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JUNO

Juno est une mission spatiale de la NASA, qui a pour objectif l'étude de la planète Jupiter. La structure de cette planète gazeuse géante et son mode de formation

Au lancement de la mission Juno, les connaissances sur Jupiter reste largement inconnus malgré plusieurs missions spatiales et les observations astronomiques faites depuis la Terre. La sonde spatiale lancée en 2011 doit collecter sur place des données sur les couches internes de Jupiter, la composition de son atmosphère et les caractéristiques de sa magnétosphère. Ces éléments doivent permettre de reconstituer la manière dont Jupiter s'est formée et de corriger ou d'affiner le scénario de formation des planètes du Système solaire dans lequel Jupiter a, du fait de sa masse importante, joué un rôle majeur.

capture42-7.jpgLa sonde et ses instruments scientifiques

La sonde spatiale a été lancée par une fusée Atlas V le 5 août 2011. Deux ans après son lancement, Juno effectuera un survol à basse altitude de la Terre qui, par assistance gravitationnelle, lui fournira le surcroit de vitesse nécessaire pour atteindre Jupiter. La phase scientifique de la mission débutera après la mise en orbite autour de Jupiter prévue en 2016. Juno doit réaliser ses observations à partir d'une orbite polaire très elliptique de 11 jours qui fait passer la sonde à très basse altitude au-dessus de la planète de pôle en pôle en évitant en grande partie la ceinture de radiations très intense susceptible de l'endommager. La mission doit durer une année au cours de laquelle Juno réalisera 32 survols de la planète.

Juno emporte huit instruments scientifiques dont deux spectromètres, un radiomètre, un magnétomètre et un ensemble d'instruments dédiés à l'étude des pôles de Jupiter. Juno est la première sonde spatiale à destination d'une planète extérieure qui utilise des panneaux solaires au lieu de générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG). Juno est la deuxième mission du programme New Frontiers qui regroupe des missions d'exploration du Système solaire nécessitant un budget moyen. Son coût total est de 1,1 milliard de dollars.

Objectifs de la mission

Juno a pour objectif principal de reconstituer l'histoire de la formation de Jupiter et son évolution. Compte tenu du rôle joué par la planète géante dans la formation du Système solaire, les éléments obtenus doivent permettre d'affiner les théories dans ce domaine et de mieux comprendre les systèmes planétaires découverts autour d'autres étoiles. Malgré les données recueillies par les astronomes et les sondes spatiales qui ont précédé Juno, à la date de lancement de la sonde, Jupiter reste une planète mal connue. Juno, placé sur une orbite elliptique autour de Jupiter, doit permettre d'effectuer des observations permettant de répondre aux points suivants :

  • son mode de formation ;
  • la proportion d'eau et d'oxygène présente ;
  • sa structure interne ;
  • la manière dont les différentes strates de la planète se déplacent les unes par rapport aux autres ;
  • la présence d'un noyau solide et sa taille ;
  • la manière dont le champ magnétique est généré ;
  • la relation existant entre les déplacements des couches atmosphériques et les mouvements internes de la planète ;
  • les mécanismes à l'origine des aurores polaires ;
  • les caractéristiques des zones polaires.

La sonde doit rechercher des informations sur plusieurs thèmes importants :

La composition de l'atmosphère

capture43-7.jpgLes aurores polaires de Jupiter sont permanentes et s'étendent jusqu'aux lunes de la planète.

La composition de l'atmosphère fournit des indices sur la genèse de Jupiter et peut permettre de déterminer si les planètes ont pu changer d'orbite au cours de leur processus de formation. Juno doit sonder l'atmosphère jusqu'aux couches soumises à une pression de 100 bars en utilisant des émetteurs micro-ondes qui permettront de dresser une carte tridimensionnelle de l'abondance en ammoniac et en eau.

La structure de l'atmosphère

Juno doit étudier les variations qui se produisent dans les couches profondes de l'atmosphère de Jupiter et leurs incidences sur la météorologie, les températures, la composition, l'opacité des nuages et la dynamique atmosphérique. Grâce à la représentation tridimensionnelle fournie par l'instrumentation, les données recueillies permettront peut-être de définir si la dynamique atmosphérique s'étend jusqu'aux couches où la pression atteint 200 bars ou si elle ne concerne que les strates superficielles jusqu'à une pression de 6 bars.

Le champ magnétique

La sonde doit dresser une carte détaillée du champ magnétique situé à l'intérieur de la planète et dans l'espace environnant ainsi que ses variations. Ces données fourniront en retour des informations sur sa structure interne et sur les mécanismes de la dynamo qui génèrent ce champ.

La magnétosphère au niveau des pôles

capture44-6.jpg la magnétosphère de Jupiter.

Juno doit dresser une carte en trois dimensions de la magnétosphère de Jupiter au niveau des pôles et des aurores, les plus puissantes du Système solaire, qui sont créées par les particules chargées capturées par le champ magnétique pénétrant dans l'atmosphère. Les instruments qui équipent la sonde doivent permettre simultanément d'obtenir les caractéristiques des particules chargées et des champs magnétiques près des pôles tout en effectuant des observations des aurores dans l'ultraviolet. Ces observations doivent permettre d'améliorer notre compréhension de ces phénomènes et de ceux engendrés par des objets dotés de champs magnétiques similaires, comme les jeunes étoiles possédant leur propre système planétaire.

