ou UOP () est une mission spatiale d'exploration robotique du système solaire proposée par la communauté scientifique américaine en 2022. Si elle était adoptée par l'agence spatiale américaine, la NASA, elle serait lancée vers 2031. Ce projet à très gros budget (projet Flagship évalué à environ de dollars) a pour objectif l'étude de la planète géante Uranus, de son atmosphère, de ses anneaux et de ses lunes.

UOP, après avoir fait partie des missions recommandées par le rapport de l'Académie des sciences américaine définissant les priorités dans le domaine des sciences planétaires pour la décennie 2013-2022, est devenue la mission bénéficiant de la plus forte priorité dans le rapport produit en et portant sur la décennie 2023-2032. Ce sera la première mission vers une planète de type géante de glaces susceptible de fournir de nombreux éléments sur la formation du système solaire. Les données recueillies devraient permettre de faire progresser de manière notable la majorité des questions clés dans le domaine de la planétologie.

La sonde spatiale de plus de utilise une propulsion chimique ( d'ergols) et est alimentée en énergie par trois générateurs thermoélectriques à radioisotope. Pour mener ses investigations scientifiques elle emporte de nombreux instruments () dont certains sont installés à bord d'une sonde atmosphérique qui sera larguée dans l'atmosphère d'Uranus pour déterminer sa structure et sa composition. UOP après s'être placée en orbite autour d'Uranus fin 2044 (dans l'hypothèse d'un lancement en 2031) doit survoler à plusieurs reprises les principaux satellites de la planète au cours d'une mission d'étude qui doit durer plus de .

Contexte

Uranus est la septième planète du Système solaire par ordre d'éloignement au Soleil. Elle orbite autour de celui-ci à une distance d'environ ( de kilomètres). Il s'agit de la quatrième planète la plus massive du Système solaire et de la troisième plus grande par la taille. Elle a longtemps été rangée comme Jupiter et Saturne dans la catégorie des géantes gazeuses dont la masse est constituée principalement d'hydrogène mais les scientifiques ont découvert dans les années 1990 que pour Uranus comme pour Neptune ce gaz représentait moins de 20 % de sa masse et que l'essentiel de celle-ci était constituée par des éléments chimiques plus lourds comme l'oxygène, le carbone, l'azote et le soufre. Ces éléments seraient piégés dans de la glace d'eau (d'où l'appellation géante de glaces) ou de l'eau dans une phase supercritique. On a découvert depuis que de nombreuses exoplanètes présentaient les mêmes caractéristiques. Les géantes de glace présentent des caractéristiques très différentes des géantes gazeuses telles que Jupiter et Saturne. Leur composition interne indique qu'elles ont été formées dans un environnement et via des processus très différents. Leur structure interne engendre un champ magnétique et une magnétosphère très spécifiques. Uranus présente deux particularités : l'inclinaison de son axe qui atteint 98° et produit un cycle de saisons atypique et une très faible émission de sa chaleur interne. Les plus grosses lunes d'Uranus pourraient abriter un océan souterrain et certaines, en particulier Ariel et Miranda, présentent des signes surprenant d'une activité géologique et semblent avoir libéré de la chaleur interne.

Historique du projet

L'étude in situ d'Uranus impose une mission très couteuse compte tenu de son éloignement du Soleil et de la Terre. La planète n'a été visitée et étudiée à courte distance que par une seule sonde spatiale. mise au point par la NASA a survolé la planète en 1986 et est donc la source de la majorité des informations connues sur la planète.. Uranus et Neptune sont les deux seules planètes du système solaire n'ayant pas fait l'objet d'une mission spatiale dédiée.

Le rapport décennal du Conseil national de la recherche des États-Unis publié en 2011 et définissant les priorités dans le domaine des sciences planétaires pour la période 2013-2023 classe une mission spatiale d'étude d'Uranus au troisième rang des missions prioritaires pour une mission phare après Mars Astrobiology Explorer-Cacher et du composant JEO (Jupiter Europa Orbiter) de la mission d'exploration Europa Jupiter System Mission Uranus and Neptune Orbiter and Probe Concept Studies, Ice Giants Decadal Study, sur sites.nationalacademies.org. THE ATMOSPHERES OF THE ICE GIANTS, URANUS AND NEPTUNE, Mark Hofstadter et al.. Bien qu'une mission vers Uranus basée sur une propulsion chimique soit possible, le scénario propose l'utilisation d'une propulsion électrique spatiale alimentée par une centrale solaire photovoltaïque car elle permet une masse totale des instruments embarqués plus importante. Le lancement aurait lieu dans les années 2020-2023. Le voyage jusqu'à Uranus, assisté par une propulsion électrique, prendrait en utilisant l'assistance gravitationnelle de la Terre une seule fois. La fenêtre de lancement serait de chaque année. Ce projet ne se concrétise pas.

Le rapport du Conseil de la Recherche américain pour la décennie 2022-2032 () publié en donne cette fois la priorité au développement d'une mission vers Uranus. En effet celle-ci contribuera à fournir des réponses à 11 des qui sont estimées cruciales à la date de la sélection dans le domaine de la planétologie. La mission proposée, baptisée Uranus Orbiter Probe, comprend une sonde spatiale qui doit se placer en orbite autour de Uranus et l'étudier durant quatre années et une sonde atmosphérique qui doit plonger dans l'atmosphère d'Uranus pour étudier sa structure et sa composition. Il s'agira de la première étude in situ d'une géante des glaces .

