Cassini est une sonde spatiale de la NASA pour les besoins de la mission Cassini-Huygens qui a pour but l'étude de la planète Saturne, de ses satellites et de ses anneaux. Lancée dans l'espace le de Cap Canaveral par une fusée -Centaur, elle a commencé sa mission dans le système saturnien le et l'a achevée le en plongeant dans l'atmosphère de Saturne. La sonde a été construite par le avec des contributions de l'Agence spatiale européenne, de l'Agence spatiale italienne (pour l'antenne de communication parabolique) ainsi que celles de nombreux laboratoires de recherche et universités américaines et internationales pour les instruments scientifiques. Elle transporte le petit atterrisseur Huygens qui s'est posé sur la surface de Titan en 2004.
Cassini est en 2017 la plus grosse sonde spatiale jamais lancée, par sa masse au décollage de dont d'ergols (hydrazine), d'instruments et pour l'atterrisseur Huygens. La sonde spatiale est stabilisée selon trois axes et l'énergie est fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope produisant en début de mission.
Étymologie La sonde spatiale porte le nom de l'astronome Jean-Dominique Cassini (1625-1712), qui a étudié les anneaux de Saturne en détail et découvert certaines des principales lunes de la planète géante (Japet, Rhéa, Téthys et Dioné).
Conception de la sonde spatiale Cassini
Cassini devait être le deuxième engin de la série Mariner Mark . Il a été conçu conjointement avec le premier, (CRAF). Toutefois, des coupes budgétaires ont conduit à simplifier sa conception, ce qui a conduit à un appareil plus spécialisé, hors de la série Mariner Mark , et moins richement doté en instruments que ne le prévoyait ce programme.
Cassini-Huygens fait partie des sondes interplanétaires les plus lourdes, les plus grandes et les plus complexes. Seules les deux sondes du programme Phobos envoyées vers Phobos par l'Union soviétique formaient un système plus lourd. Cassini seul pèse à vide, auxquels s'ajoutent les de Huygens et de carburant pour la propulsion (de l'hydrazine). Cassini mesure de haut et de largeur (diamètre de l'antenne HGA). La perche du magnétomètre mesure même . Cette complexité est rendue nécessaire à la fois par sa trajectoire vers Saturne et par les nombreuses observations prévues. La sonde comporte interconnectés, et de câbles.
En particulier, comme la distance entre la Terre et la sonde, une fois arrivée à destination, était comprise entre 8,2 et , les signaux entre la sonde et sa base mettaient de 68 à pour arriver à destination, ce qui rend impossible le contrôle en temps réel, que ce soit pour les opérations normales ou pour les évènements imprévus. Même en répondant immédiatement, il fallait autour de trois heures entre le moment d'un évènement et le moment où la base recevait la réponse de la sonde à ses commandes..
Sous-systèmes
La sonde Cassini est composée de :
Gestion des commandes et données ( - CDS) : Il s'agit du système informatique de la sonde. Il enregistre et traite les données en provenance des autres sous-systèmes et instruments. Outre les commandes en provenance de la base terrestre, il est en mesure d'exécuter des logiciels de protection afin de maintenir la sonde en état de fonctionnement. Le cœur du système est l, conçu par IBM, qui s'interface avec le reste de la sonde au travers d'un bus unique. Enregistreur à semi-conducteurs () : Ce système enregistre les données scientifiques ainsi que les données concernant la situation et l'état de la sonde. Cet enregistreur ne comporte aucune partie mobile, ce qui est une première. Il contient aussi des données de vol essentielles pour la suite de la mission. Les données scientifiques sont périodiquement envoyées à la base terrestre puis effacées.
Module de propulsion : Ce système fournit la poussée nécessaire aux changements de trajectoire et d'orientation. Le moteur principal est utilisé pour les corrections de vitesse et de trajectoire, tandis que secondaires à hydrazine, disposés en quatre groupes de quatre, sont utilisés pour les corrections d'orientation. Contrôles de l'orientation et de l'articulation ( - AACS) : Le rôle de ce système est triple. Le premier est de définir l'orientation de la sonde selon les trois axes. Le second est de définir l'articulation de la sonde et le troisième de définir la direction vers laquelle doit pointer le moteur principal. Dans ce but, ce système est équipé de trois unités gyroscopiques, fabriqués par Hughes Aircraft Company, d'une unité à référence stellaire, capable de repérer et de se positionner par rapport à , et d'un dispositif de pointage monté sur trois roues octogonales, permettant de diriger le moteur principal sur les trois axes.
Alimentation électrique et système pyrotechnique ( - PPS) : Ce système fournit l'énergie électrique et gère les évènements pyrotechniques, notamment ceux nécessaires lors du lancement de la sonde par le véhicule de lancement Centaur. L'électricité est produite par trois générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG, dont l'utilisation n'a pas été sans controverse) et est ensuite acheminée vers les autres systèmes. Radiofréquences ( - RFS) : Ce système, conjointement avec le sous-système des antennes, gère les télécommunications avec la base terrestre. Certains éléments sont également utilisés par les instruments scientifiques radios. La sonde communique avec la Terre sur la , à . Le système module les données provenant du CDS, les amplifie à et les transfère aux antennes.