Le champ de gravité

En étudiant les variations du champ de gravité de Jupiter, la sonde Juno fournira des indications sur la distribution des masses à l'intérieur de la planète, l'incidence sur la planète du déplacement de son atmosphère et du mouvement de marée généré par les lunes

Transit vers Jupiter et insertion en orbite (2011-2016)

capture45-7.jpgLe transit de Juno vers Jupiter.

La sonde Juno est lancée par une fusée Atlas V 551, la version la plus puissante du lanceur. La fusée place la sonde sur une orbite elliptique dont l'apogée se situe à l'extérieur de l'orbite de la planète Mars. Alors que la sonde a bouclé la moitié de son orbite, deux manœuvres (Deep Space Maneuver ou DSM) destinées à modifier sa trajectoire sont réalisées à quelques jours d'intervalle vers le 28-30 septembre 2012 : le propulseur principal est mis à feu à deux reprises durant 33 minutes ce qui modifie sa vitesse de plus de 800 m/s. Sa nouvelle orbite lui permet de raser la Terre à basse altitude (800 km) environ deux ans après son lancement le 9 octobre 2013 ; l'assistance gravitationnelle de la Terre accélère la sonde de 7,3 km/s ce qui la place sur une orbite de transfert lui permettant d'atteindre Jupiter.

Le transit vers Jupiter dure plus de deux ans et demi. La propulsion principale est utilisée à une dizaine de reprises avant et après le survol de la Terre pour effectuer de petites corrections de trajectoire. Six mois avant l'arrivée, vers janvier 2016, le fonctionnement des instruments est vérifié, ceux-ci sont calibrés. Les premières observations scientifiques sur le champ magnétique et les particules sont effectuées lorsque l'interface entre le vent solaire et la magnétosphère de Jupiter est atteinte quelques semaines avant l'arrivée à proximité de Jupiter. Lorsque la sonde aborde la planète géante début juillet 2016, un peu plus de cinq ans s'est écoulé depuis le lancement (schéma 3). La sonde se place sur son orbite finale en deux temps pour économiser du carburant. La première manœuvre de réduction de vitesse (Jupiter Orbit Insertion ou JOI) est réalisée en faisant fonctionner le propulseur principal durant 30 minutes ; elle permet d'insérer la sonde sur une orbite de 78 jours autour de Jupiter. Cette orbite est modifiée 106 jours plus tard en utilisant à nouveau le propulseur principal durant 38 minutes (Period reduction maneuver ou PRM) ce qui ramène l'orbite de la sonde à 11 jours. Une dernière manœuvre de correction est effectuée 7,6 jours plus tard pour parfaire l'orbite sur laquelle la sonde va travailler

Les caractéristiques de l'orbite de travail

Pour pouvoir recueillir les données scientifiques nécessaires à l'atteinte de ses objectifs, la sonde doit passer au plus près de Jupiter ce qui lui permet d'utiliser ses instruments à faible distance de la planète en particulier d'effectuer des mesures in situ de l'aurore. Mais en s'approchant autant de Jupiter, elle traverse la ceinture de radiations créées par le champ magnétique de la planète géante qui prend la forme d'un tore entourant Jupiter au niveau de l'équateur et dont l'intensité exceptionnelle constitue un risque de dysfonctionnement des appareils électronique qui équipent la sonde. Pour limiter les dégâts la sonde est placée sur une orbite dont l'excentricité, l'argument du périastre ainsi que la faible altitude au périgée lui permettent de contourner en grande partie la ceinture de radiations : Juno se glisse sous celle-ci lorsque la sonde longe Jupiter et passe à l'extérieur de la ceinture lorsqu'elle s'éloigne de Jupiter. Sur cette orbite polaire, dont l'inclinaison est de 90°, la sonde plonge à l'approche de Jupiter, pratiquement à la verticale vers son pôle Nord, survole à très basse altitude (entre 4 200 et 5 200 km) la couche nuageuse de Jupiter jusqu'au pôle sud, puis s'éloigne de Jupiter initialement dans le prolongement de ce pôle pour rejoindre son apogée située à 39 rayons jupitériens de la planète (environ 2,8 millions de kilomètres) à peu près dans le plan de l'équateur. Au cours de sa mission scientifique d'une durée d'un an, la sonde va parcourir 32 fois cette orbite. Celle-ci se déforme progressivement au fil du temps, du fait de la forme légèrement aplatie de Jupiter. La ligne des apsides s'incline progressivement et le temps de séjour de la sonde dans la ceinture de radiations s'allonge à chaque orbite  25 % de la dose totale de rayonnement ionisant que subit la sonde durant sa mission est ainsi reçue durant les quatre dernières orbites autour de Jupiter. L'électronique de la sonde est confrontée à un risque croissant de panne et la mission est volontairement arrêtée à ce stade avant que Juno ne devienne incontrôlable. Au cours de sa 33e orbite vers la mi-novembre, la propulsion de la sonde est allumée une dernière fois pour réduire sa vitesse ce qui diminue l'altitude de son orbite au périgée lorsqu'elle survole à basse altitude Jupiter. Quelques jours plus tard Juno pénètre dans l'atmosphère de Jupiter où elle est détruite par la pression et la température.

