Phobos : D�crocher la lune

Apr�s les r�sultats d�sappointant de 1973 et 15 ans d'absence sur la sc�ne martienne, les sovi�tiques repartent � l'exploration de la plan�te rouge en 1988 avec deux sondes de nouvelle g�n�ration. L'objectif principal des deux engins n'�tait cependant pas la plan�te Mars elle-m�me, mais l'un de ses satellites, qui a d'ailleurs donn� son nom aux deux sondes : Phobos.

L'int�r�t de la communaut� scientifique pour les petits corps (ast�ro�des et com�tes) du syst�me solaire s'�tait effectivement fortement accru, et le satellite martien Phobos repr�sentait un objectif de choix. Les petits corps, qui comptent parmi les mat�riaux les plus primitifs du syst�me solaire, sont des �l�ments indispensables pour comprendre son origine et son �volution. Or on pense que Phobos n'est rien d'autre qu'un ast�ro�de errant captur� par le champ gravitationnel de la plan�te Mars. Phobos pr�sente aussi un avantage non n�gligeable en terme d'accessibilit�. L'�nergie � fournir � un engin spatial � destination du satellite martien est bien plus faible que celle n�cessaire pour se rendre sur la Lune ou sur Mars. De plus, contrairement aux autres ast�ro�des qui se d�placent selon des trajectoires mal d�finies, il se contente de tourner autour de Mars ! 

De plus le satellite Phobos appartient au syst�me martien et la plan�te rouge avait �t� choisie comme fil conducteur pour le programme d'exploration plan�taire sovi�tique apr�s 1990. La mission Phobos �tait donc un pr�curseur des prochaines tentatives sovi�tiques.

Les objectifs des sondes Phobos �taient en fait multiples. Outre l'�tude de la surface du satellite martien, les orbiteurs devaient accomplir des objectifs secondaires : �tude de l'environnement interplan�taire, observation du soleil, caract�risation de l'environnement plasmatique au voisinage de la plan�te Mars, �tude de la surface et de l'atmosph�re martienne.

Les sondes

La conception et la mise au point de la mission Phobos avaient demand� 8 ans et de nombreux changements �taient intervenus en cours de route. Dans un premier temps, les sovi�tiques avaient envisag� un atterrissage � la surface du satellite. Une man�uvre compliqu�e mais riche en promesses scientifiques, l'�tude in situ de la surface de Phobos pouvant fournir plus de r�sultats que toutes les analyses men�es � distance. Mais l'atterrissage lui-m�me posait de s�rieux probl�mes techniques. 

La mission a donc subi une refonte et un sc�nario incluant un orbiteur et des modules de descente a donc �t� retenu. Dans un premier temps, Phobos devait se placer autour de Mars sur une orbite elliptique �quatoriale. Des man�uvres propulsives devaient ensuite alt�rer la forme de l'orbite pour la rendre circulaire et la rapprocher sensiblement du satellite Phobos. Enfin, des ajustements tr�s fins �taient effectu�s pour permettre � la sonde de fr�ler � de nombreuses reprises la lune martienne � des distances oscillant entre 50 et 100 m�tres. Au cours de l'un de ses survols rapproch�s, Phobos devait larguer deux petits modules de descente vers la surface du satellite pour y conduire des exp�rimentations in situ (en particulier l'�tude de la composition �l�mentaire de la surface). Phobos profitait aussi du survol � basse altitude pour vaporiser une partie de la surface de la lune gr�ce � un faisceau laser (exp�rience LIMA - D) et un faisceau � ions (exp�rience DION). Le nuage de mati�re lib�r� pouvait ensuite �tre analys� par des spectrom�tres de masse pr�sents � bord de l'orbiteur. Cette technique qui consiste � choquer la surface de Phobos puis � voler � travers le nuage lib�r� pour l'analyser est �galement employ�e par la mission Aladdin (m�me si Aladdin utilise un canon � projectiles plut�t que des faisceaux �nerg�tiques pour perturber la surface).

