La sonde Venus Express de l’ESA arrive à destination

Première étape : capture de la sonde par Vénus

Avant de pouvoir explorer cette planète jumelle de la Terre, à l’atmosphère brûlante et nuageuse, Venus Express devra se livrer à un exercice difficile, le plus délicat depuis son lancement, en accomplissant une série complexe d’opérations et de manœuvres destinées à placer la sonde sur orbite autour de Vénus. La manœuvre d’injection en orbite (VOI) permettra de réduire la vitesse relative de la sonde par rapport à Vénus, afin qu’elle puisse être capturée par le champ gravitationnel de la planète. Cette manœuvre critique nécessite cependant un timing et un positionnement parfaits.

La phase d’injection en orbite autour de Vénus, qui a officiellement débuté le 4 avril et ne s’achèvera pas avant le 13 avril 2006, se subdivise en trois grandes étapes. La première, l’initialisation, vise à préparer la sonde à la manœuvre de capture proprement dite afin d’éviter qu’une perte du contrôle de certains paramètres sans incidence pour la manœuvre d’injection n’entraîne une activation du mode de sécurité.

Suivra, le matin du 11 avril à 9h17 (heure de Paris), la manœuvre de capture, pendant laquelle le moteur principal sera mis à feu durant environ 50 minutes.

La troisième et dernière étape consistera à réactiver toutes les fonctions de la sonde, en particulier à rétablir la communication avec la Terre, et à transmettre en liaison montante les commandes à exécuter sur l’orbite initiale (dite orbite de capture).

Une séquence automatique de commandes prédéfinies, comprenant le minimum de commandes nécessaires à la mise à feu du moteur principal, sera envoyée vers Venus Express quatre jours avant la manœuvre d’injection en orbite pour contrôler la capture de la sonde.

Toutes les opérations de la sonde seront pilotées par l’équipe de contrôle au sol de Venus Express depuis le Centre européen d’opérations spatiales (ESOC) de l’ESA, situé à Darmstadt, en Allemagne.

Planning des principales opérations de la manœuvre d’injection en orbite (certains horaires sont susceptibles d’être modifiés)

4 avril 2006 : mise sous tension de l’émetteur relié à l’antenne à faible gain de la sonde. Pendant son voyage vers Vénus, la sonde communiquait avec la Terre par le biais de deux antennes à grand gain. Il en sera de même par la suite, lors la phase scientifique de la mission. Mais durant la phase de capture (11 avril), ces deux antennes ne pourront être utilisées en raison de l’orientation de la sonde lors des opérations.

C’est donc l’antenne à faible gain, transmettant un signal faible mais instantanément identifiable, qui sera utilisée pendant toute la durée de la manœuvre d’injection en orbite. Les contrôleurs au sol pourront ainsi surveiller l’évolution de la vitesse de la sonde durant l’allumage du moteur principal à l’aide de l’antenne de 70 mètres du Réseau de l’espace lointain de la NASA, installée en Espagne près de Madrid. Il n’existera alors aucun autre moyen de communication avec la Terre.

5 et 9 avril 2006 : manœuvres de contrôle de la trajectoire. L’ESA disposera de deux fenêtres pour ajuster au besoin la trajectoire de la sonde. Étant donné la précision extrême de la correction effectuée fin mars, Venus Express suit actuellement la bonne trajectoire pour une insertion parfaite sur l’orbite de capture et il est par conséquent peu probable qu’une intervention soit nécessaire.

10 et 11 avril 2006 : derniers préparatifs en vue de la manœuvre d’injection en orbite. Entre 24 et 12 heures avant la manœuvre, les contrôleurs au sol mettront Venus Express en configuration finale pour l’allumage du moteur principal. Au cours des 12 dernières heures, ils vérifieront l’état de fonctionnement du satellite, prêts à procéder à une correction de trajectoire de dernière minute et à adapter la durée de fonctionnement du moteur si nécessaire.

11 avril 2006, 8h03 (heure de Paris) : pivotement de la sonde. Cette manœuvre, qui durera environ une demi-heure, a pour objectif de faire pivoter Venus Express sur elle-même, de sorte à tourner la sortie du moteur principal vers l’avant de la sonde, ce qui permettra un ralentissement (au lieu d’une accélération) du véhicule spatial à l’allumage du moteur.

11 avril 2006, 9h17 (heure de Paris) : mise à feu du moteur principal de Venus Express. Quelques minutes après un allumage des propulseurs destiné à s’assurer que le carburant arrive au circuit d’alimentation du moteur principal, ce dernier sera mis à feu pour une durée de 50 minutes, jusqu’à 10h07.