Caractéristiques de la sonde Juno

capture46-6.jpgJuno en cours d'assemblage : l'adaptateur est situé au milieu du pont inférieur au centre duquel se trouve le propulseur principal et à l'opposé l'antenne grand gain. Les antennes du radiomètre sont sur le flanc non recouvert de panneaux solaires.

Juno est une sonde spatiale d'une masse de 3 625 kg dont 2 025 kg d'ergols utilisés essentiellement pour les corrections de trajectoire et l'insertion en orbite autour de Jupiter et environ 170 kg de charge utile répartis entre 8 instruments scientifiques. La sonde est stabilisée par rotation (spinné) et les instruments sont fixes. Les composants les plus sensibles sont placés dans un compartiment blindé pour les protéger lorsque l'orbite de la sonde autour de Jupiter coupe la ceinture de radiations. L'énergie est fournie par des panneaux solaires qui remplacent les générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) habituellement utilisés pour les sondes à destination des planètes externes. Comparé à Galileo, le seul orbiteur qui ait précédé Juno est un engin moins coûteux mais beaucoup moins sophistiqué ; Galileo, d'une masse de 2,8 tonnes, emportait 16 instruments scientifiques dont certains montés sur une plateforme stabilisée et d'autres sur une sonde atmosphérique qui, après s'être séparée du vaisseau principal, s'est enfoncée dans l'atmosphère de Jupiter pour en faire l'analyse.

Architecture générale

Juno est composée d'un corps central formé d'un caisson de forme hexagonale encadré par un pont supérieur et un pont inférieur. Le caisson contient les six réservoirs de carburant de forme sphérique et le propulseur principal. Ce dernier débouche au centre du pont inférieur au milieu de l'adaptateur qui solidarise la sonde avec son lanceur. Les cloisons sont réalisées en matériau composite carbone sur une structure en nid d'abeilles. Le pont supérieur est surmonté par un compartiment blindé cubique de taille nettement plus réduite (1 mètre de côté) dans lequel est enfermée l'électronique sensible aux radiations. Des colonnes verticales situées sur les ponts inférieur et supérieur servent de support aux groupes propulseurs chargés du contrôle d'orientation. L'ensemble mesure 3,5 mètres de haut pour 3,5 mètres de diamètre. Les panneaux solaires sont regroupés en 3 ailes repliables qui s'articulent sur le corps central. Une fois déployés, ils offrent une envergure de 20 mètres à la sonde. L'armoire blindée est elle-même surmontée par une antenne parabolique à grand gain de 2,5 mètres de diamètre qui assure les communications à haut débit avec les stations sur Terre. Pour pouvoir communiquer dans toutes les configurations de vol, la sonde dispose également sur le pont supérieur d'une antenne à moyen gain et d'une antenne à faible gain et sur le pont inférieur d'une antenne à faible gain toroïdale. L'emplacement des capteurs des instruments scientifiques, qui sont tous fixes, répond à plusieurs contraintes. Ils sont disposés de manière à pouvoir effectuer des observations dans des conditions optimales compte tenu de l'orientation de la sonde et de son axe de rotation. Cinq des instruments sont situés sur le pourtour du pont supérieur ou du pont inférieur. Les longues antennes WAVES sont fixées sur le pont inférieur. Les capteurs du magnétomètre sont placés à l'extrémité d'une des ailes pour que les mesures ne soient pas perturbées par l'électronique tandis que les antennes plates du radiomètre occupent deux des six flancs du corps central de la sonde. Leur taille est une des contraintes importantes qui ont dû être prises en compte dans le dimensionnement de la sonde. La plus grande partie de l'électronique permettant aux instruments scientifiques de fonctionner est confinée dans le compartiment blindé où se trouvent notamment les calculateurs et les centrales à inertie.

Télécommunications

capture47-6.jpg L'antenne parabolique grand gain en cours d'assemblage avec le corps de la sonde.

La sonde Juno dispose de plusieurs antennes pour communiquer avec les stations de réception sur Terre dans les différentes orientations adoptées durant la mission. Les échanges de données passent essentiellement par l'antenne parabolique grand gain (HGA) de 2,5 mètres de diamètre dont le débit est le plus important. Celle-ci n'est pas orientable et son axe est aligné avec la normale aux panneaux solaires. L'antenne principale transmet l'ensemble des données scientifiques recueillies mais joue également un rôle scientifique important : elle est utilisée pour l'expérience de radio gravité qui doit permettre de fournir des informations sur la structure de la planète. L'antenne moyen gain (MGA) tournée vers l'avant comme l'antenne grand gain nécessite un pointage vers la Terre moins fin que celle-ci et peut être utilisée lorsque l'antenne principale ne peut pas être orientée avec suffisamment de précision vers la Terre ; c'est le cas notamment durant une partie du transit entre la Terre et Jupiter lorsque l'orientation des panneaux solaires vers le Soleil est privilégiée par rapport au pointage de l'antenne principale. Les deux antennes faible gain (LGA) l'une tournée vers l'avant, l'autre vers l'arrière nécessitent un pointage très grossier mais en contrepartie disposent d'un débit très faible. Ces antennes sont utilisées lorsque la sonde entre en mode de survie (safe mode) pour qu'une liaison minimale puisse être établie avec les équipes sur la Terre. L'antenne moyen gain toroïdale (Toroidal Low Gain Antenna ou TLGA) est tournée vers l'arrière et émet un signal qui couvre les angles morts des antennes faible gain sur les côtés de la sonde. Elle joue un rôle crucial durant les manœuvres de correction de trajectoire et d'insertion en orbite autour de Jupiter. La sonde utilise pour communiquer avec la Terre les bandes Ka et X. Le débit descendant (de la sonde vers la Terre) est de 40 kilobits par seconde durant une partie du transit et de 18 kilobits par seconde durant la phase scientifique de la mission. Le débit ascendant est au maximum de 2 kilobits par seconde. Les antennes de 70 mètres de diamètre du Deep Space Network sont utilisées ponctuellement durant les manœuvres critiques mais l'essentiel des données passe par les antennes de 34 mètres. Le volume de données à transférer est d'environ 2,3 gigabits à chaque orbite.

