La Mission Cassini-Huygens

 

 

 LA MISSION CASSINI-HUYGENS

Cédric BEMER - c.bemer chez wanadoo.fr

Août 2003

 

 

 Planning de la mission

 

 Caractéristique de la sonde Cassini

 

 Missions

 

 Caractéristique du module Huygens

- Instruments

 

 Missions

 

 Phases de descente du module Huygens sur Titan

 

 



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Mission Cassini-Huygens : vers Saturne et Titan


 

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CASSINI AT SATURN - Present Position

 

 

 

Crédit : NASA/JPL/Caltech

 

Planning de la mission

 

15 octobre 1997, lancement de la sonde par une fusée titan 4-B Centaur depuis Cap Canaveral à 08 h 43 TU.

 

09 novembre 1997, première correction de trajectoire.

 

27 mars 1998, la sonde Cassini-Huygens est au périhélie à 0.67 UA du soleil.

 

26 avril 1998, survol de Vénus à 284 km de la surface (première assistance gravitationnelle.) Cassini se trouve à 136 millions de km de la Terre. Gain de vitesse 7.0 km/s, (accélération de 26 000 km/h) vitesse obtenue 39 km/s (141 000 km/h).

 

03 décembre 1998, correction de trajectoire, la sonde se trouve alors à l'aphélie légèrement au-delà de l'orbite de Mars, le moteur principal est allumé pendant 90 mn pour freiner la vitesse de 450 m/s. Sa vitesse par rapport au Soleil passe de 67 860 km/h à 66 240 km/h. Le but de cette manœuvre est de placer Cassini sur une trajectoire qui la ramène vers Vénus.

 

04 février 1999, le moteur principal du vaisseau est mis à feu pendant 2 mn pour effectuer une correction de trajectoire.

 

18 mai 1999, 6ième correction de trajectoire, la sonde est de retour à l'intérieur de l'orbite terrestre.

 

24 juin 1999, survol de Vénus à 20 h 30 TU à 598 km au-dessus de sa surface pour assistance gravitationnelle, vitesse 13.6 km/s (48 960 km/h).

 

29 juin 1999, la sonde Cassini-Huygens est au périhélie à 0.72 UA du soleil.

 

18 août 1999, après avoir fait deux fois le tour du soleil, La sonde frôle la Terre à 1171 km d'altitude à 03 h28 TU au-dessus du Sud-est pacifique. Quatre corrections de trajectoire ont été effectuées successivement les 04 et 19 juillet ainsi que les 02 et 11 août pour amener Cassini à survoler notre planète à la bonne distance.

A cette occasion, elle mesure son champ magnétique et prend des photographies de la Lune. Cette assistance gravitationnelle lui octroie une vitesse maximale de 19.1 km/s soit 68 760 km/h (Gain de 5.5 km/s).

 

31 août 1999, correction de trajectoire, 72 s de combustion.

 

Crédit : NASA/JPL-Caltech - Traduction Annotations : Cédric Berner

 

17 décembre 1999, Cassini entre dans la ceinture principale d'astéroïdes après avoir parcouru près de deux milliards de km. Elle est la septième sonde à traverser cette ceinture.

 

23 janvier 2000, à 09 h 35 TU la sonde passe à 1.5 millions de km de l'astéroïde 2685 Masursky, elle en profite pour le photographier et mesurer sa taille (diamètre compris entre 15 et 20 km) et son albédo à l'aide de trois de ses instruments.

 

15 avril 2000, la sonde sort de la ceinture d'astéroïdes.

 

14 juin 2000, le moteur principal est mis à feu durant moins de 6 s, cette 14ième correction de trajectoire est effectuée en prévision de l'observation du satellite Phoebé en juin 2004.

 

04 octobre 2000, à 15 h 26 TU la première image noir et blanc de Jupiter est prise à une distance de 84.1 millions de km de la planète. Les plus petits détails font 500 km.

 

10 octobre 2000, première image couleur de Jupiter.

 

30 décembre 2000, passage au large de Jupiter, à 03 h 00 TU à 9.721 millions de km, manœuvre d'assistance gravitationnelle. Cassini en profite pour faire de nombreuses observations du système jovien et ce jusqu'à fin mars 2001.

Elle réalise notamment des images en haute résolution des nuages et des ouragans de la planète géante et étudie sa magnétosphère.

Pour la première fois les effets du vent solaire sont observés.

La sonde obtient alors sa plus forte accélération, vitesse acquise 47 km/s (169 200 km/h).

 

28 février 2001, 17ième correction de trajectoire, le moteur principal est mis à feu pendant 5.4 s pour affiner la trajectoire résultant de la manœuvre du 30 décembre dernier.

 

Avril 2002, l'allumage du moteur principal pendant 9.8 s corrige la trajectoire de Cassini-Huygens qui se trouve à 3 milliards de km de la Terre.

 

01 novembre 2002, une première image de Saturne est prise par la caméra de la sonde à 285 millions de km de la planète géante.

