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NEW HORIZONS

Une sonde spatiale de la NASA chargée d'étudier la planète naine Pluton et son satellite Charon qu'elle doit survoler en 2015.

Il est prévu qu'elle soit ensuite dirigée vers d'autres petits corps célestes de la ceinture de Kuiper dont Pluton et Charon font partie capture129-1.jpgNew Horizons est la première mission spatiale qui explore cette région du système solaire. Du fait de leur éloignement on dispose de très peu d'informations sur ces corps célestes qui sont à peine visibles avec les meilleurs télescopes. Or les caractéristiques des objets de la ceinture de Kuiper sont susceptibles de fournir des informations importantes sur le processus de formation du système solaire. Pluton et Charon forment un système de planète double qui sera étudié pour la première fois.

New Horizons a été développé pour fonctionner dans cette région très éloignée de la Terre et du Soleil. La conception de la sonde et de la mission prennent ainsi en compte la faiblesse de l'ensoleillement qui impose le recours à un générateur thermoélectrique à radio-isotope et à une isolation thermique renforcée, le débit limité des télécommunications (1 ko/s) et la durée du transit vers son objectif (9 ans) qui nécessite une grande fiabilité des composants critiques. Les sept instruments scientifiques embarqués comprennent une caméra fonctionnant en lumière visible et en infrarouge, un spectromètre imageur ultraviolet, une caméra dotée d'un fort téléobjectif, deux spectromètres destinés à mesurer les particules, une expérience de radio-occultation et un compteur de poussières. Ceux-ci doivent permettre de caractériser la géologie, les structures en surface, la composition du sol et sa température, la structure et la composition de l'atmosphère des corps célestes survolés.

La sonde est lancée le jeudi 19 janvier 2006. Le 28 février 2007 elle effectue un survol de Jupiter qui lui a permis de gagner 4 km/s grâce à l'assistance gravitationnelle. Le survol de Jupiter permet de faire des observations scientifiques intéressantes sur l'atmosphère de la planète et son champ magnétique. Elle entame alors le transit vers Pluton, durant lequel elle est mise en sommeil. Elle doit atteindre Pluton le 14 juillet 2015 puis se diriger vers d'autres petits corps de la ceinture de Kuiper qui lui seront désignés en cours de mission. New Horizons est la première mission du programme New Frontiers de la NASA dont l'objectif est d'effectuer une exploration scientifique fouillée des planètes du système solaire avec des sondes spatiales d'un coût inférieur à 700 millions de dollars c'est-à-dire plus cher que les sondes du programme Discovery mais moins cher que la mission phare Mars Science Laboratory.

capture130-1.jpgPluton

Les tentatives d'exploration précédentes

New Horizons est la première sonde qui a pour objectif l'étude et le survol de Pluton. En raison de son éloignement, Pluton est une destination à risque, raison pour laquelle les projets d'étude de cette planète naine ont été annulés les uns après les autres, comme le programme Planetary Grand Tour qui prévoyait l'envoi de quatre sondes, dont deux en direction de Jupiter, Saturne et Pluton. Mais suite à des contraintes budgétaires de la NASA, cette dernière a été dans l'obligation de revoir sa copie et de n'envoyer que deux sondes : Voyager 1 et 2. La mission Pluton a dû être abandonnée car le Jet Propulsion Laboratory (JPL) ne pouvait diriger, pour des raisons de configuration planétaire, une sonde à la fois vers Uranus, Neptune et Pluton.

Une autre mission américaine d'exploration de Pluton et de la ceinture de Kuiper nommée Pluto Kuiper Express prévue pour 2004 fut annulée en 2001, à cause des dépassements de budget des satellites James Webb Space Telescope et Gravity Probe B.

Après plusieurs autres projets avortés, New Horizons est né. Il doit en partie sa réalisation au fait que le National Research Council (NRC) a fait de Pluton et de la ceinture de Kuiper un objectif principal de l'exploration du système solaire. Le coût de la mission est estimé à 700 millions de dollars US.

