vignette|Vue d'artiste de l'insertion de la sonde Cassini-Huygens dans l'orbite de Saturne. vignette|Saturne en vraies couleurs avec les lunes Téthys, Dioné et Rhéa photographiée par Voyager 2. L'exploration de Saturne et de ses satellites à l'aide de sondes spatiales débute en 1979 avec le survol de la planète par Pioneer 11. Saturne, du fait de sa distance de la Terre et du Soleil, est une destination spatiale complexe qui nécessite un savoir-faire et des ressources financières que, jusque-là, seule l'agence spatiale américaine, la NASA, est parvenue à réunir. Jusqu'en 2017, quatre missions spatiales ont visité Saturne et ses satellites, dont une seule, Cassini-Huygens a pu mener des missions prolongées en se plaçant en orbite autour de la planète géante. En 2019 l'agence spatiale américaine a décidé de développer la mission Dragonfly. Celle-ci devrait déposer en 2034 un aérobot à la surface de Titan.

Enjeux scientifiques Saturne est une planète très intéressante pour les scientifiques et planétologues puisque, quant à la taille, elle est la deuxième plus grande planète du système solaire et deuxième plus grande planète gazeuse. Elle est souvent appelée « sœur jumelle » de Jupiter (eu égard à sa taille). Par ailleurs celle-ci attire l'œil des scientifiques puisqu'elle est la seule planète ayant d'aussi grand anneau en taille et qui sont visibles depuis la Terre. Depuis le survol des autres planètes gazeuses par des sondes telles que Pioneer 10 ou Voyager 1 et 2 celle-ci ont pu découvrir que les autres planètes gazeuses ont elles aussi des anneaux certes beaucoup plus minces et très peu visible mais présent.

Saturne est aussi une planète ayant un système de planétoïdes très complexes de différentes tailles. Ces planétoïdes reconnaissable par Titan, Rhéa ou Japet font qu'elles permettent au scientifiques de se poser de nouvelles questions sur leur existence, de leur influence sur Saturne ou de leur composition.vignette|488x488px|centré|Le système de Saturnien : lunes et anneaux.

Vitesse de lancement

Pour parvenir à lancer une sonde spatiale vers une planète du système solaire mais, comme pour Saturne quand elle est aussi loin de la terre, la vitesse de départ doit être élevée : il faut en effet s'extraire de manière plus importante du puits gravitationnel du système solaire et, compte tenu de la distance (Saturne est dix fois plus éloigné du Soleil que la Terre), il faut aller plus vite, pour que le temps de transit entre la Terre et Saturne ne soit pas trop grand donc atteindre une vitesse de libération de la Terre comme pour le Soleil. Mais cette vitesse élevée nécessite de freiner de manière plus importante à l'arrivée sur Saturne, si on souhaite s'insérer en orbite autour de la planète. Tous ces paramètres jouent sur la taille, la masse et la puissance du lanceur qui envoie la sonde spatiale dans l'espace. Pour gérer ces contraintes, les agences spatiales peuvent avoir recours à un lanceur plus puissant, avec un impact sur le coût, réduire la taille de la sonde spatiale, utiliser l'assistance gravitationnelle d'autres planètes pour gagner en vitesse (mais au prix d'un allongement du temps de transit) ou effectuer un simple survol, qui demande moins d'ergols qu'une insertion en orbite.

Énergie

Pour fonctionner une sonde spatiale a besoin de disposer en permanence d'énergie. Les engins spatiaux développés récemment doivent disposer d'une puissance électrique comprise entre pour alimenter les ordinateurs embarqués, l'émetteur-récepteur radio, les moteurs, les instruments scientifiques, les radiateurs ainsi que de nombreux autres équipements. Il n'existe que deux sources possibles d'énergie pour un engin spatial interplanétaire : les panneaux solaires et les RTG qui reposent sur la désintégration d'un élément radioactif. Au niveau de l'orbite de Saturne, dix fois plus éloignée du Soleil que la Terre, une sonde spatiale reçoit moins d'énergie solaire qu'au niveau de la Terre, par conséquent l'utilisation de panneau solaire n'est pas assez rentable pour faire fonctionner la sonde. La seule solution serait l'utilisation de RTG. Les sondes ayant visité le système saturnien, étaient toutes équipées de cette technologie. Cependant, seuls les États-Unis ont utilisé de cette technologie dans l'exploration spatiale, où elle utilise les Isotopes du plutonium qui est pratiquement peu produit actuellement.

Distance entre la Terre et Saturne

L'exploration des planètes externes du système solaire, telles que Saturne, présente de nombreuses difficultés supplémentaires par rapport aux planètes plus proches, comme Mars et Vénus, notamment du fait de l'importante distance Terre - Saturne. L'orbite de Saturne autour du Soleil ayant un rayon moyen de l'ordre de de kilomètres, la distance moyenne entre Terre et Saturne est du même ordre de grandeur. Du fait de la vitesse de la lumière, les informations émises par le centre spatial à destination d'une sonde explorant le système saturnien (ou inversement de la sonde au sol) mettent environ min à parcourir cette distance, un échange complet d'information en mettant le double. La distance entre les opérateurs au sol et une telle sonde impose donc à la fois une grande autonomie des programmes tournant sur l'ordinateur embarqué de la sonde et un système de communication à la fois puissant (taille de l'antenne, puissance de l'émetteur) et précis (antenne à grand gain).

Historique de l'exploration de Saturne par des missions spatiales

Début 2020 quatre missions spatiales ont visité Saturne et ses satellites et une mission est en cours de préparation.