Les sondes �taient principalement compos�es d'une section toro�dale pressuris�e (renfermant les syst�mes �lectroniques) entour�e par un module cylindrique qui supportait les instruments scientifiques. Sous cet ensemble �tait fix� quatre r�servoirs sph�riques remplis d'hydrazine. Une fois le moteur principal abandonn�, l'hydrazine alimentait les moteurs du syst�me de contr�le d'attitude et servait pour les ajustements orbitaux. Les deux sondes �taient stabilis�es sur les trois axes. Des capteurs solaires et stellaires permettaient � la sonde de se rep�rer dans l'espace. Le syst�me de contr�le d'attitude avait � sa disposition 28 moteurs de man�uvre (24 d�veloppant une pouss�e de 50 Newtons et 4 d'une pouss�e de 10 Newtons) r�partis sur les r�servoirs d'hydrazine, le corps de la sonde et les panneaux solaires.

La mission Phobos comportait en fait deux atterrisseurs diff�rents. Le premier, DAS, avait une dur�e de vie importante (1 ann�e) mais �tait statique. Une fois la phase d'atterrissage termin�e, il ne pouvait plus changer de place. Le second, baptis� Hopper, �tait beaucoup plus amusant. Sa dur�e de vie n'�tait que de quelques jours, mais il pouvait se comporter comme un v�ritable Z�bulon cosmique.  En faisant des bonds � la surface de la lune martienne, il pouvait se d�placer � sa guise. L'amplitude de chaque bond �tait de 20 m�tres au maximum, et notre robot sauteur pouvait en effectuer une dizaine.

Les sondes Phobos comptent encore aujourd'hui parmi les engins les plus lourds jamais lanc�s � destination d'autres plan�tes. Chaque sonde pesait 6200 kg, dont 3600 kg pour le syst�me de propulsion et 500 kg pour la charge scientifique. Cette nouvelle g�n�ration de sonde comportait des am�liorations sensibles par rapport aux sondes sovi�tiques pr�c�dentes (qui adh�raient presque toutes � un m�me concept). Mais le nouveau n'a pas toujours que des bons c�t�s et les contr�leurs n'�taient pas vraiment familiaris�s avec les changements apport�s sur les sondes Phobos, ce qui a conduit � des erreurs fatales.

La charge scientifique

La plupart des instruments scientifiques �taient pr�sent sur les deux sondes, mais certains n'�taient embarqu�s qu'en un seul exemplaire, sur Phobos 1 ou sur Phobos 2. La charge scientifique des sondes Phobos �tait en bonne partie internationale et de nombreux pays avaient particip� � la mission : l'Autriche, la Bulgarie, la Tch�coslovaquie, la Finlande, l'Allemagne, la France, la Hongrie, l'Irlande, la Pologne, la Su�de, la Suisse, les Etats-Unis, sans compter l'Agence Spatiale Europ�enne.

Liste des instruments des orbiteurs Phobos

Liste des instruments de l'atterrisseur statique (DAS)

Liste des instruments de l'atterrisseur sauteur (Hopper)

La mission

Phobos 1

Phobos 1 d�colle du cosmodrome de Ba�konour le 7 juillet 1988. Le vol vers Mars s'effectue sans probl�me notable jusqu'au 2 septembre 1988 ou les communications sont brutalement interrompues. Malgr� des tentatives d�sesp�r�es pour reprendre le contact avec la sonde, Phobos 1 restera muette � jamais.