Contrôle d'attitude

Juno est stabilisée par rotation (spinnée) autour de son axe vertical qui est constamment pointé vers le Soleil. Cette solution a été préférée à une stabilisation 3 axes (orientation fixe) pour deux raisons : d'une part elle permet de réduire la consommation de l'énergie électrique peu abondante en supprimant le recours aux roues de réaction pour contrôler l'orientation ; d'autre part elle simplifie la mise en œuvre des instruments de mesure de champ (magnétomètre, WAVES) et de particules (JADE, JEDI) qui peuvent ainsi effectuer leurs observations dans toutes les directions. Les instruments d'observation à distance comme le radiomètre ou les spectromètres UVS et JIRAM, sont entrainés par le mouvement de la sonde contrairement à ce qui avait été retenu pour la sonde Galileo. Les inconvénients pour ces instruments ont été jugés mineurs. La vitesse de rotation de la sonde prend plusieurs valeurs : 1 tour par minute durant le transit entre la Terre et Jupiter, 5 tours par minute durant les manœuvres de correction de trajectoire, 2 tours par minute lorsque les instruments scientifiques fonctionnent à proximité de Jupiter. Les instruments scientifiques sont placés à la périphérie du corps de la sonde de manière à balayer la planète à chaque rotation. Durant le survol rapproché de Jupiter, il est nécessaire de connaitre la position précise de la sonde, pour la précision des relevés. Des senseurs stellaires ont dû être développés spécifiquement pour fonctionner malgré la rotation de la sonde tout en résistant aux radiations à forte énergie que subit la sonde durant une partie de sa trajectoire.

capture48-6.jpgDiagramme de Juno.

Calculateur et logiciels embarqués

Le calculateur utilise un microprocesseur RAD750 disposant d'une mémoire de masse de 250 mégaoctets au format flash et de 128 mégaoctets de mémoire vive de type DDR. Théoriquement il peut traiter jusqu'à 100 millions de bits par seconde de données scientifiques. Un signal envoyé depuis la Terre met 45 minutes pour parvenir à Juno. En conséquence le logiciel qui pilote le fonctionnement de la sonde est conçu pour que celle-ci puisse enchainer les opérations de manière complètement autonome. Les logiciels qui commandent les instruments scientifiques sont complètement séparés du logiciel de la plateforme pour éviter tout risque de corruption de l'un par l'autre. Ces logiciels peuvent être actualisés par téléchargement depuis la Terre.

Énergie électrique

capture49-6.jpgLes panneaux solaires d'une des trois « ailes » de Juno en cours de tests.

La planète Jupiter est cinq fois plus éloignée que la Terre du Soleil et la sonde Juno reçoit, lorsqu'elle orbite autour de Jupiter, 2 à 3 % de l'énergie solaire dont elle dispose au niveau de l'orbite terrestre. Pour cette raison les sondes lancées vers Jupiter et au-delà ont jusqu'à présent eu recours pour la fourniture d'énergie à des générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) qui contrairement aux panneaux solaires ne dépendent pas de l'éclairement. Juno est la première sonde à utiliser des panneaux solaires. Plusieurs raisons sont invoquées par la NASA : la mise en œuvre des RTG est complexe et coûteuse ; compte tenu du profil de son orbite, les besoins électriques ne sont importants que durant 6 heures par période de 11 jours (durée d'une orbite) ; les progrès de la technologie dans le domaine des cellules photovoltaïques ont permis un gain de puissance de 50 % en 20 ans et les panneaux solaires sont plus résistants aux radiations. En utilisant l'énergie solaire la NASA évite également les protestations soulevées par le lancement des RTG contenant du plutonium qui pourrait retomber sur Terre en cas d'échec au lancement. Cependant, la NASA a planifié plusieurs autres projets utilisant des RTG.

Pour répondre aux besoins générés par les instruments scientifiques, les télécommunications et le maintien en fonctionnement de la sonde dans l'environnement froid de Jupiter, Juno dispose de 45 m2 de cellules solaires (surface totale des panneaux de 60 m2). Celles-ci sont réparties sur 3 ailes de 8,86 mètres de long formées chacune d'un petit panneau (2,02 × 2,36 mètres) et de 3 panneaux plus importants (2,64 × 2,64 mètres) articulés entre eux. Sur l'une des ailes, le panneau d'extrémité est remplacé par le support du magnétomètre qui est ainsi placé à distance de l'électronique qui aurait pu fausser les mesures. Les panneaux sont déployés une fois la sonde placée en orbite. L'énergie théorique fournie est de 15 000 W au niveau de l'orbite terrestre et de 428 W lorsque la sonde est en orbite autour de Jupiter. La trajectoire et l'orientation de la sonde sont choisis pour que les panneaux solaires soient en permanence éclairés avec une incidence perpendiculaire des rayons du Soleil. La seule période d'éclipse se produit lors du survol de la Terre au cours duquel le Soleil est masqué durant 10 minutes. Deux batteries lithium-ion de 55 ampères-heures permettent de stocker l'énergie. L'angle des ailes avec le corps central de la sonde est réglé par un bras articulé qui permet de le modifier légèrement pour compenser le déplacement du centre de masse de la sonde après chaque utilisation du moteur principal.

