vignette|La sonde spatiale BepiColombo de l'Agence spatiale européenne, développée en coorpération avec l'agence spatiale japonaise, qui doit se placer en orbite autour de Mercure. Une sonde spatiale est un véhicule spatial sans équipage lancé dans l'espace pour étudier à plus ou moins grande distance différents objets célestes : le Soleil, les planètes, planètes naines et petits corps, leurs satellites, le milieu interplanétaire ou encore le milieu interstellaire. Une sonde spatiale présente généralement des caractéristiques uniques qui la distingue des autres engins spatiaux non habités, lesquels restent en orbite terrestre. Les sondes spatiales peuvent prendre un grand nombre de formes pour remplir leur mission : orbiteur placé en orbite autour du corps céleste observé, atterrisseur qui explore le sol de la planète cible, impacteur Une sonde peut emporter des engins autonomes pour accroître son champ d'investigation : sous-satellite, impacteur, astromobile (rover), ballon, aérobot.
Une sonde spatiale est amenée à franchir de grandes distances et à fonctionner loin de la Terre et du Soleil, ce qui impose des équipements spécifiques. Elle doit disposer de suffisamment d'énergie pour fonctionner dans des régions où le rayonnement solaire ne fournit plus qu'une puissance limitée, disposer d'une grande autonomie de décision car l'éloignement du centre de contrôle ne permet plus aux opérateurs humains de réagir en temps réel aux événements, résoudre des problèmes de télécommunications rendus difficiles par les distances qui réduisent les débits et résister au rayonnement et à des températures extrêmes qui malmènent l'électronique embarquée et les mécanismes. Enfin, pour parvenir à destination à un coût et dans des délais acceptables, la sonde spatiale est amenée à utiliser des méthodes sophistiquées de navigation et de propulsion : assistance gravitationnelle, aérofreinage, propulsion ionique.
Les premières sondes spatiales sont les sondes Luna lancées vers la Lune par l'Union soviétique en 1959. En 1961, l'Union soviétique lance Venera, la première sonde amenée à étudier une autre planète que la Terre, en l'occurrence Vénus. La Russie, qui était au début de l'ère spatiale n'a plus de rôle actif depuis 1988 et a laissé cette place aux États-Unis. L'Agence spatiale européenne (Mars Express, Venus Express, Rosetta, participation à la sonde Cassini-Huygens) et le Japon (Hayabusa, SELENE) occupent également une place croissante. Enfin, la Chine et l'Inde réalisent également depuis la fin des des sondes spatiales. Pour pallier un coût de développement élevé (montant pouvant dépasser le milliard d'euros), la réalisation des sondes spatiales fait maintenant souvent l'objet d'une coopération internationale.
Spécificités d'une mission d'exploration du système solaire
Une sonde spatiale est un véhicule spatial lancé sans équipage humain dont l'objectif est d'explorer un ou plusieurs corps célestes du système solaire ou le milieu interplanétaire ou interstellaire. Sa charge utile est constituée d'instruments scientifiques de différentes natures - - qui permettent de collecter ou à distance des données qui sont transmises vers la Terre pour être interprétées et en déduire des résultats scientifiques.
Si, dans son architecture générale, une sonde spatiale est souvent proche d'un satellite artificiel en orbite autour de la Terre, plusieurs caractéristiques en font un engin particulier : la distance entre les opérateurs au sol et l’engin qui impose à la fois une grande autonomie et un système de communication à la fois puissant et précis ; la complexité des tâches à enchaîner : atterrissage sur des objets célestes pourvus d'une atmosphère ou ayant une gravité très faible, pointage précis des instruments sur des cibles défilant à grande vitesse, collecte d'échantillons, procédures de sauvegarde en cas de défaillance ; la précision et la complexité de la navigation ; l'exposition aux rayons cosmiques ; la sophistication de l'instrumentation scientifique liée à la nécessité de minimiser la charge utile et aux performances exigées ; la faiblesse de l'énergie solaire disponible si la sonde est à destination des planètes externes ; des températures beaucoup plus extrêmes lorsque la sonde est envoyée vers les planètes extérieures ou en deçà de l'orbite de Mercure ; la durée de la mission qui peut débuter après un transit allant jusqu'à une dizaine d'années.
Conception d'une mission
Comme tout projet spatial, le développement puis la gestion opérationnelle d'une sonde spatiale est découpée en plusieurs phases dont les caractéristiques (entrants, livrables) sont communes aux différentes agences spatiales.
Sélection du projet
Les missions d'exploration du système solaire sont coûteuses et de ce fait rares (quelques missions par an toutes agences spatiales confondues) alors que les sujets d'étude se multiplient au fur et à mesure des avancées scientifiques. Le processus de sélection est donc sévère et très encadré. Les principales agences spatiales s'appuient pour déterminer leur stratégie d'exploration spatiale sur des documents produits par les principales autorités scientifiques. Pour la NASA c'est le (missions planétaires) produit tous les dix ans : l'objectif prioritaire fixé pour la mission "lourde" était Uranus dans le rapport de 2022, le retour d'un échantillon du sol de Mars en 2011, l'étude d'Europe satellite de Jupiter en 2002. L'Agence spatiale européenne fait réaliser un document similaire pour son programme scientifique mis en place en 2004 pour les projets débouchant en 2015-2025. Le CNES français, bien que disposant d'un budget de recherche qui ne lui permet pas de réaliser des engins d'exploration du système solaire de manière autonome, procède de même.