 

Crédit : NASA/JPL-Caltech

 

Février 2004, début des observations de Saturne à 70 millions de km de la planète.

 

11 juin 2004, survol de Phoebé à 2000 km d'altitude.

 

01 juillet 2004, après avoir parcouru 3.2 milliards de km durant 6 ans et 8 mois ½, la sonde arrive à destination et se place en orbite d'insertion autour de Saturne. Elle passe au plus près de la planète géante à 60 330 km, vitesse d'approche 5.2 km/s (18 720 km/h).

 

02 juillet 2004, passe au large de Titan à la distance de 339 000 km, début de l'étude rapprochée du satellite jusqu'en février 2005.

 

27 août 2004, Cassini passe à l'apogée de Saturne à 9 millions de km de la planète.

 

26 Octobre 2004, premier survol rapproché de Titan à une distance de 1200 km (?).

 

13 décembre 2004, second survol rapproché de Titan à une distance de 1200 km (?).

A la fin de la troisième révolution autour de Saturne le 25 décembre 2004, Huygens se sépare du module orbital Cassini et se place sur une trajectoire balistique à 1 million de km de sa cible.

 

14 janvier 2005, plongeon du module Huygens dans l'atmosphère de Titan pour une mission de 2 h 30, Cassini survolera Titan à 65 000 km.

 

Mi-février 2005, Cassini commence l'exploration rapprochée de Saturne, de ses anneaux, de ses lunes et de sa magnétosphère.

74 révolutions autour de Saturne sont prévues en 4 ans, dont 44 passages près de Titan.

Au cours des 7 premiers mois, Cassini accomplit trois survols rapprochés de Titan au lieu de deux comme prévu à l'origine. Ces nombreux passages lui permettront d'établir une carte radar de ce globe perpétuellement recouvert de nuages.

 

01 juillet 2008, fin de la mission.

 

Caractéristique de la sonde Cassini

 

Crédit : NASA/ESA

 

Diamètre de l'antenne parabolique : 4 m

Hauteur : 6.80 m

Largeur : 4.1 m, diamètre de l'antenne parabolique à grand gain

Masse au décollage modules Cassini + Huygens : 5655 kg dont 3132 kg de carburant et 270 kg pour les 12 instruments scientifiques.

Masse du module Cassini : 2150 kg

 

Missions de la sonde Cassini

 

Etude de l'environnement de Saturne durant 4 ans,

Etude de l'atmosphère (analyse de la composition atmosphérique et isotopique) et de la météorologie de Saturne,

Etude des anneaux (formation), des satellites,

Etude du champ magnétique de la planète géante et son interaction avec le vent solaire,

Etude de sa magnétosphère et de son champ de gravité,

Etude de la vitesse des vents et leurs directions,

Cartographie de la surface de Titan par altimétrie radar,

Prise de photos dans la lumière visible, l'UV et le proche IR. Plus de 300 000 images en couleur de Saturne, des anneaux et des satellites seront envoyées dont 1100 images de Titan prises par le module Huygens.

Par suite de l'éloignement de Saturne sur son orbite, les transmissions vont devenir un problème important.

La distance Terre-Saturne variera de 8.1 à 10.3 UA, les temps de transmissions des infos par ondes radio s'allongeront de 68 à 84 mn.

 

Caractéristique du module Huygens

 

Masse module Huygens  : 350 kg dont 100 kg pour le bouclier thermique, 43 kg pour les six instruments scientifiques et 30 kg d'équipements.

Diamètre du module Huygens : 2.7 m

Diamètre du frein aérodynamique conique (bouclier thermique) : 3.1 m

Diamètre du parachute principal : 8.5 m

Le bouclier thermique a un diamètre de 2,7 m et un angle d'ouverture de 60°.

Ce disque pèse 79 kg et est constitué de fibres en silicium noyées dans une résine phénolique (structure en nid d'abeille en aluminium/carbone avec une couche de protection à base de silice) ce qui lui confère une haute résistance à la chaleur.

 

Instruments

 

Spectromètre IR,

Mini caméra infrarouge,

Radar altimétrique,

Chromatographe,

Détecteur d'ondes radio,

Collecteur d'aérosols,

Accéléromètre.

 

Missions du module Huygens

 

Analyse de la composition atmosphérique et isotopique de Titan,

Mesure de la température, étude météorologique,

Mesure de la pression de l'air, de la vitesse des vents, de la vitesse du son dans l'atmosphère

Analyse de la nature des gaz,

Recherche de la présence de molécules organiques,

Analyse de la composition chimique du sol,

Mesure de la vitesse du son (analyse de la topographie),

Mesure de l'épaisseur des éventuels océans de méthane,

Détecteur des pluies éventuelles.

