gaz, solide…) émet des rayonnements qui constituent une signature permettant d'identifier et de quantifier ses composants (molécules ou à défaut type d'atome). En effet l'espace est en permanence traversé par le rayonnement électromagnétique produit par les objets célestes (étoiles, planètes) mais également résultant d'événements passés (explosion d'étoile, Big Bang…). Ce rayonnement est plus ou moins énergétique (des ondes radio les moins énergétiques aux rayons gamma en passant par le rayonnement micro-ondes, infrarouge, la lumière visible, l'ultraviolet et les rayons X) selon le phénomène qui lui a donné naissance. La matière interagit avec ce rayonnement : selon la longueur d'onde du rayonnement incident elle peut absorber ce rayonnement (raies d'absorption) ou elle peut le réémettre avec une intensité plus forte dans d'autres longueurs d'onde (raies d'émission). Le phénomène de la fluorescence dans laquelle un matériau est frappé par un rayonnement non visible et réémet dans le rayonnement visible est le cas le plus vulgarisé^[17].

Méthodes d'observation

Les instruments sont rangés dans quatre grandes catégories en fonction de la méthode d'observation utilisée^[18] :

Télédétection / observation directe

La télédétection est l'observation d'un objet à distance. Les caméras permettent d'obtenir par cette méthode une image d'un objet lointain et un spectromètre mesure les longueurs d'onde du rayonnement émis par cet objet. L'observation directe ou in situ est la mesure de phénomènes au contact des capteurs de l'instrument : un magnétomètre mesure le champ magnétique au voisinage immédiat de l'instrument et un détecteur de poussières mesure les particules qui viennent frapper directement son capteur.

Instrument passif / actif

Les instruments qui effectuent des observations directes comme ceux qui fonctionnent par télédétection sont soit passifs soit actifs.

Un instrument actif utilise de l'énergie pour sonder un objet : c'est par exemple le cas d'un radar qui émet des ondes radio qui sont réfléchies par l'objet étudié, ces ondes étant alors analysées. C'est également le cas du spectromètre à particules alpha et à rayons X qui émet des particules de grande énergie à partir d'une source radioactive. Ces dernières viennent frapper l'objet mis à son contact (une roche) et l'instrument analyse les rayons X renvoyés par l'objet.

Un instrument passif se contente d'observer ce qui est déjà là sans fournir d'énergie pour sonder l'objet. C'est le cas d'une caméra sauf si un spot lumineux vient éclairer l'objet (cas de la caméra embarquée sur Huygens).

Catégories d'instruments scientifiques

Caméras et télescopes…

Caméra haute résolution HiRISE de l'orbiteur martien MRO.

Spectromètre de masse

SAM embarqué sur le rover Curiosity est le spectromètre de masse le plus sophistiqué embarqué jusque-là sur une sonde spatiale.

Certaines molécules, comme l'azote ou l'argon interagissent peu avec le rayonnement électromagnétique. Les molécules lourdes au contraire interagissent de manière complexe avec des émissions réparties sur toute la bande spectrale ce qui rend difficile leur interprétation et l'identification de la molécule d'origine. Le spectromètre de masse est un instrument utilisé pour identifier et quantifier les molécules de ce type. C'est un instrument qui est également bien adapté aux cas où la densité des molécules est faible^[19]. Le spectromètre de masse fonctionne au contact de la matière utilisée, ce qui limite son utilisation aux sondes atmosphériques et aux engins qui se posent à la surface des objets célestes étudiés (atterrisseur, rover). Son fonctionnement repose sur la mesure de la masse des molécules. Différentes techniques peuvent être utilisées. Après avoir été ionisé, le matériau à analyser passe dans un détecteur qui peut être un analyseur quadripolaire (analyse de la trajectoire dans un champ magnétique) ou un système de mesure de vitesse, etc.