Protection contre les radiations

capture50-6.jpgLe compartiment blindé est le cube situé sur le pont supérieur de la sonde.

Juno, durant son séjour à proximité de Jupiter, traverse à chaque orbite la ceinture de radiations en forme de tore qui entoure Jupiter au niveau de l'équateur. Le rayonnement ionisant présent dans ces régions est dû au piégeage et à l'accélération des particules par le champ magnétique particulièrement puissant de la planète. Les panneaux solaires, les plus exposés, seront soumis à 100 millions de rad au cours de la durée de la mission (environ une année terrestre). Ces radiations affectent le fonctionnement de l'électronique. L'effet peut être temporaire : par exemple une unité élémentaire de la mémoire change d'état (un bit passe de 0 à 1) ce qui peut avoir des conséquences graves lorsque cette modification touche l'instruction d'un programme. Il peut y avoir également dégradation permanente de composants par génération de paires électrons-trous dans les couches isolantes, créant des courants parasites qui perturbent ou ne permettent plus le fonctionnement du composant. Les performances des panneaux solaires ou la qualité des éléments d'optique sont également affectées. Pour tenir compte de ces effets, la sonde est conçue pour orbiter sur une trajectoire spécifique avec une courte durée dans la zone d'intense radiation.

Pour réduire les impacts nocifs de la ceinture de radiations de Jupiter, les sondes qui ont précédé Juno se sont, soit tenues écartées de celle-ci, soit n'y ont effectué que de brefs séjours. La mission fixée à la sonde Juno la contraint à subir des expositions beaucoup plus longues. Pour limiter les coûts, les concepteurs de Juno ont choisi d'utiliser des équipements électroniques déjà disponibles qui n'ont pas subi un durcissement leur permettant de supporter l'environnement particulièrement hostile de cette mission. Pour les protéger des rayonnements intenses, les équipements les plus sensibles sont enfermés dans un coffre cubique blindée de près d'un mètre de côté. Chacune des six parois de ce compartiment est constituée d'une plaque en titane épaisse de 1 cm environ et d'une masse de 18 kg qui doit arrêter une partie du rayonnement. Les équipements situés à l'intérieur du blindage ne devraient pas recevoir plus de 25 000 rads durant toute la mission. Les équipements situés à l'extérieur du coffre blindé disposent d'une protection locale qui est fonction de leur sensibilité aux radiations.

Contrôle thermique

La sonde subit des écarts thermiques importants au cours de sa mission avec une trajectoire qui s'approche à 0,8 unité astronomique (UA) du Soleil et se situe à environ 5 UA durant le séjour près de Jupiter. Pour protéger les composants sensibles de la sonde contre les températures extrêmes rencontrées, Juno utilise une combinaison de moyens passifs (couches d'isolants, peintures) et de moyens actifs (résistances, ouvertures à dimension variable). Lorsque la sonde est relativement proche du Soleil, l'antenne grand gain s'interpose entre celui-ci et le compartiment blindé qui renferme l'électronique sensible.

Propulsion

La propulsion principale est assurée par un moteur-fusée biergol de 645 N de poussée et 317 s d'impulsion spécifique qui consomme un mélange hypergolique d'hydrazine et de peroxyd d'azote. Ce propulseur de type Leros-1b est réservé aux principales corrections de trajectoire et est chargé d'insérer Juno en orbite autour de Jupiter. La sonde dispose par ailleurs de quatre groupes de petits moteurs-fusées monergol consommant de l'hydrazine (Rocket Engine Module ou REM) constitués chacun de deux propulseurs permettant de réaliser une poussée transversale et un propulseur permettant d'effectuer une poussée axiale. Deux REM sont placés sur le pont supérieur et deux sur le pont inférieur. Les REM sont capables d'assurer toutes les corrections d'orbite et d'orientation postérieures à l'insertion de Juno sur son orbite définitive.

Équipements scientifiques

capture51-6.jpgLes longueurs d'ondes des émissions radio reçues par le radiomètre MWR reflètent les caractéristiques de l'atmosphère à différentes profondeur (jusqu'à 500 km de profondeur).capture52-6.jpgLes capteurs du magnétomètre sont installés au bout d'une des trois « ailes », ici repliée, portant les panneaux solaires.

capture53-5.jpgCette vue d'artiste de la sonde permet de distinguer de gauche à droite, l'antenne grand gain qui coiffe le compartiment blindé, les antennes plates du radiomètre MWR sur le flanc du corps de la sonde et l'antenne en V de l'instrument WAVES.