Cette poussée réduira de 15 % la vitesse initiale de la sonde (29 000 km/h) par rapport à Vénus, permettant sa capture. Venus Express se retrouvera alors sur une première orbite elliptique autour de Vénus, sur laquelle elle restera environ neuf jours. Au moment de sa capture, la sonde se trouvera à quelque 120 millions de kilomètres de la Terre et à 400 kilomètres de la surface de Vénus au point le plus proche.

Au cours de la phase d’allumage du moteur, à 9h45 (heure de Paris) précisément, Venus Express connaîtra une période d’occultation, durant laquelle elle disparaîtra derrière la planète et ne sera plus visible depuis la Terre, pour reparaître environ 10 minutes plus tard, à 9h55. Même avec le signal de l’antenne à faible gain, la sonde ne sera visible que pendant la première moitié et les six dernières minutes du fonctionnement du moteur. La réception du signal transmis par l’antenne à la fin de la période d’occultation sera le premier signe de réussite de l’insertion orbitale.

11 avril 2006, 11h13 (heure de Paris) : rétablissement de la communication entre Venus Express et la Terre. Au terme de la phase d’allumage, Venus Express devra encore exécuter quelques opérations en mode automatique afin de réorienter ses panneaux solaires vers le Soleil et la plus petite de ses deux antennes à grand gain (la n°2) en direction de la Terre. Si tout se déroule comme prévu, la sonde devrait pouvoir établir de premières liaisons de communication avec la station sol de l’ESA à Cebreros, près de Madrid (Espagne), à 11h13. Pendant les quelques heures qui suivront, elle transmettra les informations tant attendues sur son état de marche. Les données relatives à sa trajectoire effective seront communiquées par l’équipe Dynamique de vol de l’ESOC vers 12h30 (heure de Paris).

12 et 13 avril 2006 : début de la pleine réactivation des fonctions de la sonde. Les 24 heures qui suivront la capture de la sonde seront employées à réactiver toutes ses fonctions, et notamment toutes les capacités de contrôle interne. Le 13 avril au matin, la plus grande des antennes à grand gain (la n°1) sera orientée et alimentée par l’émetteur afin de servir, pour la première fois depuis le lancement de la mission, à communiquer avec la Terre. Les deux antennes à grand gain, situées sur deux côtés différents de la sonde, seront utilisées en alternance au cours de la mission pour éviter d’exposer au Soleil les équipements critiques placés à l’extérieur de Venus Express.

Insertion sur orbite finale

L’insertion de Venus Express sur son orbite finale, qui nécessitera une nouvelle série de manœuvres, sera plus longue. La sonde restera 9 jours sur son orbite elliptique initiale, dont le point le plus éloigné de la surface de Vénus (apoastre) se situe à 350 000 kilomètres et le point le plus proche (périastre) à moins de 400 kilomètres d’elle.

Pendant cette période, Venus Express procèdera également à sept mises à feu (deux concernant le moteur principal et cinq les ensembles de propulseurs) pour réduire progressivement l’altitude de l’apoastre d’orbite en orbite. Le 7 mai 2006, après 16 rotations autour de la planète, la sonde atteindra son orbite finale : une orbite polaire elliptique avec un apoastre éloigné de 66 000 kilomètres de la surface vénusienne et un périastre situé à 250 kilomètres de la planète vers 80° de latitude nord.

Le 22 avril, Venus Express entrera dans sa phase de recette en orbite. Jusqu’au 13 mai, ses instruments seront activés un à un pour des vérifications détaillées, puis utilisés collectivement ou par groupe afin de tester les possibilités d’observation simultanée en vue du lancement de la phase scientifique nominale le 4 juin 2006.

Une première série d’observations à partir de l’orbite de capture ...

Pendant sa première orbite de 9 jours autour de Vénus, la sonde pourra procéder à une première série d’observations scientifiques. Ces dernières seront menées à la seule condition que d’autres opérations critiques ne prennent pas la priorité et, en tout état de cause, au plus tôt 30 heures après la manœuvre d’injection en orbite. La première possibilité de recueillir des données scientifiques se présentera les 12-13 avril.

Pendant cette orbite initiale, le disque complet de Vénus sera entièrement visible pour les instruments imageurs de la sonde, ce qui ne se reproduira pas pendant la mission nominale, lorsque le véhicule spatial évoluera dans un périmètre plus proche de la planète. Ces observations porteront essentiellement sur l’hémisphère sud, qui n’a pas fait l’objet d’études approfondies au cours des précédentes missions d’exploration de Vénus.