Lancement

Capacité du lanceur

Fenêtre de lancement

Lorsqu’un engin spatial doit être lancé vers une autre planète, il est nécessaire de prendre en compte les positions relatives de la Terre et de la planète visée. Pour des raisons de coût, ces engins sont généralement conçus pour n'emporter que la quantité de carburant permettant juste d'atteindre leur destination dans la configuration la plus favorable, par exemple permettant d'utiliser l'assistance gravitationnelle d'une planète survolée durant le transit ou limitant la durée du transit. Cette configuration n'apparaît qu'à des intervalles de temps éloignés (par exemple, un créneau d'environ huit mois tous les deux ans pour Mars). La fenêtre de lancement définit la plage horaire et les jours calendaires durant lesquels le lancement peut avoir lieu et qui permet à la sonde spatiale d'atteindre son objectif^[20]). Le calendrier de réalisation du satellite tient donc compte de la fenêtre de lancement. Il est ainsi arrivé qu'à la suite de retard dans le développement ou de problèmes de lanceur, la fenêtre de tir ait été manquée et le lancement reporté de plusieurs mois sinon de plusieurs années.

Transit

Phase opérationnelle

Missions en cours ou en développement

Mission	Statut	Lancement	Destination	Type	Principales caractéristiques
Voyager 1	En cours	1977	Planètes géantes puis milieu interstellaire	Survol
Voyager 2	En cours	1977	Planètes géantes puis milieu interstellaire	Survol
2001 Mars Odyssey	En cours	2001	Mars	Orbiteur
Europe Mars Express	En cours	2003	Mars	Orbiteur
Mars Reconnaissance Orbiter	En cours	2005	Mars	Orbiteur
New Horizons	En cours	2006	Pluton et ses lunes	Survol
Lunar Reconnaissance Orbiter	En cours	2009	Lune	Orbiteur
Akatsuki (PLANET C)	En cours	2010	Vénus	Orbiteur
Mars Science Laboratory	En cours	2011	Mars	Rover
Juno	En cours	2011	Jupiter	Orbiteur
MAVEN	En cours	2013	Mars	Orbiteur
Hayabusa 2	En cours	2014	Astéroïde Ryugu	Retour d'échantillon
Europe Modèle:ExoMars Trace Gas Orbiter	En cours	2016	Mars	Orbiteur
OSIRIS-REx	En cours	2016	Astéroïde Bénou	Retour d'échantillon
BepiColombo	En cours	2018	Mercure	Orbiteur
InSight	En cours	2018	Mars	Atterrisseur
Chang'e 4	En cours	2018	Lune	Atterrisseur et Rover
Chandrayaan-2	En cours	2019	Lune	Orbiteur, atterrisseur et Rover
EMM	En cours	2020	Mars	Orbiteur
Tianwen-1	En cours	2020	Mars	Orbiteur, atterrisseur et Rover
Perseverance	En cours	2020	Mars	Rover
Chang'e 5	En cours	2020	Lune	Retour d'échantillon
KPLO	En cours	2022	Lune	Orbiteur
Europe JUICE	En cours	2023	Europe, Ganymède	Orbiteur
Luna 25	En cours	2023	Lune	Atterrisseur
En développement
SLIM	En développement	2023	Lune	Atterrisseur
Zheng He	En développement	2023	Astéroïde	Retour d'échantillon
Europa Clipper	En développement	2023	Europe	Orbiteur
Mangalyaan 2	En développement	2024	Mars	Orbiteur
Chang'e 6	En développement	2024	Lune	Retour d'échantillon
MMX	En développement	2024	Mars	Retour d'échantillon
MMX	En projet	2024	Phobos et Déimos	Orbiteur
Dragonfly	En développement	2026	Titan	Aérobot
Europe Comet Interceptor	En développement	2028	Comètes	Survol
Europe Rover ExoMars	En développement	2028	Mars	Rover
Venera-D	En projet	2029	Vénus	Orbiteur, ballons et atterrisseur
Mission de retour d'échantillons martiens	En projet	2030	Mars	Retour d'échantillon
Projets à l'étude
Shukrayaan-1	En projet	2024	Vénus	Orbiteur
Next Mars Orbiter	En projet	2024	Mars	Orbiteur	Satellite de télécommunications