Juno emporte huit ensembles d'instruments comprenant en tout 29 capteurs ainsi que la caméra (JunoCam). Ces instruments comprennent un radiomètre à micro-ondes (MWR) destiné à sonder les couches profondes de l'atmosphère de la planète, un magnétomètre (MAG) chargé de mesurer le champ magnétique interne et externe et une expérience de mesure de la gravité par ondes radio (GS, Gravity Science) pour établir la structure interne de Jupiter. Enfin cinq instruments sont plus particulièrement dédiés à l'étude de la magnétosphère et des aurores polaires : un spectromètre infrarouge (JIRAM), un spectromètre ultraviolet (UVS), un détecteur d'ondes de plasma et d'ondes radio (WAVES) et les deux détecteurs de particules énergétiques JEDI et JADE.

Pour limiter les risques et les couts, tous les instruments sont fournis par des équipes qui peuvent s'appuyer sur des dispositifs embarqués à bord d'une des sondes suivantes : New Horizons, Mars Global Surveyor, Cassini ou Galileo. Mais la mission de Juno est exigeante en termes de performances et de conditions rencontrées ce qui a souvent imposé de faire évoluer les instruments existants. Ainsi le magnétomètre doit pouvoir mesurer un champ magnétique de 16 gauss soit deux ordres de magnitude au-dessus des instruments développés auparavant ; tous les instruments doivent faire face à des écarts de température liés à la trajectoire de la sonde qui se trouve peu après son lancement à 0,8 unité astronomique (UA) du Soleil et durant la phase de l'étude scientifique à environ 5 UA.

Radiomètre MWR

Le radiomètre à micro-ondes (Microwave Radiometer ou MWR) comporte 6 antennes montées sur deux des flancs du corps hexagonal de la sonde. Celles-ci permettent d'effectuer des mesures des ondes électromagnétiques émises sur autant de fréquences toutes situées dans le domaine des micro-ondes : 600 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz, 4,8 GHz, 9,6 GHz et 22 GHz. En effet les nuages dans les couches profondes de l'atmosphère jupitérienne émettent dans toutes les fréquences radio mais seules les fréquences micro-ondes parviennent à traverser une grande épaisseur d'atmosphère. Le radiomètre doit permettre de mesurer l'abondance de l'eau ainsi que celle de l'ammoniac dans les couches profondes de l'atmosphère jusqu'à 200 bars de pression soit 500 à 600 km de profondeur (le précédent sondage effectué par la sonde Galileo explorait jusqu'à 22 bars). La combinaison des différentes longueurs d'onde et de l'angle de l'émission doit permettre d'obtenir un profil de température à différents étages de l'atmosphère. Les données recueillies permettront de déterminer jusqu'à quelle profondeur s'effectue la circulation atmosphérique.

Magnétomètre MAG

Le magnétomètre (MAG), développé par le Centre de vol spatial Goddard de la NASA, est capable d'indiquer la direction et l'intensité du champ grâce à deux capteurs vectoriels (FGM, Flux Gate Magnetometer) pour mesurer le vecteur du champ magnétique et un troisième capteur scalaire (SHM, Scalar Helium Magnetometer) pour en évaluer l'intensité. Les magnétomètres sont montés à l'extrémité d'une des trois ailes supportant les panneaux solaires. Chaque capteur est associé à un senseur stellaire développé par une équipe danoise qui permet de connaitre avec précision l'orientation du capteur. Le magnétomètre doit permettre de dresser une carte d'une grande précision des champs magnétiques qui s'étendent à l'extérieur et à l'intérieur de la planète.

Expérience de radiogravité GS

L'expérience de mesure de la gravité par ondes radio (Gravity Science, GS) doit permettre de dresser une carte de la distribution des masses à l'intérieur de Jupiter. La répartition non homogène de la masse au sein de Jupiter induit de faibles variations de la gravité tout au long de l'orbite suivie par la sonde lorsqu'elle longe au plus près la surface de la planète. Ces variations de gravité entrainent à leur tour de petites modifications de vitesse de la sonde. L'expérience de radiogravité consiste à détecter ces dernières en mesurant l'effet Doppler sur les émissions radio émises par Juno en direction de la Terre en bande Ka et bande X, une gamme de fréquences qui permettent de mener l'étude avec moins de perturbations liées au vent solaire ou à l'ionosphère terrestre.

Les détecteurs de particules énergétiques JADE et JEDI

Les détecteurs de particules énergétiques JADE (Jovian Auroral Distributions Experiment) mesurent la distribution angulaire, l'énergie et le vecteur vitesse des ions et électrons à faible énergie (ions entre 13 eV et 20 keV, électrons entre 200 eV 40 keV) présents dans les aurores polaires ainsi que la masse de ces ions. Il comprend un spectromètre de masse dédié aux ions et 3 analyseurs d'électrons. Sur JADE comme sur JEDI (l'instrument suivant), les 3 analyseurs d'électrons sont installés sur trois des côtés du plateau supérieur ce qui permet une fréquence de mesure trois fois plus importante.

Les détecteurs de particules énergétiques JEDI (Jupiter Energetic Particle Detector Instrument) mesurent la distribution angulaire et le vecteur vitesse des ions et électrons à grande énergie (ions entre 20 keV et 1 000 keV, électrons entre 40 keV et 500 keV) présents dans les aurores polaires. JEDI comprend trois capteurs identiques dédiés à l'étude des ions notamment d'hydrogène, hélium, oxygène, soufre.