Objectifs scientifiques

La mission a trois objectifs principaux :

  • Obtenir une description globale de la géologie et de la morphologie de Pluton et de Charon
  • Déterminer la composition de la surface de Pluton et Charon
  • Déterminer les caractéristiques de l'atmosphère neutre de Pluton et son taux d'échappement

Les objectifs secondaires sont les suivants :

  • Étudier la variation dans le temps de la surface et de l'atmosphère de Pluton
  • Réaliser des prises de vue en relief de Pluton et Charon
  • Cartographier le terminateur de Pluton et Charon avec une résolution élevée
  • Définir avec une résolution élevée les caractéristiques des terrains de zones choisies de la surface de Pluton et Charon
  • Étudier les caractéristiques de l'ionosphère de Pluton et ses interactions avec le vent solaire
  • Rechercher les molécules présentes dans l'atmosphère neutre de Pluton
  • Rechercher la présence d'une atmosphère autour de Pluton
  • Déterminer la température à la surface de Pluton et Charon

Caractéristiques techniques de la sonde

capture131-1.jpg La sonde New Horizons au Centre spatial Kennedy peu avant son lancement Les protections thermiques dorées ne sont pas encore posées (25 septembre 2005).

Les contraintes de la mission de New Horizons

Pluton se situe au plus près à 28 unités astronomiques du Soleil et l'énergie solaire reçue à cette distance est le millième de celle reçue en orbite terrestre. Le recours à un générateur thermoélectrique à radio-isotope, qui utilise la chaleur produite par la désintégration radioactive de pastilles de dioxyde de plutonium 238 PuO2 est la seule solution existante pour alimenter en énergie la sonde à raison de seulement 200 Watts lorsque celle-ci survolera Pluton. Il faut donc limiter la consommation électrique nécessaire au maintien d'une température minimale, ce qui passe par une isolation thermique performante, et concevoir ou sélectionner des instruments ayant une consommation très réduite. Au niveau de l'orbite de Pluton, une communication aller-retour avec la Terre met environ 9 heures ; la sonde devra donc être complètement autonome lorsqu'elle survolera Pluton. Compte tenu du faible débit des télécommunications à cette distance de la Terre, il faut que New Horizons puisse stocker l'ensemble des données scientifiques recueillies lors du survol et prendre en compte le fait que leur transfert s'étalera sur plusieurs mois.

Structure

New Horizons est une sonde compacte ayant la forme d'un triangle épais et la taille d'un piano. À l'une des pointes du triangle est fixé un générateur thermoélectrique à radio-isotope de forme cylindrique tandis que sur la face supérieure se trouve la grande antenne parabolique de 2,1 mètres de diamètre assurant la liaison avec le Terre. Sans ces appendices, les dimensions maximales de la sonde sont de 2,1 mètres sur 2,7 mètres pour une épaisseur de 0,7 mètres. De son point d'attache sur le lanceur jusqu'au sommet de son antenne sa hauteur est de 2,2 mètres. Sa masse est de 478 kg dont 77 kg d'hydrazine utilisé par les propulseurs et 30 kg d'instrumentation scientifique.

La structure de la sonde est bâtie autour d'un cylindre central en aluminium qui supporte les principales contraintes durant le lancement. À l'une de ses extrémités se trouve l'adaptateur qui solidarise la sonde à la fusée. Des panneaux en nid d'abeille d'aluminium auxquels sont accrochés les différents équipements et instruments sont fixés au cylindre ainsi que le générateur thermoélectrique à radio-isotope. Le réservoir contenant le carburant utilisé par les propulseurs de la sonde est situé à l'intérieur de ce cylindre.

Énergie

capture132.jpgLa sonde avec son générateur thermoélectrique à radio-isotope. Il ne s'agit que d'une maquette, le vrai RTG est installé immédiatement avant le lancement

Comme la sonde doit se déplacer aux confins du système solaire, où la quantité d'énergie solaire disponible est très faible, la génération d'électricité ne peut être assurée par les traditionnels panneaux solaires. Un générateur thermoélectrique à radio-isotope de type GPHS-RTG est donc embarqué. Ce générateur convertit en électricité la chaleur fournie par la désintégration radioactive de 10,9 kg de dioxyde de plutonium 238 PuO2 : on estime que le RTG fournira encore 190 W en 2015. Le cylindre contenant le générateur est fixé sur un des sommets du triangle. L'antenne parabolique, d'un diamètre de 2,5 m, servant à la communication avec la Terre, est fixée sur une des faces du triangle.