La géométrie de l’orbite de capture permettra en particulier d’observer la dynamique de l’atmosphère vénusienne en continu et de manière plus détaillée, à grande distance, pendant un laps de temps même supérieur à la durée du cycle de rotation complet de l’atmosphère au sommet des nuages (mouvement de « super-rotation » de 4 jours, encore inexpliqué). De fait, les études atmosphériques comptent parmi les principaux objectifs de la mission.

A plus de 200 000 kilomètres de distance, par exemple, le spectromètre imageur dans le visible et l’infrarouge (VIRTIS) pourra prendre des clichés de la totalité du disque planétaire et de son atmosphère. Pendant la phase d’observation scientifique nominale, les images de l’atmosphère devront être élaborées à partir d’une mosaïque de clichés.

De même, l’analyseur de plasma et d’atomes neutres à haute énergie (ASPERA) aura une occasion exceptionnelle d’étudier à distance le vent solaire affranchi de toute perturbation et de recueillir des données sur les processus d’échappement atmosphérique qui règnent sur cette planète dépourvue de magnétosphère protectrice.

Pendant que la sonde évoluera sur l’orbite de capture, tous les instruments – à l’exception de l’expérience de radioscience (VeRA) et du spectromètre à transformée de Fourier (PFS) – pourront effectuer des observations pendant plusieurs heures par jour à des dates bien définies.

… et bien d’autres activités scientifiques par la suite

La mission Venus Express a été conçue pour observer la planète pendant deux jours vénusiens, soit 486 jours terrestres, et pourrait être prolongée d’autant.

Malgré l’intérêt soutenu porté à Vénus dans le cadre des précédentes missions d’exploration – cette planète occupe la troisième place dans la liste des objets les plus visités du système solaire, après la Lune et Mars – , bien des énigmes restent à élucider. Tirant parti des indices livrés par les missions antérieures, les instruments d’observation sans équivalent conçus pour Venus Express s’emploieront à examiner avec une précision inégalée les aspects insolites de cette planète.

Ces capacités d’observation reposent sur l’association de différents instruments : spectromètre planétaire à transformée de Fourier (PFS) ; spectromètre atmosphérique dans le visible et l’infrarouge (SpicaV/SOIR) ; spectromètre de cartographie dans le visible et l’infrarouge (VIRTIS) ; caméra de surveillance visuelle (VMC).

Ces instruments, extrêmement sensibles à un large éventail de longueurs d’ondes électromagnétiques allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, permettront d’étudier de manière détaillée l’atmosphère vénusienne et son interaction avec la surface de la planète. En association avec le magnétomètre MAG, l’analyseur ASPERA et l’expérience VeRA, ils examineront tous les aspects de l’interaction entre l’atmosphère et le flux permanent du vent solaire.

Venus Express sera la première sonde à profiter des « fenêtres infrarouges », ces bandes de visibilité étroites découvertes dans la partie infrarouge du spectre atmosphérique. Elle pourra ainsi glaner des informations de grande valeur sur la basse atmosphère, voire sur la surface.

La mission nous permettra aussi d’en savoir plus sur le fonctionnement particulièrement complexe de la dynamique atmosphérique et du système nuageux, les causes du phénomène de « super-rotation » de l’atmosphère au sommet des nuages, ou encore sur l’origine du double vortex au pôle nord.

Venus Express s’intéressera également aux processus régissant la chimie atmosphérique infernale de l’Etoile du Berger : des températures de surface pouvant atteindre 500 C, une atmosphère composée essentiellement de dioxyde de carbone, et des nuages d’acide sulfurique. La sonde étudiera le rôle de l’effet de serre vénusien – le plus puissant de ceux qui aient été observés dans le système solaire - sur l’évolution du climat de la planète et nous apportera des éléments de réponse à la question de savoir si Vénus représente un stade possible de l’évolution future de la Terre.

Enfin, les analyses conjuguées de l’atmosphère dense et de la surface de Vénus devraient nous permettre de mieux comprendre la géologie de la planète rouge et de déceler les signes d’une éventuelle activité volcanique ou sismique.

Communications sonde-sol

Pendant sa mission nominale, Venus Express communiquera avec la Terre via la station sol de l’ESA installée à Cebreros (Madrid, Espagne). La station sol ESA de New Norcia, en Australie, interviendra en soutien de l’expérience de radioscience VeRA.

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ESA – Division Relations avec les médias
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Don McCoy, Chef du projet Venus Express à l’ESA
E-mail: Don.McCoy @ esa.int

Håkan Svedhem, Responsable scientifique du projet Venus Express à l’ESA
E-mail: Hakan.Svedhem @ esa.int