Mesure des ondes radio et magnétiques WAVES

L'antenne dipolaire (WAVES) mesure les ondes radio et les ondes de plasma qui se propagent dans la magnétosphère de Jupiter pour étudier les interactions entre le champ magnétique, l'atmosphère et la magnétosphère. Le capteur de WAVES est une antenne en V de 4 mètres de long dont l'une des branches mesure la composante électrique des ondes tandis que l'autre mesure les fluctuations magnétiques.

Spectromètre ultraviolet UVS.

Le spectromètre ultraviolet UVS (UV spectrograph) prend des photos des aurores de Jupiter dans l'ultraviolet (78-205 nm) avec une résolution spectrale inférieure à 3 nm et une résolution spatiale inférieure à 500 km. Combiné avec les données des instruments JADE et JEDI ces images doivent permettre de comprendre la relation existant entre les aurores, les flux de particules qui les créent et l'ensemble de la magnétosphère. Les images obtenues alors que la sonde passe directement au-dessus des zones polaires devraient d'une bien meilleure qualité que celles existantes, fournies par le télescope spatial Hubble.

Spectromètre infrarouge JIRAM

Le spectromètre imageur JIRAM (Jupiter Infrared Aural Mapper) fonctionnant dans le proche infrarouge (entre 2 et 5 μm) effectue des sondages dans les couches supérieures de l'atmosphère jusqu'à une profondeur comprise entre 50 et 70 km où la pression atteint 5 à 7 bars. JIRAM doit notamment fournir des images des aurores dans la longueur d'onde de 3,4 μm dans des régions où abondent les ions H3+. L'instrument doit également ramener des données sur les zones dépourvues de nuages qui se créent parfois dans l'atmosphère de Jupiter (les hot spots) qui constituent des fenêtres sur les couches internes de l'atmosphère. En mesurant la chaleur irradiée par l'atmosphère de Jupiter, JIRAM peut déterminer comment les nuages chargés d'eau circulent sous la surface. Certains gaz en particulier le méthane, la vapeur d'eau, l'ammoniac et la phosphine absorbent certaines longueurs d'ondes dans le spectre infrarouge. L'absence de ces longueurs d'ondes dans les spectres relevés par JIRAM est une manière de détecter la présence de ces gaz. JIRAM est un bonus ajouté à la charge utile après la sélection de la mission : il n'a pas été exigé que cet instrument satisfasse aux exigences de résistance aux radiations. Cet instrument est fourni par l'Institut national d'astrophysique italien.

Caméra en lumière visible JunoCam

La sonde emporte également une caméra couleur (JunoCam) fonctionnant en lumière visible (400-900 nm), qui ne répond à aucun objectif scientifique mais devant fournir les premières images des pôles de Jupiter avec une résolution de 1 pixel pour 15 km. JunoCam a une optique grand angle avec un angle de champ de 58°. La caméra, qui est développée à partir de la caméra de descente MARDI de la sonde martienne Mars Science Laboratory lancée à la fin de l'année 2011, est conçue pour résister aux radiations durant au moins 7 orbites.

Masse et consommation des instruments scientifiques (estimation 2007)

Composant

Masse (kg)

Consommation (W)

Magnétomètre FGM

15,25

12,5/12,5

Magnétomètre SHM

9,08

6,5/6,5

Instrument ondes radio et plasma WAVES

10,87

9,6/9,6

Détecteur de particules JADE

27,52

17,3/17,3

Détecteur de particules JEDI

21,6

9,7/9,7

Radiomètre micro-ondes MWR

42,13

32,6/0

Spectrographe ultraviolet UVS

13,65

11,8/11,8

Caméra infrarouge JIRAM

13,1

18,4/0

Caméra lumière visible JunoCam

1

6/6

Total charge utile

173,7

124/73,4

Masse sèche

1 593

 

Carburant

2 032

-

Sonde

3 625

 

¹ : L'expérience de radio gravité n'est pas décomptée car elle utilise les équipements de télécommunications. ² : Consommation durant les orbites 1 et 3 à 6 / Consommation durant les autres orbites.

Historique et avancement de la mission

capture55-5.jpgJuno sur l'aire de lancement au sommet de son lanceur Atlas V (4 aout 2011).

Sélection de la mission

Juno fait partie du programme New Frontières qui a pour mission une exploration scientifique approfondie des planètes du système solaire

En 2003, le Conseil National de la Recherche des États-Unis publie l'Étude décennale 2003-2013 des sciences planétaires (Planetary Science Decadal Survey). Comme dans ses versions antérieures, ce document fait un état des lieux des questions les plus importantes touchant aux sciences planétaires et propose une stratégie d'exploration spatiale et astronomique pour les 10 années suivantes cohérente avec ces interrogations. Le rapport de 2003, intitulé 2003-2013, New Frontiers in the Solar System, identifie 12 axes de recherche et définit sept missions spatiales (en excluant celles consacrées à la planète Mars) à lancer en priorité. À côté d'une mission lourde à destination de la lune de Jupiter, Europe et de l'extension de la mission de la sonde Cassini figurent cinq missions de classe moyenne c'est-à-dire d'un coût compris à l'époque entre 325 et 650 millions $ : ce sont l'exploration de Pluton et de la Ceinture de Kuiper  mission New Horizons), une mission de retour d'échantillon depuis le pôle sud de la Lune (Lunar South Pole-Aitken Basin Sample Return), un orbiteur placé sur une orbite polaire autour de Jupiter emportant trois sondes atmosphériques (Jupiter Polar Orbiter with Probe qui deviendra Juno), une mission d'étude in situ de Vénus (Venus In-Situ Explorer) et une mission de retour d'échantillon depuis une comète (Comet Surface Sample Return).