Une �tude ult�rieure va r�v�ler qu'une erreur humaine est � l'origine de la perte de la sonde. Le 29 et le 30 ao�t, Phobos 1 avait effectivement re�u un fichier de commandes destin� � l'un de ses instruments scientifiques. Malheureusement, les commandes furent mal interpr�t�es par l'ordinateur de bord, et celle-ci d�sactiva les moteurs de man�uvre du syst�me de contr�le d'attitude. Incapable de conserver sa position dans l'espace, la sonde a commenc� � tournoyer lentement sur elle-m�me et les panneaux solaires ont perdu leur orientation vis � vis du soleil. Devenue incapable de profiter de l'�nergie solaire, la sonde a �puis� les ultimes r�serves �nerg�tiques contenues dans ses batteries avant de se taire � jamais.

Aujourd'hui, lorsqu'un �v�nement inhabituel survient (r�ception d'un jeu de commandes erron�, d�s�quilibre provoqu�e par une microm�t�orite), les sondes spatiales se placent d'elles-m�mes dans un mode de sauvegarde : l'engin stoppe imm�diatement toutes ses activit�s, oriente ses panneaux solaires dans la direction du soleil pour pouvoir continuer � alimenter ses syst�mes de bord en �nergie, puis attend patiemment des instructions de la Terre. Aux ing�nieurs d'analyser la situation, de corriger une �ventuelle erreur, et de sortir la sonde de son mode de veille. Malheureusement pour elle, Phobos n'avait pas �t� con�ue pour se comporter de la sorte en cas d'anomalies critiques ...

Phobos 2

Phobos 2 d�colle le 12 juillet 1988, soit 5 jours apr�s sa s�ur jumelle et fonctionne correctement pendant sa phase de croisi�re vers Mars. Elle atteint la plan�te rouge le 29 janvier 1989 et s'ins�re avec succ�s sur une orbite elliptique caract�ris�e par une p�riode de r�volution de 79,2 heures, un p�riapse de 865 km et une excentricit� de 0,903.

Depuis cette premi�re orbite, Phobos 2 commence � observer la plan�te Mars et � �tudier son environnement plasmatique. Au milieu du mois de f�vrier, l'orbite est modifi�e � deux reprises et la sonde se positionne sur une orbite pratiquement circulaire situ�e un peu � l'ext�rieur de l'orbite du satellite martien. L'�tude de Mars continue tandis que la sonde obtient ses premi�res images de la lune Phobos. Trois corrections suppl�mentaires placent l'engin sovi�tique sur une orbite synchrone avec Phobos, � une distance qui varie entre 200 et 600 km. Mais le 27 mars, alors que la sonde s'appr�te � accomplir la phase cruciale de sa mission, c'est � dire le survol du satellite Phobos � moins de 50 m�tres et la lib�ration des deux atterrisseurs, le contact est brutalement perdu.

Pour d�terminer l'orbite de la lune Phobos et se caler dessus, la sonde naviguait entre autre � vue, en utilisant sa cam�ra. Lors des prises de vues, les panneaux solaires n'�taient plus orient�s vers le soleil, et Phobos fonctionnait sur batteries. A intervalles r�guliers, la sonde devait alors pivoter pour amener ses panneaux solaires en face du soleil et recharger ses batteries. On pense que lors de la derni�re man�uvre de navigation, la sonde fut frapp�e par une bouff�e de particules �mises par une �ruption solaire, qui provoqua un dysfonctionnement du calculateur de bord et une coupure des communications avec le vaisseau. Comme dans le cas de Phobos I, la sonde �puisa rapidement ses batteries et s'�teignit d�finitivement.

R�sultats scientifiques

Malgr� la perte de Phobos 2 au point culminant de sa mission, de nombreux r�sultats significatifs ont �t� collect�s pendant les 52 jours pass�s en orbite martienne et la mission ne peut pas �tre qualifi�e d'�chec, mais si nous sommes loin d'un succ�s complet � l'am�ricaine (comme celui des Viking). L'�dition du 19 octobre 1989 de la c�l�bre revue scientifique Nature pr�sentait 14 articles scientifiques discutant des r�sultats pr�liminaires obtenus par Phobos 2. Le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) avait organis� au mois d'octobre 1989 un symposium international ou de nombreux papiers ont �t� pr�sent�s, m�me si les r�sultats �taient une fois encore pr�liminaires.