Dans le cadre défini par les documents produits par la communauté scientifique un appel à idées purement prospectif peut être lancé par l'agence spatiale suivi d'un appel à propositions (AO). Ce dernier débouche normalement sur la sélection puis le développement d'une mission. Il est lancé dans un cadre budgétaire préétabli. À la NASA cette ligne budgétaire pour un type de mission est disponible périodiquement comme dans le cas des ou qui permettent de développer respectivement par décennie. L'Agence spatiale européenne, qui ne dispose que d'une fraction du budget de la NASA, sélectionne des missions très longtemps avant leur lancement.
Les équipes qui répondent à un appel à propositions font partie des laboratoires de recherche ou universités travaillant dans le domaine faisant l'objet de l'AO. Pour partager le fardeau financier, les projets sont dans certains cas développés conjointement par deux agences spatiales ou plus (par exemple la mission Cassini Huygens développée par la NASA et l'Agence spatiale européenne ou la mission BepiColombo développée conjointement par l'Agence spatiale européenne et l'agence spatiale japonaise). Dans presque toutes les missions certains instruments scientifiques sont fournis par des laboratoires d'un pays qui n'est pas celui de l'agence spatiale ayant lancé l'AO. L'équipe réunie pour une mission comprend des scientifiques et des ingénieurs. La proposition détaille les objectifs scientifiques remplis par la mission proposée, ses caractéristiques techniques et les aspects financiers. L'agence spatiale reçoit de nombreuses propositions (souvent plus de 20) et le processus de sélection comprend généralement plusieurs étapes (il y a généralement trois étapes de sélection sauf pour les missions à très bas cout). A chaque étape franchie, l'agence spatiale demande aux équipes retenues de détailler leur proposition en leur fournissant un budget pour ces travaux. La sélection est effectuée par un comité scientifique dont la composition est fixée par l'agence spatiale. Les critères de sélection sont notamment l'adéquation de la proposition à la stratégie scientifique à long terme fixée par les documents produits par les autorités académiques au début de ce processus, la faisabilité de la mission, la maturité des solutions proposées (mesuré par exemple par le TRL pour la NASA ou la Communauté européenne) et le degré de risque : risque de dérapage calendaire et/ou budgétaire découlant des innovations techniques, risque d'échec de la mission lié à sa complexité.
+ TRL / Niveau de maturité technologique défini par l'Union Européenne dans le cadre du programme Horizon 2020. TRL Niveau de maturité technologique Exemple : atterrissage de précision sur une autre planète par la technique de la navigation relative de terrain..1 Principes de base observés 1989 : étude du concept dans le cadre du projet Mars Rover Sample Return.2 Concepts ou applications de la technologie formulés 2004 : Formulation du concept, de ses avantages et des performances souhaitées dans le cadre du programme New Millenium.3 Les principales fonctions du concept ont été prouvées de manière expérimentale 2005 : Concept étudié et financé par le programme Mars Technology.4 La technologie a été validée en laboratoire 2007 : les algorithmes de navigation sont testés en laboratoire dans un des conditions émulant un environnement réel.5 La technologie a été validée dans un environnement représentatif 2013 : un prototype du système réel est développé et ses performances sont prouvés en laboratoire.6 La technologie a été démontrée dans un environnement représentatif 2015 : un prototype du système embarqué à bord d'un hélicoptère est testé dans différents environnements.7 Un système prototype a été démontré dans un environnement opérationnel 2015 : un prototype du système est testé à l'aide d'une fusée effectuant un décollage puis un atterrissage vertical.8 Un système réel a été validé via des tests/démonstrations 2020 : Test à l'aide d'un hélicoptère sur Terre du système qui sera utilisé sur Mars par la mission Mars 2020.9 Un système réel a été validé à travers des opérations / missions réussies 2021 : Atterrissage réussi de Mars 2020.
Phases de conception
Chaque mission d'exploration du système solaire répond à des besoins spécifiques et se déroule souvent dans des conditions particulières. Les instruments scientifiques sont développés spécifiquement pour la mission ou améliorés dans le cadre de celle-ci. Aussi la phase de conception de l'engin spatial est elle particulièrement longue : Durant la phase d'étude de concept (phase A) la faisabilité de la mission la disponibilité des technologies nécessaires est évaluée et confirmée. Durant la phase d'avant projet (Phase B) est réalisée la conception de haut niveau qui permet de confirmer la faisabilité du projet et effectuer des dimensionnements préliminaires. Durant la phase de conception proprement dite (Phase C), le projet est accepté par le commanditaire de l'étude préliminaire et la sonde spatiale est conçue de façon détaillée.
La date de lancement est souvent repoussée pour faire face aux contraintes budgétaires ainsi qu'aux difficultés rencontrées dans la conception car celle-ci repose souvent sur des innovations à la mise au point délicate.
Réalisation
Durant la phase de réalisation (phase D) l'engin spatial est progressivement construit, en construisant souvent des modèles de tests des sous-systèmes. Chaque sous-système est donc testé avant l'assemblage global. Cette étape est nommée intégration pour les satellites.
Types de mission d'exploration