L'une des conséquences de cette étude est la création par la NASA d'une nouvelle classe de missions spatiales interplanétaires : le programme New Frontiers regroupe des projets d'exploration du Système solaire nécessitant un budget de taille moyenne avec un coût plafonné à 900 millions $ hors lancement (en 2011). Ce type de mission s'intercale entre les missions du programme Flagship au budget non plafonné mais rares (une par décennie) comme Mars Science Laboratory (2,5 milliards $) et les missions du programme Discovery comme MESSENGER dont le cout ne doit pas excéder 450 millions $ mais dont la cadence de lancement est relativement rapprochée (6 missions pour la décennie 2000). La première mission du programme New Frontiers est New Horizons. Juno est la deuxième mission ; elle est sélectionnée parmi 7 autres propositions le 1e juin 2005 à la suite d'un appel à candidatures lancé par la NASA en février 2004. La sonde est baptisée Juno, Junon en français, déesse et épouse du maitre des dieux Jupiter dans la mythologie romaine, car sa mission est notamment de révéler ce que cache Jupiter derrière ses nuages à l'image d'un des faits connus attribués au personnage mythologique

La responsabilité de chaque projet du programme New Frontiers est confiée par principe à une personnalité du monde universitaire ou de la recherche qui, notamment, sélectionne les différents participants et est responsable du budget. Pour Juno ce Principal Investigator (PI) est Scott Bolton du Southwest Research Institute. La direction de mission est assurée par le Jet Propulsion Laboratory, centre de la NASA à qui est confiée la majorité des missions interplanétaires et qui fournit par ailleurs le radiomètre MWR et le système de télécommunications. Le constructeur aérospatial Lockheed Martin est sélectionné pour la conception et la fabrication de la sonde.

De la conception aux tests

Au moment de sa sélection, il était prévu que Juno soit lancée en 2009, mais au cours de l'année suivante, l'échéance est reculée de 1 puis 2 ans. Ce délai est mis à profit pour affiner le scénario de la mission : l'orbite préalable de 78 jours autour de Jupiter est ajoutée car elle permet de gagner de la masse, préparer la phase scientifique et donne l'opportunité d'observer sous un angle différent sa magnétosphère. La vitesse de rotation de la sonde durant son séjour près de Jupiter est fixée après une étude approfondie des avantages et inconvénients par les équipes scientifiques concernées et les ingénieurs.

Après une phase de conception de pratiquement 3 ans, le projet passe avec succès la revue de conception préliminaire (PDR) et entre en phase de réalisation le 1er septembre 2008. Durant le développement qui suit, des modifications notables sont apportées à la conception initiale. Les résultats de simulations des effets des radiations sur l'électronique enfermée dans le compartiment blindé permettent d'optimiser l'épaisseur des parois de celui-ci. Sa masse est réduite de 180 à 157 kg. Par ailleurs le tantale porté par une structure en nid d'abeilles retenu au départ pour ces parois est remplacé par du titane plus facile à usiner et à modifier pour prendre en compte les changements de dernière minute. Après avoir affiné la modélisation du cycle de vieillissement des cellules photoélectriques utilisées par Juno et pris en compte la marge de puissance estimée indispensable, l'équipe projet décide de porter la surface des panneaux solaires de 50 à 60 m En octobre 2007, le lanceur Atlas V est sélectionné pour un cout du lancement de 190 millions $. L'assemblage de Juno débute le 1e avril 2010 dans l'établissement de Lockheed Martin situé à Denver.

Lancement de la sonde spatiale

La fusée retenue pour le lancement de Juno est une Atlas V 551. Il s'agit de la version la plus puissante de ce lanceur : elle dispose de cinq propulseurs d'appoint qui fournissent avec le premier étage une poussée de 985 tonnes au décollage pour une masse totale avec la charge utile de 574 tonnes. La sonde spatiale ainsi que le second étage sont entourés d'une coiffe aérodynamique de 5 mètres de diamètre qui est larguée dès que les couches les plus denses de l'atmosphère ont été dépassées. La fenêtre de lancement, d'une durée d'environ une heure chaque jour, s'étend du 5 août au 26 août. La date du lancement conditionne celle de la sonde martienne Mars Science Laboratory qui doit utiliser le pas de tir pour une mise en orbite comprise entre fin novembre et décembre. La sonde Juno est lancée le 5 août 2011, à 16 h 25 UTC, depuis la base de Cape Canaveral.

La sonde emporte trois figurines LEGO représentant Jupiter, Junon et Galilée ainsi qu'une copie gravée sur une plaque de la lettre du savant italien décrivant sa découverte des lunes jupitériennes fournie par l'Agence spatiale italienne.

Calendrier prévisionnel de la mission

La sonde doit survoler la Terre en octobre 2013 pour une manœuvre d'assistance gravitationnelle qui doit lui donner une vitesse suffisante pour se placer en orbite autour de Jupiter en juillet 2016. La fin de la mission est planifiée pour octobre 2017.

VOIR AUSSI LES CHAPITRES SUR : Jupiter, Europe, Ganymède et Callisto


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