Guidage et contrôle d'orientation

Les instruments scientifiques ainsi que l'antenne principale de New Horizons ne peuvent pas être orientés individuellement contrairement à certaines sondes et ce, essentiellement pour limiter les risques d'un éventuel problème mécanique pouvant survenir sur une mission d'une aussi longue durée. Il est donc nécessaire de modifier l'orientation de la sonde afin de pouvoir pointer les antennes vers la Terre ou les instruments scientifiques vers leur cible. Mais également, comme pour toutes les sondes, afin de corriger des écarts par rapport à l'orientation retenue ou avant d'effectuer des manœuvres de modification de trajectoire. La sonde détermine son orientation en utilisant des senseurs stellaires qui sont de petites caméras permettant de prendre 10 fois par seconde une image en grand angle du ciel. Celle-ci est comparée à une carte de ciel stockée en mémoire répertoriant 3 000 étoiles, ce qui permet au calculateur de la sonde de déterminer son orientation. Cette information est complétée par les variations de vitesse scrutées 100 fois par seconde par une centrale à inertie. Si besoin, le système de contrôle d'orientation utilise ses petits moteurs-fusées pour corriger ou modifier cette orientation. Si les senseurs stellaires ne parviennent plus à déterminer l'orientation, des senseurs solaires qui repèrent la position du Soleil prennent le relais. New Horizons ne dispose pas de roues de réaction qui lui permettraient d'éviter de consommer du carburant pour modifier son orientation. Afin de limiter cette consommation, la sonde est mise en rotation autour de l'axe passant par celui de ses antennes à raison de 5 tours par minute sauf lorsqu'elle manœuvre, utilise ses instruments, transmet des informations ou enfin reçoit des données de la Terre.

Propulsion

La propulsion dont dispose New Horizons ne lui sert pas à accélérer ni à se freiner : en effet une fois lancée sur sa trajectoire par la fusée Atlas V, la sonde n'a qu'à effectuer des corrections de trajectoire pour survoler successivement Jupiter, puis Pluton et enfin éventuellement d'autres objets situés dans la ceinture de Kuiper si ceux-ci sont situés à sa portée. Les propulseurs dont dispose la sonde effectuent les corrections de trajectoire et modifient l'orientation de la sonde. Elle dispose à cet effet de 16 petits moteurs-fusées brulant de l'hydrazine. Quatre d'entre eux ont une poussée de 4,4 Newton et sont essentiellement utilisés pour les corrections de trajectoire. Les 12 autres d'une poussée de 0,8 Newton sont utilisés pour modifier le pointage de la sonde, mettre la sonde en rotation sur elle-même à 5 tours par minute ou au contraire arrêter la rotation notamment pour les phases de survol des planètes. La sonde emporte 77 kg d'ergols stocké dans un réservoir en titane. L'hydrazine est mis sous pression par de l'hélium avant d'être injecté dans les moteurs.

Télécommunications

capture133.jpgLes trois antennes de la sonde sont superposées : de bas en haut l'antenne parabolique grand gain, moyen gain et au-dessus l'antenne omnidirectionnelle faible gain.

New Horizons utilise un système de télécommunications en bande X pour recevoir les commandes depuis la Terre et transmettre les données scientifiques recueillies ainsi que les informations sur le fonctionnement de ses équipements. Les principaux échanges passent par l'antenne parabolique à grand gain qui permet le débit le plus important. Celle-ci, d'un diamètre de 2,1 mètres est fixe afin de supprimer un mécanisme qui pourrait se gripper au cours du long voyage vers Pluton et la sonde doit donc modifier son orientation pour pointer avec une grande précision le faisceau radio, qui ne fait que 0,3° de large, vers la Terre. Au niveau de Pluton, située à plus de 4 milliards de km, le débit chute à 700 bits par seconde et le signal met 4 heures pour parvenir jusqu'à la Terre ; aussi faut il près de 9 mois pour transmettre l'ensemble des données recueillies lors du rapide survol de Pluton et de son satellite. La sonde dispose également d'une antenne parabolique moyen gain installée au dessus de l'antenne grand gain dont le faisceau est large de 14° qui nécessite donc un pointage beaucoup moins précis. Enfin deux antennes faible gain omnidirectionnelles sont montées l'une au-dessus de l'antenne moyen gain l'autre sur la face opposée de la sonde.