Antennes ( - ATM) : Ce système est composé d'une antenne directionnelle (dite à haut gain ou HGA) et de deux antennes omnidirectionnelles (dites à bas gain ou LGA). La fonction primaire de l'antenne directionnelle est d'assurer la communication avec la Terre, mais aussi la communication avec le module Huygens sur lors de son atterrissage et le fonctionnement du radar sur bande Ku et des instruments radios sur bande Ka. L'antenne directionnelle est composée d'un réflecteur parabolique de de diamètre, d'un sous-réfracteur monté à son point focal et de reliant les deux. Afin de protéger les instruments scientifiques de la sonde des rayons du Soleil, la parabole était dirigée au début de la mission vers le Soleil, afin d'agir comme une ombrelle.
Sous-système de structure () : En plus de ses fonctions de squelette de la sonde, ce système sert à la conduction thermique au sein de la sonde, afin de répartir l'énergie et agir comme masse électrique. Il protège également les autres éléments de la sonde contre les radiations et les micrométéorites. En outre, il est équipé de points d'ancrage ayant servi à la manutention au sol. Dispositifs mécaniques ( - DEV) : Ce système comprend un certain nombre de dispositifs mécaniques non asservis, comme le dispositif de séparation avec le véhicule Centaur, le déploiement du bras du magnétomètre ou les déclencheurs des dispositifs pyrotechniques.
Ensemble électronique () : Ce système, qui comprend les différents éléments électroniques de la sonde, est constitué d'un bus circulaire composé de contenant les modules électroniques. Ces baies sont conçues de manière à protéger les modules des radiations, des champs magnétiques, et à respecter les nécessités de centres de gravité et de liaison.
Câblage () : Ce système sert à la liaison électrique de tous les autres sous-systèmes, que ce soit pour l'alimentation ou la transmission de données. Ce système est passif et ne contient pas de dispositif électronique. Sa fonction est de transférer un signal électrique sans l'altérer. Contrôle de la température ( - TEMP) : Ce système a pour but de maintenir la température de la sonde dans des limites acceptables. Quand la sonde a survolé Vénus, la température était jusqu'à trois fois supérieure à celle lors de sa présence dans l'orbite terrestre, alors que dans l'orbite de Saturne, elle est jusqu'à inférieure. La température est maintenue à l'aide de dispositifs spécialisés, mais aussi grâce à des astuces simples, comme l'effet d'ombrelle obtenu en orientant l'antenne parabolique face au Soleil.
Instruments scientifiques
Cassini transporte à son bord douze instruments scientifiques représentant une masse totale de NASA/JPL - Spacecraft - Cassini Orbiter Instruments.
Spectromètre à plasma de Cassini ( - CAPS)
Le spectromètre à plasma de Cassini, créé par le (SRI), a pour objectif de déterminer l'énergie et la charge électrique de particules telles que des électrons et des protons que rencontre la sonde. Ce détecteur analyse les particules provenant de la vaste ionosphère de Saturne mais étudie également la configuration du champ magnétique de la planète. Il analyse aussi le plasma dans cette région ainsi que le vent solaire dans la magnétosphère de Saturne. L'instrument se compose de trois capteurs : un spectromètre à électrons, un spectromètre à faisceau ionique et un spectromètre ionique de masse. L'ensemble pèse et consomme . Les données sont transférées au système informatique à un débit de NASA/JPL - The Cassini Plasma Spectrometer.
Analyseur de poussières cosmiques ( - CDA)
L'analyseur de poussières cosmiques, créé par l'Institut Max-Planck de physique nucléaire à Heidelberg, en Allemagne, est un appareil qui détermine la taille, la vitesse et la direction des poussières que l'on trouve à proximité de Saturne. Certaines de ces poussières sont en orbite autour de la planète tandis qu'il est possible que d'autres proviennent de systèmes planétaires différents. L'analyseur embarqué sur Cassini a donc pour but d'aider à percer le mystère de ces particules en réalisant leur analyse chimique. Il permet d'en savoir plus sur la nature de ce qui compose ces corps célestes et par la même occasion sur l'origine de l'Univers. L'instrument est capable de détecter des poussières d'un micromètre et même d'un nanomètre dans certaines circonstances. Cet instrument a été mis en fonction en 1999, bien avant donc que la sonde n'atteigne Saturne, et a commencé à fournir des informations. Dans l'environnement jovien, le CDA a détecté des poussières se déplaçant à à travers le système solaire. Ces particules, provenant de Jupiter, sont continuellement émises et ont été détectées à plus de de kilomètres de Jupiter. Le CDA pèse et consomme . Il transmet ses données au système informatique avec un débit de NASA/JPL - The Cosmic Dust Analyzer NASA/JPL - Cassini Orbiter Instruments - CDA.
Spectromètre infrarouge composite ( - CIRS) Le spectromètre infrarouge composite, créé en collaboration par le CEA, l'université d'Oxford, la NASA, l'Observatoire de Paris et le Queen Mary's College, analyse la lumière infrarouge émise par Saturne et son atmosphère mais aussi par ses anneaux et ses satellites et en étudie leurs composition et température. Cet instrument permet aussi de représenter l'atmosphère de la planète en trois dimensions et de tracer des profils de température et de pression en fonction de l'altitude, de la composition du gaz et de la distribution des nuages. Cet outil mesure également les caractéristiques thermiques et la composition de la surface des satellites ainsi que des anneaux. Il facilite en outre la visualisation d'une partie de la structure interne de ces différents corps célestes. Le CIRS, comme tout spectromètre, décompose le rayonnement (infrarouge, dans ce cas) et mesure la puissance des différentes composantes (couleurs) qui composent ce rayonnement. Il pèse et consomme . Il transfère ses données au système informatique avec un débit de NASA/JPL - The Composite Infrared SpectrometerCEA - CIRS..
Spectromètre de particules chargées et neutres ( - INMS)