A la fin des man�uvres de correction orbitale qui ont eu lieu le 21 mars, Phobos 2 �tait si pr�s du satellite martien que des perturbations gravitationnelles ont commenc� � se faire sentir. L'orbite de la sonde a �t� l�g�rement modifi�e, ce qui a permis de d�duire avec pr�cision la masse de la lune martienne. Ayant la masse, il �tait ensuite ais� d'obtenir la densit�, qui s'est r�v�l�e plus faible que pr�vue. La densit� de Phobos est en effet inf�rieure � celle des ast�ro�des de la classe des chondrites carbon�es et son int�rieur doit �tre soit plus ou moins poreux soit riche en glace. Rappelons que Phobos et Deimos sont sans doute des ast�ro�des captur�s par la plan�te Mars et que leur composition doit �tre proche de celle des corps de la ceinture d'ast�ro�de dont ils sont issus.

Une analyse spectrale de la surface de Phobos a �t� obtenue � la fois par le KRFM avec une r�solution spatiale de 1 km et par l'ISM. Aucun des deux spectres ne concordait avec celui des chondrites carbon�es. Des h�t�rog�n�it�s assez importantes ont �t� mises en �vidence par les deux instruments, et la composition de la surface de Phobos serait donc moins homog�ne que pr�vu. LE KRFM a �galement permis de mesurer les temp�ratures � la surface de Phobos ainsi que l'inertie thermique de la surface.

Le syst�me d'imagerie de Phobos 2 a pris 37 photographies de bonne qualit� � une distance variant entre 200 et 1000 kilom�tres. Ces images sont venues compl�ter celles obtenues par les sondes am�ricaines Mariner 9 et Viking. La r�solution des meilleurs clich�s atteint 40 � 80 m�tres par pixel. Ceux ci couvrent en particulier une r�gion situ�e � l'est du crat�re Stickney.

Le radiom�tre � balayage TERMOSKAN a obtenu des images de la surface martienne dans le domaine de l'infrarouge, qui ont �t� par la suite coupl�es � des images prises dans le domaine du visible. La plupart des r�gions �quatoriales de la plan�te ont �t� cartographi�es avec une r�solution spatiale de 2 km. Les images infrarouges montraient en g�n�ral les m�mes caract�ristiques de surface que les photographies classiques, mais avec un meilleur contraste, ce qui illustre l'importance du voile atmosph�rique pour les observations de surface. Ce voile, qui recouvre pratiquement en permanence les terrains martiens, absorbe une certaine partie de la lumi�re visible tout en restant transparent aux infrarouges.

Le spectrom�tre infrarouge ISM a collect� de son c�t� des images multispectrales de la plan�te Mars. Ce spectrom�tre extr�mement puissant �tait utilis� pour la premi�re fois dans une mission d'exploration plan�taire. Pour chaque pixel au sol, il pouvait enregistrer 128 pixels spectraux ! La r�solution spatiale variait de 5 km lorsque Phobos 2 parcourait son orbite d'insertion elliptique � 30 km pour l'orbite circulaire. Ce spectrom�tre a effectu� une cartographie min�ralogique assez compl�te des r�gions �quatoriales et il a observ� pratiquement toutes les formations g�ologiques de la plan�te rouge (comme Valles Marineris ou les volcans du d�me de Tharsis), � l'exception des p�les. En utilisant la bande d'absorption � 2 microns du dioxyde de carbone, une carte du relief martien a pu �tre produite (le CO₂ constitue la majeure partie de l'atmosph�re martienne, et la quantit� observ�e est proportionnelle � la hauteur de la couche d'air situ� entre la sonde et le sol, donc � la hauteur des reliefs martiens).

Le KRFM s'est livr� � une �tude de l'atmosph�re martienne et a obtenu des informations importantes : profils verticaux de temp�rature, composition des nuages, importance des a�rosols.