La sonde utilise les fréquences suivantes  :

  • liaison montante (Terre vers sonde) : 7 182,043 000 MHz
  • liaison descendante (sonde vers Terre) : 8 437,894 737 MHz ; 8 438,181 818 MHz et 8 438,243 000 MHz

Ces fréquences ne tiennent pas compte de l'effet Doppler.

Calculateur de bord

L'informatique de bord utilise un microprocesseur 32 bits Mongoose-V, version « radiodurcie » — c'est-à-dire « durcie » contre les radiations — du MIPS R3000. Sa fréquence d'horloge est ralentie de 25 à 12,5 MHz pour limiter la consommation électrique. Les données reçues ou à transmettre sont stockées dans une mémoire de 8 gigaoctets conçue pour consommer peu de courant. La taille de cette mémoire est calculée pour permettre le stockage de l'ensemble des données scientifiques récoltées durant le survol de Pluton.

capture134-2.jpgSchéma 1 Vue du dessus : 1 RTG ; 2 Antenne grand gain ; 3 Antenne moyen gain ; 4 Antenne faible gain ; 5 Propulseurs ; 6 Senseurs stellaires ; A Alice ; R Ralph ; S SWAP ; L LORRI ; P PEPSSI ; X REX

capture135-2.jpgSchéma 2 Vue du dessous : 1 RTG ; 2 Louvres ; 3 Propulseurs ; 4 Antenne faible gain ; 5 Senseurs stellaires ; A Alice ; R Ralph ; D Détecteur de poussières ; S SWAP ; L LORRI ; P PEPSSI

Contrôle thermique

Pour résister aux températures très basses des régions situées aux confins du système solaire, New Horizons est conçu de manière à ce que la chaleur ne puisse s'échapper. L'électronique et la majeure partie de l'instrumentation sont enfermées dans des compartiments recouverts d'une protection thermique multi-couches dorée. Celle-ci doit permettre de conserver la chaleur dégagée par l'électronique et maintenir ainsi la température dans une fourchette comprise ente 10 et 30 °Celsius. Si la consommation de l'électronique tombe en-dessous de 150 Watts de petits radiateurs prennent le relais. Lorsque la sonde se trouve encore relativement près de la Terre et du Soleil, la chaleur doit être au contraire dans certains cas évacuée ; des persiennes s'ouvrent automatiquement lorsque la chaleur interne dépasse la valeur maximale autorisée.

Équipements scientifiques

New Horizons dispose de sept instruments scientifiques :

Instrument

Description

Objectifs

Ralph

Imageur/spectromètre dans le domaine du visible et infra-rouge

Fournit la couleur, la composition et la température sur les cartes

Alice

Spectromètre ultraviolet

Analyse la composition et la structure de l'atmosphère de Pluton et les environs de Charon et des objets de la Ceinture de Kuiper

REX (pour Radio Science Experiment)

Radiomètre passif

Mesure la composition et la température de l'atmosphère

LORRI (pour Long Range Reconnaissance Imager)

Télescope

Cartographie de Pluton

SWAP (pour Solar Wind Arround Pluto)

Spectromètre

Mesure le taux d'échappement de l'atmosphère de Pluton et son interaction avec les vents solaires

PEPSSI (pour Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation)

Spectromètre

Mesure la composition et la densité du plasma s'échappant de l'atmosphère de Pluton

SDC (Student Dust Counter)

 

Mesure la taille des particules de poussières se trouvant sur la trajectoire de la sonde New Horizons. Ce programme est géré par les étudiants, encadrés par leurs professeurs, de l'Université du Colorado - Boulder.

 

Lancement et voyage vers Pluton

capture136.jpgLancement de New Horizons par une fusée Atlas V.

La sonde New Horizons est lancée le 19 janvier  2006, à 19h00 UTC (soit 14h00 locales) depuis la base de Cape Canaveral en Floride par une fusée Atlas V-551, version la plus lourde de ce lanceur.

Des fenêtres de tir de secours étaient disponibles pour la fin février 2006 et février 2007, mais elles impliquaient une trajectoire directe vers Pluton depuis la Terre, sans pouvoir bénéficier de l'assistance gravitationnelle de Jupiter. Cela aurait prolongé la mission de 3 à 4 ans. Et sur un si long trajet, un problème peut survenir à tout moment car les risques sont proportionnels à la durée du voyage.