+ Synthèse des missions d'exploration des planètes externes du système solaire Sonde spatiale Année lancement Objectifs principaux Jupiter Saturne Uranus Neptune Pluton Au-delà de Pluton Statut Pioneer 10 1972 Ceinture d'astéroïdes Jupiter Survol en 1973 Distance max du Soleil : 67 UA Mission achevée en 2003 Pioneer 11 1973 Saturne Survol en 1974 1979 Mission achevée en 1995 Voyager 11977 Jupiter Saturne Titan Survol en 1979 1980 Distance Soleil > 136 UA (2016) En cours Voyager 2 1977 Neptune Uranus Survol en 1979 1981 1986 1989 Distance Soleil > 112 UA(2016) En cours Galileo1989 Jupiter et satellites galliléens Orbiteur (1995) Mission achevée en 2003 Ulysses1990 Soleil Survol en 1992 Mission achevée en 2009 Cassini–Huygens1997 Saturne Titan (sonde atmosphérique) Survol en 2000 En orbite entre 2004 et 2017 Mission achevée en 2017 New Horizons2006 Pluton et TNO Survol en 2007 2015 survol (486958) Arrokoth (2019) En cours Juno2011 Jupiter Orbiteur (2016) Fin prévue en 2021~ Missions en cours de développement JUICE2023 Callisto Europe Ganymède Orbiteur en 2030 Fin prévue en 2033 Europa Clipper2025 Europe Orbiteur en 2031 Fin prévue en 2034 Dragonfly2025 Titan Aérobot en 2034 Fin prévue en 2037Légende : Les missions sont des survols sauf signalé explicitement autrement, en vert les objectifs principaux de chaque mission

Pioneer 11 (survol)

vignette|Les anneaux de Saturne photographiés par Pioneer 11.

L'exploration spatiale de Saturne débute avec le survol de la planète par la petite ( au lancement) sonde spatiale Pioneer 11 lancée en 1973. La sonde spatiale atteint Saturne le , passant à du sommet des nuages. Les concepteurs de la mission avaient décidé que la sonde spatiale devait effectuer un test de la traversée des anneaux de Saturne en empruntant la future trajectoire des sondes spatiales Voyager pour s'assurer qu'il existait suffisamment d'espace entre les particules composant l'anneau. La traversée s'effectue sans encombre et Pioneer 11 prend les premières photos rapprochées de la planète, découvre deux satellites et un anneau jusque-là inconnu (l'anneau F), étudie la magnétosphère saturnienne et établit que la température sur le satellite Titan est vraisemblablement trop basse pour permettre le développement d'une forme de vie, malgré la présence de méthane et de molécules organiques.

Voyager 1 (survol)

Voyager 1 lancée en 1977 pénètre le au cœur du système planétaire de Saturne. Le jour suivant, la sonde effectue un survol très rapproché () de la lune Titan, un des corps célestes les plus intéressants du Système solaire. Les scientifiques savaient avant ce survol que Titan possède une atmosphère comportant du méthane et certains d'entre eux avaient émis l'hypothèse que des formes de vie avaient pu se développer dans cet environnement créé par l'effet de serre. Mais bien avant le rendez-vous avec la lune, les photos prises permettent de constater que Titan est entouré d'une couche de nuages continue, opaque en lumière visible qui ne permet pas de distinguer la surface. Les instruments IRIS et UVS sont utilisés pour déterminer les caractéristiques de l'atmosphère. Des traces d'éthylène et d'autres hydrocarbures sont détectées tandis qu'une température sans doute trop basse pour la vie est mesurée. Après ces observations Voyager 1 survole le pôle sud de Saturne en passant à de son centre le . Les anneaux et les autres satellites dont l'observation est programmée (Dioné, Mimas et Rhéa) sont tous très proches de la planète géante puisque le survol doit durer, en tout, à peine dix heures : la plateforme orientable porteuse des principaux instruments scientifiques utilisés pour le recueil des données planétaires est programmée pour de rapides changements d'orientation à la limite de ses capacités mais parvient à exécuter les instructions pré-programmées.

Voyager 2 (survol)

Voyager 2, lancée en 1977, passe à du centre de la planète Saturne le , après . Les caméras de , plus sensibles que celles de , permettent de détecter de nombreuses configurations dans l'atmosphère de la planète. À l'aide de son instrumentation radio, parvient à sonder les couches externes de l'atmosphère de la géante gazeuse. Des températures, passant de au niveau de pression à au niveau de pression , sont mesurées. La sonde est dirigée de manière à pouvoir obtenir de meilleures vues des lunes que . Deux heures après être passée au plus près de Saturne, la plate-forme orientable supportant les instruments se bloque temporairement, entraînant l'annulation des mesures par l'ordinateur principal et la perte d'une quantité importante de données. 24 heures plus tard, le problème de plate-forme est résolu, mais la situation est définitivement rétablie plus tard, après envoi d'instructions par les équipes au sol. La trajectoire retenue permet à la sonde d'utiliser l'assistance gravitationnelle de Saturne pour se diriger vers sa destination suivante : Uranus ..

Orbiteur Cassini-Huygens (survol et sonde atmosphérique) vignette|Cassini en cours d'assemblage. vignette|400 px|Saturne et ses anneaux photographiés en 2004 par la sonde Cassini. vignette|redresse|Spokes de l'anneau B.

Cassini-Huygens reste, jusqu'à la fin de la décennie 2020, la seule mission à s'être placée en orbite autour de Saturne, et avoir pu mener une étude approfondie de son système.

Contexte