Lors des quatre premiers passages au p�riapse (le point de l'orbite ou la sonde est la plus proche de Mars), les deux spectrom�tres gamma rayons X GS-14 et VGS ont �tudi� la faible �mission gamma de la surface, ce qui a permis d'identifier sans ambigu�t� du potassium, de l'uranium et du thorium au sein de la cro�te martienne. D'autres �l�ments comme le fer, l'aluminium, le silicium, le calcium et le titane sont vraisemblablement pr�sents. Les r�sultats concordent largement avec ceux obtenus lors de l'analyse chimique inorganique du sol martien par le spectrom�tre � fluorescence XRFS des atterrisseurs Viking. De plus, l'abondance du potassium, de l'uranium et du thorium est pratiquement la m�me que celle mesur� par le spectrom�tre gamma rayons X de l'orbiteur sovi�tique Mars 5.

La seule �tude sp�cifiquement atmosph�rique a �t� men�e par le spectrom�tre AUGUSTE, qui fonctionnait dans deux domaines spectraux : ultraviolet-visible et infrarouge. Ce spectrom�tre observait la disparition et la r�apparition progressive du soleil � travers l'atmosph�re martienne lors des occultations, ce qui lui a permis d'�tudier entre autre les propri�t�s de la couche d'ozone dans le spectre ultraviolet et les variations d'altitude dans l'infrarouge.

Enfin, Phobos 2 a men� � bien l'une des �tudes les plus compl�tes � ce jour sur l'interaction entre le vent solaire et le champ magn�tique martien. Il a obtenu de nouvelles informations sur des �l�ments cl�s comme la magn�topause, l'onde de choc, la queue magn�tosph�rique. Un nouveau processus de d�perdition atmosph�rique, c'est � dire de fuite d'�l�ments dans l'espace, a �t� d�couvert.

L'orbiteur ne s'est cependant pas approch� assez pr�s de la surface martienne pour r�pondre avec certitude � la question suivante : le champ magn�tique observ� provient-il de la plan�te Mars ou du milieu interplan�taire (depuis, le magn�tom�tre de Mars Global Surveyor a largement contribu� � r�pondre � cette question).

En guise de conclusion

Les russes n'ont jamais renonc� � l'�tude de Mars, et encore moins � celle du satellite Phobos. A la fin de l'ann�e 1999, ils ont d�voil� un nouveau projet de mission automatique vers la lune martienne, Phobos Grunt. Lanc�e par une fus�e Soyouz (bien moins co�teuse que la fus�e Proton utilis�e pour Phobos 1 et Phobos 2) en d�cembre 2004, la sonde serait propuls�e par un moteur � ions similaire � celui qui �quipe le d�monstrateur technologique am�ricain Deep Space 1. Apr�s un voyage de 28 mois, la sonde effectuerait un atterrissage sur Phobos avant de creuser la surface et de ramener quelques centaines de grammes d'�chantillons sur Terre en avril 2008. Mais avec un co�t de 120 millions de dollars et une industrie spatiale qui est loin d'�tre au meilleure de sa forme, la mission reste tr�s hypoth�tique. Les chances sont donc minces de la voir se concr�tiser sans une aide ext�rieure significative.

En 1988 les sovi�tiques repartent � l'assaut de Mars en lan�ant deux sondes jumelles, Phobos 1 et Phobos 2. Comme le nom l'indique, l'objectif principal des deux engins �tait l'�tude du satellite martien Phobos, mais ils devaient �galement r�aliser des observations de Mars, du soleil et du milieu interplan�taire. Les orbiteurs Phobos emportaient avec eux deux atterrisseurs qui devaient se poser sur la surface noire de la lune martienne. On distingue sur cette photographie les deux panneaux solaires qui s'�tendent de chaque c�t� du corps de la sonde, la parabole de l'antenne grand gain au sommet et les quatre r�servoirs sph�riques de propergols blancs (Cr�dit photo : CNES/David Ducros).