Survol de Jupiter

Après avoir parcouru 2,3 millions de km la sonde aborde Jupiter le 28 février 2007 à une vitesse de 16,66 km/s par rapport au Soleil. L'assistance gravitationnelle de Jupiter accélère la sonde dont la vitesse atteint près de 21 km/s tandis que sa nouvelle trajectoire fait un angle de 2,5° par rapport à l'écliptique.

La caméra LORRI prend la première photo de Jupiter le 3 septembre 2006 puis entame une campagne d'étude systématique du système jovien en décembre 2006. Les instruments de New Horizons permettent d'effectuer des mesures plus précises des orbites des lunes intérieures de Jupiter en particulier d'Amalthée. Les caméras de New Horizons permettent de mesurer la taille des volcans de Io et d'étudier en détail les quatre lunes galiléennes ainsi que d'effectuer des études à grande distance des lunes extérieures Himalia and Elara. La sonde étudie également la petite tache rouge de Jupiter ainsi que sa magnétosphère et l'anneau de faible épaisseur qui l'entoure.

Le survol de Jupiter se produit à 32 rayons de la planète et donne lieu à une campagne d'observation intensive qui dure quatre mois. La sonde dispose d'instruments plus performants, en particulier les caméras, que Galileo dernière sonde à avoir effectué des observations. Les caméras de Galileo étaient des versions évoluées des caméras des sondes Voyager elles-mêmes héritées du programme Mariner. Le survol de Jupiter permet également de vérifier le fonctionnement des instruments et d'effectuer une répétition avant le survol de Pluton. Jupiter étant plus proche de la Terre que Pluton, la sonde peut transmettre une quantité de données plus importante que ce qui pourra être envoyé lors du survol de Pluton.

Survol de Pluton

Le survol de Pluton est prévu le 14 juillet 2015 à 11:59:00 UTC au moment où la planète croisera le plan de l'écliptique. Les observations débuteront 6 mois avant l'approche minimale (permettant pendant 150 jours une résolution supérieure à ce que le télescope spatial Hubble peut fournir) et se poursuivront deux semaines après.

Pluton et Charon seront cartographiés avec une résolution de 40 km/pixel pendant 3,2 jours. Cette durée correspond à la moitié de la période de rotation des deux objets et permettra de photographier les régions invisibles par la sonde lors de son approche minimale.

New Horizons devrait survoler Pluton à 9 600 km de distance à une vitesse relative de 11 km/s et Charon à 27 000 km, mais ces paramètres pourront être changés en cours de mission. Lors du survol, les instruments embarqués devraient permettre d'obtenir des images d'une résolution de 25 m/pixel, une cartographie complète des côtés éclairés par le Soleil avec une résolution de 1,6 km/pixel en couleurs, une cartographie infrarouge globale de 7 km/pixel et de 0,6 km/pixel pour certaines régions, une caractérisation de l'atmosphère des deux objets célestes et des résultats de radioscopie.

Cette mission permettra aussi d'en savoir plus sur les nouveaux satellites décelés sur les clichés de Hubble pris entre le 15 et le 18 mai 2005, découverte qui a été depuis validée par l'Union astronomique internationale qui les a baptisés Hydra (S/2005 P1) et Nyx (S/2005 P2) ainsi que le tout dernier (22 juillet 2011) découvert par Hubble, provisoirement baptisé P4.

Ceinture de Kuiper

Après le survol de Pluton, New Horizons continuera dans la ceinture de Kuiper où un ou plusieurs objets d'environ 50 à 100 km de diamètre pourront être visés et observés. Comme les possibilités de manœuvre sont limitées, cette partie de la mission dépendra des objets que l'on aura pu identifier à proximité du trajet de la sonde.

En 2004, cette partie fut remise en cause à la suite d'une pénurie de Plutonium 238 causée par l'arrêt du Laboratoire national de Los Alamos (où le plutonium de la mission était produit). Ce problème a depuis été résolu (grâce au Plutonium 238 russe) et, bien que New Horizons disposera de moins de puissance que prévu (190 W vers Pluton, au lieu de 225 W), cela devrait être suffisant pour que la mission se poursuive jusqu'en 2025, date à laquelle New Horizons aura atteint la distance de 50 à 60 ua.