La mission permet de fournir l'ensemble du contexte associé à ce type de planète et Uranus offre un environnement riche en cibles ce qui rend le scénario d'exploration facilement adaptable. La conception de la sonde spatiale fournit une marge importante au lanceur et la mission présente un risque limité car elle ne fait appel à aucune technologie nouvelle. Si nécessaire des instruments peuvent être éliminés (caméra grand angle, capteur hydrogène) ou la mission peut être raccourcie sans nuire aux objectifs. Uranus a été préféré à Neptune car il n'est pas certain qu'une mission vers cette dernière soit réalisable au cours de la décennie du fait de son éloignement.

Objectifs Les questions scientifiques auxquelles la mission doit répondre sont les suivantes : Origine, structure interne et atmosphère : Comment fonctionne la circulation atmosphérique d'une géante de glaces ? Quelle est la structure tridimensionnelle de la « couche météorologique » de l'atmosphère ? Quand, où et comment Uranus s'est-il formé sur le plan à la fois thermique et spatial (en incluant la phase de migration de l'orbite) et quel mécanisme est à l'origine de l'obliquité rétrograde de la planète ? Quelle est la composition d'Uranus et comment celle-ci varie-t-elle en fonction de la profondeur ? Est-ce qu'Uranus est constitué de couches distinctes ou a-t-il un cœur dilué ? Est-ce que cette configuration découle du processus de sa formation ou de son obliquité ? Quelle est la vraie vitesse de rotation d'Uranus ? Est-ce que rotation est uniforme ? Jusqu'à quelle profondeur les vents sont ils actifs ? Magnétosphère : Quelles sont les caractéristiques de la dynamo interne qui produisent son champ magnétique complexe ? Quelles sont les sources de plasma et la dynamique de la magnétosphère et comment celle-ci interagit avec le vent solaire, les couches supérieures de l'atmosphère d'Uranus et la surface des satellites ? Satellites et anneaux : Quelle est la structure interne et le ratio roche/glace des principales lunes d'Uranus et quelles sont celles qui possèdent des sources de chaleur interne et éventuellement des océans souterrains ? Comment la composition et les caractéristiques des lunes d'Uranus contraignent leur formation et leur évolution ? Quelle histoire géologique et quels processus peuvent être déduit des caractéristiques des surfaces des lunes et qu'est ce qu'elles peuvent nous apprendre de la population des impacteurs du système solaire externe ? Quelles sont les indices d'interactions exogènes visibles à la surface ? Quelles sont les compositions, origines et histoires des anneaux d'Uranus et des plus petits satellites internes et quels processus ont déterminé leur forme actuelle ?

Caractéristiques techniques Orbiteur L'étude réalisée en a défini les principales caractéristiques de la sonde spatiale. Celle-ci a une masse totale de et une masse à vide (sans ses ergols) de . Elle est stabilisée trois axes sauf durant les phases de vol durant laquelle elle est mise en hibernation et où elle est stabilisée par rotation. Les manœuvres principales sont réalisées avec deux moteurs-fusées bi-ergols d'une poussée unitaire de alimentés par un système de pressurisation. Le système propulsif permet d'effectuer un changement total de vitesse sur l'ensemble de la mission de . Quatre moteurs-fusées monoergol de de poussée sont utilisés pour contrôler l'orientation et de de poussée sont utilisés par le système de contrôle d'orientation. L'énergie est fournie par trois RTG de type Next-Gen Mod 1 qui produisent chacun en début de vie (diminution de la puissance de 1,9 % par an). Les communications sont réalisées principalement via une antenne parabolique de de diamètre en bande Ka et en . Au niveau d'Uranus le débit en bande Ka devrait être de par seconde. La mission devrait collecter de données scientifiques.

Sonde atmosphérique UOP emporte une sonde atmosphérique de de diamètre ayant la forme d'une demi-sphère prolongée par un cône. Elle est protégée de la chaleur produite par sa rentrée à grande vitesse dans l'atmosphère d'Uranus par un bouclier thermique dont la conception s'inspire des engins développés pour les missions Galileo et Pioneer Venus. La masse de la sonde est de . L'énergie est fournie par deux batteries lithium thionyl chloride ayant une capacité de . La sonde communique avec l'orbiteur en bande UHF avec un débit de par seconde. La sonde atmosphérique sera larguée avant de pénétrer dans l'atmosphère d'Uranus pour en étudier les caractéristiques. Le bouclier thermique est largué une fois que la sonde a été suffisamment freinée puis deux parachutes sont successivement déployés pour ralentir sa descente.

Instruments scientifiques La sonde spatiale emporte les instruments scientifiques suivants d'une masse totale d'environ : Un magnétomètre Une caméra équipée d'un téléobjectif Une caméra équipée d'un grand angle (peut être abandonnée en cas de problème budgétaire) Une caméra effectuant ses observations dans l'infrarouge thermique Une caméra fonctionnant dans le domaine visible et le proche infrarouge Un spectromètre permettant d'étudier les champs et les particules Une expérience de science radio

Par ailleurs la sonde atmosphérique emporte les instruments suivants représentant une masse totale d'environ : Un instrument permettant d'étudier la structure de l'atmosphère Un spectromètre de masse Un oscillateur ultra-stable Un instrument de mesure de l'hydrogène ortho-para (peut être abandonnée en cas de problème budgétaire).

Déroulement de la mission Fenêtres de lancement