Dessin d'artiste repr�sentant le survol du satellite Phobos � une distance d'environ 50 m�tres. La sonde Phobos martyrise la surface de la lune martienne avec des canons dignes des vaisseaux de la Guerre des Etoiles (Cr�dit photo : CNES/David Ducros).

La Terre attaque Phobos ! Dessin d'artiste repr�sentant un orbiteur Phobos en train de l�cher une salve d'ion vers la surface de la lune martienne. Les deux sondes comportaient chacune un canon � ions (DION) et un canon laser (LIMA-D) pour �gratigner la surface de Phobos et arracher un nuage de particules. La travers�e de ce nuage de poussi�re permettait ensuite � un spectrom�tre de masse d'analyser le sol pour en d�duire sa composition (Cr�dit photo : droits r�serv�s).

Le survol �tait �galement l'occasion pour la sonde Phobos de largueur deux atterrisseurs � la surface du satellite : un petit robot sauteur (� droite) et une grosse station immobile (� gauche) (Cr�dit photo : CNES/David Ducros).

L'atterrisseur DAS �tait statique, mais poss�dait une dur�e de vie importante. Il pouvait communiquer directement avec la Terre, qui aurait eu ainsi sa premi�re station scientifique sur le satellite Phobos (Cr�dit photo : CNES/David Ducros).

Dessin d'artiste repr�sentant la sonde sovi�tique Phobos 2 en train de larguer vers la surface du satellite martien le petit module sauteur (baptis� Hopper), alors que la calotte polaire sud martienne se dessine au loin. Malheureusement la sonde Phobos 2 fut perdue quelques jours avant le survol rapproch� du satellite martien et le petit module d'atterrissage n'a donc jamais atteint sa surface (Cr�dit photo : droits r�serv�s).

Hopper, l'un des atterrisseurs de la mission Phobos, n'avait pas une grande dur�e de vie, mais il avait �t� con�u pour r�aliser quelque chose d'absolument unique. Non content de se poser sur le sol noir et poussi�reux de la lune martienne Phobos, il pouvait en plus s'y d�placer en effectuant une s�rie de bonds, tel un Z�bulon des temps modernes ! Il communiquait avec la sonde Phobos par l'interm�diaire d'une antenne radio (Cr�dit photo : droits r�serv�s).

Phobos 2 a r�colt� quelques 37 images de bonne qualit� de la lune martienne au cours de ces 52 orbites autour de la plan�te rouge. Malgr� la perte de la sonde au point culminant de la mission (le survol rapproch� de Phobos et le largage des atterrisseurs), les r�sultats acquis sont tout � fait significatifs et la mission ne peut pas �tre qualifi�e d'�checs, un terme qui caract�rise pourtant bon nombre de tentatives sovi�tiques et russes (Cr�dit photo : Ted Stryk 2004).

Vues du satellite Phobos obtenues par la cam�ra Fregat de la sonde sovi�tique Phobos 2 (Cr�dit photo : droits r�serv�s).

Donn�s spectrales de la surface de Phobos enregistr�es par l'instrument ISM. La sonde Phobos 2 aurait observ� une activit� t�nue de d�gazage � la surface de la lune martienne (Cr�dit photo : droits r�serv�s).

Malgr� une fin tragique, la mission Phobos a retourn� des r�sultats int�ressants, comme cette carte min�ralogique de Valles Marineris obtenue par le spectrom�tre proche infrarouge ISM. En tout, cet instrument a recueilli 30 000 spectres infrarouges des r�gions �quatoriales martiennes (avec des r�solutions de 7 � 25 km/pixel) et 400 spectres du satellite Phobos (avec des r�solutions de 700 m�tres/pixel). Il a fourni d'importantes informations sur la min�ralogie de surface et l'atmosph�re de Mars (Cr�dit photo : IAP).