  • 24 septembre 2005 : transport de la sonde à Cap Canaveral depuis le centre spatial Goddard à bord d'un avion cargo C-17 Globemaster III.
  • 2006 :
    • 11 janvier : ouverture de la première fenêtre de tir entre 07:06 et 09:06 UTC.
    • 16 janvier : la fusée Atlas V destinée au lancement de la sonde est mise en place sur le pas de tir.
    • 17 janvier : fenêtre de tir ouverte à 18:24 UTC jusqu'à 20:23 UTC. Le lancement est différé à cause de vents de surface trop importants.
    • 18 janvier : fenêtre de tir ouverte à 18:16 UTC jusqu'à 20:15 UTC. Le lancement est différé à cause d'une coupure de courant due à un orage au laboratoire chargé du lanceur et de la mission.
    • 19 janvier : ouverture de la fenêtre de tir à 18:08 UTC jusqu'à 20:07 UTC. La sonde est lancée à 19:00 UTC.
    • 20 janvier : passage de l'orbite lunaire, seulement 9 h après le lancement, à 4:00 UTC.
    • 2 février : fermeture de la fenêtre de tir principale. Lancer la sonde pendant la fenêtre de tir secondaire aurait impliqué de ne pas survoler Jupiter et de repousser le survol de Pluton vers 2019 ou 2020.
    • 15 février : fermeture de la fenêtre de tir pour l'année 2006. Ne pas lancer la sonde pendant cette fenêtre aurait impliqué d'attendre l'année suivante et de repousser encore plus le survol de Pluton.
    • 13 juin : survol de l'astéroïde (132524) APL.
  • 28 février 2007 : survol de Jupiter. La plus proche distance était d'environ 2,5 millions de km.
  • 8 juin 2008 : New Horizons croise l'orbite de Saturne à la distance de 10,06 UA du Soleil (Saturne se trouve quant à elle à 15 UA de la sonde).
  • 29 décembre 2009 : la sonde est à mi-distance de Pluton
  • 18 mars 2011 : la sonde croise l'orbite d'Uranus.
  • 14 juillet 2015 : survol de Pluton.
  • 2015 - 2020 : possible survol d'un ou plusieurs objets de la ceinture de Kuiper.

Les observations initiales débuteront 4 mois avant le survol de Pluton et toutes les données devraient être transmises 9 mois après. Les observations des objets situés dans la ceinture de Kuiper débuteront un mois avant leur survol et la transmission des données s'effectuera en deux mois.

La sonde américaine New Horizons prête à entamer l'étude de Pluton

Neuf ans après le début de son périple qui l'a conduit à 4,8 milliards de kilomètres de la Terre, la sonde New Horizons de la NASA est sortie samedi 6 décembre de son hibernation pour entreprendre une étude sans précédent de la planète naine Pluton et de la ceinture de Kuiper qui l'environne

Le réveil a eut lieu, mais il a fallu attendre quelques heures pour avoir la confirmation du bon fonctionnement de la procédure. A cette distance, les signaux radio mettent quatre heures et 25 minutes pour atteindre la Terre.

DERNIÈRE RÉGION INEXPLORÉE DU SYSTÈME SOLAIRE

La sonde devrait commencer ses observations le 15 janvier. Elle sera au plus près de Pluton le 14 juillet. Quarante fois plus éloignée du soleil que la Terre, la planète se trouve dans la ceinture de Kuiper, une zone du système solaire située au-delà de Neptune et composée de milliers de corps glacés. C'est la dernière région inexplorée du système solaire.

Découverte en 1930, Pluton est un mystère en raison notamment de sa taille réduite. Son rayon n'est que de 1 190 km contre près de 6 400 km pour la Terre. Les astronautes se demandent comment cette planète a pu se former au-delà des planètes géantes Jupiter (70 000 km de rayon), Saturne (60 000 km), Uranus (25 000 km) et Neptune (25 000 km).

En 2006, après la découverte d'autres mini-planètes dans la ceinture de Kuiper, Pluton a perdu son rang de neuvième planète du système solaire pour être ramenée au rang de planète naine.

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