Notes

Références

Bibliographie

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Caractéristiques générales

• (en) Graham Swinerd, How spacraft fly : spaceflight without formulae, Springer Praxis, 2008, 272 p. (ISBN 978-0-387-76571-6)
• (en) Michel van Pelt, Space Invaders : how robotics spacecraft explore the solar system, Praxis, 2007, 312 p. (ISBN 978-0-387-33232-1)
• (en) Peter W. Fortescue, John Stark et Graham Swinerd, Spacecraft systems engineering, New York, J. Wiley, 2003, 678 p. (ISBN 978-0-470-85102-9 et 978-0-471-61951-2, OCLC 50479241)
• (en) Michael D Griffin et James R French, Space Vehicle Design 2^e édition, AIAA Education series, 2001, 665 p. (ISBN 978-1-56347-539-9)
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• (en) Dave Doody, Deep Space Craft : an overview of Interplenetary flight, Springer Praxis, 2009, 440 p. (ISBN 978-3-540-89509-1)
• (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, 2007 (ISBN 978-0-521-12958-9)
• (en) Miguel R. Aguirre, Introduction to Space Systems : Design and synthesis, Springer Space Technology Library, 2013, 482 p. (ISBN 978-1-4614-3757-4)
• Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Toulouse, Cépaduès, 2005, 246 p. (ISBN 2-85428-662-6)

Technologies

• (en) Strategic Missions and Advanced Concepts Office (JPL), Solar Power Technologies for Future Planetary Science Missions, NASA, 2017, 56 p. (lire en ligne)
• (en) NASA - DOE - DD, Energy Storage Technologies for Future Space Science Missions, NASA, 2017, 136 p. (lire en ligne)
• (en) NASA, Extending Exploration with Advanced Radioisotope Power Systems, NASA, 2005, 129 p. (lire en ligne)
• (en) Jet Propulsion Laboratory, Aerial Platforms for the Scientific Exploration of Venus, NASA, 2005, 25 p. (lire en ligne)

Navigation

• (en) Joseph Guinn, « Deep Space Mission Design and Navigation », NASA, juin 19
• (en) Werner Becker et al., « Autonomous Spacecraft Navigation With Pulsars », Acta Futura 7, vol. 2013,‎ 21 mai 2013, p. 11-28 (DOI 10.2420/AF07.2013.11, lire en ligne) — Principes généraux de la navigation utilisant des pulsars X
• (en) Jet Propulsion Laboratory, An Assessment of Aerocapture and Applications to Future Missions, NASA, 2016, 25 p. (lire en ligne)

Contrôle et planification des missions

• (en) Teck H. Choo, Alice F. Berman, Hari Nair, Lillian Nguyen, Joseph P. Skura et al., « SciBox: An Autonomous Constellation Management System », Johns Hopkins APL Technical Digest, vol. 33, n^o 4,‎ 2017, p. 314-322 (lire en ligne) — Un exemple de logiciel d'ordonnancement et de contrôle de mission SciBox.

Historique des missions

• (en) Asif A Siddiqui, Beyond Earth : a chronicle of deep space exploration, 1958–2018 (SP-2002-4524), NASA, 2018, 393 p. (ISBN 978-1-62683-042-4, lire en ligne)
• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982, Chichester, Springer Praxis, 2007, 534 p. (ISBN 978-0-387-49326-8)
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1957 et 1982.
• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 2 Hiatus and Renewal 1983-1996, Chichester, Springer Praxis, 2009, 535 p. (ISBN 978-0-387-78904-0)
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1983 et 1996.
• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 3 Wows and Woes 1997-2003, Springer Praxis, 2012, 529 p. (ISBN 978-0-387-09627-8)
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1997 et 2003.
• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, 2014, 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2)
• (en) Roger Wiens, Red Rover, Basic Books, 2013, 256 p. (ISBN 978-0-465-05598-2)
  Historique du projet du rover Curiosity
• (en) Emily Lakdawalla, The Design and Engineering of Curiosity : How the Mars Rover Performs Its Job, Cham/Chichester, Springer, 2018 (ISBN 978-3-319-68144-3)
  Historique et caractéristiques du rover Curiosity
• (en) Rob Manning et William L. Simon, Mars Rover Curiosity : An Inside Account from Curiosity's Chief Engineer, Smithsonian Books, 2014, 240 p. (ISBN 978-1-58834-474-8, lire en ligne)
  Historique du projet du rover Curiosity

Articles connexes

• Exploration de Mars, de la Lune et de Vénus
• Mission de retour d'échantillons
• Astromobile
• Satellite artificiel
• Plateforme
• fusée
• Liste des sondes spatiales

Liens externes

• (en) Présentation pédagogique des principaux concepts d'une mission interplanétaire par le centre JPL de la NASA
• (en) Synthèse sur l'utilisation des panneaux solaires pour l'exploration des planètes externes[PDF]
• (en) Synthèse sur les projets de sonde interstellaire (2000)[PDF]
• (en) Etat des lieux : panneaux solaires et batteries (2015)[PDF]