 

Phases de descente du module Huygens sur Titan

 

A la fin de sa troisième orbite autour de Saturne le 25 décembre 2004, à 1,5 milliards de km du Soleil, Cassini larguera le module Huygens. Après une dérive de quelques semaines, le module entrera dans l'atmosphère de Titan le 14 janvier 2005 à une altitude comprise entre 250 et 300 km à la vitesse de 6 km/s (mach 20 soit 21 600 km/h).

 

A savoir qu'une ½ heure avant cette rentrée à une altitude de 1270 km, Huygens aura été réactivée. Ensuite l'intelligence artificielle et les batteries lui procureront un fonctionnement de 153 mn garanties.

 

L'entrée dans l'atmosphère devrait être rude. La température issue du frottement atmosphérique atteindra 1800 à 2000° C. Le bouclier thermique en forme de cône la freinera jusqu'à mach 1,5 (1800 km/h) en moins de 2 mn. Altitude comprise entre 150 et 180 km.

 

Alors le parachute guide (le plus petit) s'ouvrira, il arrachera le capot arrière du module et tirera le deuxième parachute. Celui-ci se déploiera et les mesures commenceront 30 secondes plus tard.

 

D'un diamètre de 8 m, le gros parachute est composé d'un tissu spécial lui permettant de résister à la vitesse supersonique.

 

La vitesse du module diminuera encore pour atteindre environ 100m/s (366 km/h) vers 170 km d'altitude (+/- 10 km), après une période de stabilisation d'une durée de 30 s, l'éjection du bouclier thermique sera commandée.

 

Dans la dizaine de secondes qui suivra le largage de ce bouclier, les instruments, en sommeil durant tout le voyage, entreront alors en action à une altitude comprise entre 145 et 170 km, (expérience sur la composition atmosphérique, mesure de la température, de la pression, des vents et de la conductivité des nuages), vitesse 95 m/s.

 

Le parachute principal acheminera la sonde en douceur pendant environ 15 mn, le temps que le bouclier s'éloigne à grande vitesse, le but étant d'éviter tout risque de collision ou de contamination par ce dernier. Ensuite, arrivé à une altitude comprise entre 105 et 125 km, le parachute sera largué à son tour afin que la descente ne dure pas trop longtemps.

 

Un plus petit parachute stabilisateur s'ouvrira et guidera Huygens plus rapidement vers la surface de Titan à une vitesse de 35 m/s.

 

Pendant les 2 à 3 heures de descente, six instruments enregistreront la température, la pression de l'air, la nature des gaz, la présence de molécules organiques et la vitesse des vents. Les données recueillies seront immédiatement envoyées à la sonde Cassini qui les réexpédiera aussitôt vers la Terre.

 

Pendant que Huygens s'enfoncera toujours plus bas dans les nuages de Titan, une mini caméra infrarouge à 3 objectifs prendra des clichés de la surface dans les 200 derniers mètres de la descente et les convertira en images visibles pour tenter ainsi de reconstituer un panorama du sol.

 

Crédit : ESA

 

Un petit radar mesurera l'altitude en permanence.

 

Peu de temps avant l'impact, une seule photo prise au moyen d'un flash déclenché automatiquement nous parviendra. Un spectromètre infrarouge indiquera la composition chimique du sol et la distribution de méthane. L'altimètre radar donnera à tout moment non seulement l'altitude mais également une indication de l'état de surface. Pour finir, l'accéléromètre de bord enregistrera l'allure de freinage.

 

Crédit : ESA

 

Lors de l'atterrissage à la vitesse de 5 à 6 m/s, la consistance du sol sera mesurée par des capteurs. Si la sonde se pose sur un océan de méthane elle flottera, ce sera la grande inconnue. 7 modèles de sols ont été élaborés pour concevoir l'instrumentation.

 

6 expériences mesurant la surface, la météo et l'atmosphère ont été prévues.

 

Crédit : ESA

 

Si l'orientation de l'antenne est correcte, des signaux seront perçus par Cassini pendant 3 mn et peut-être jusqu'à 30 mn après l'impact (jusqu'à épuisement des batteries, sachant que la durée totale de fonctionnement prévu du module est de 2 h33). N'oublions pas que la température est inférieure à - 200°C.

 

Quant à Cassini qui sera en orbite à 60 000 km au-dessus des nuages opaques de Titan, elle servira de relais vers la Terre pour transmettre ces données pendant 3 heures avant de disparaître à l'horizon.

 

La sonde restera 4 ans en orbite autour de Saturne, avec une quarantaine de survols de Titan, dont trois fois à moins de 2000 km (?). Ceci permettra d'en obtenir une cartographie radar très détaillée.

 

Le SSP (Surface Science Package) placé à bord de Huygens, mesurera les paramètres physiques lors de la descente et sur la surface de Titan. Il a été conçu pour opérer sur un océan liquide et caractériser ce liquide. Un système acoustique mesurera la vitesse du son.

 

Ce système, premièrement, détectera des pluies éventuelles pendant les 30 derniers kilomètres de la descente et donnera des informations sur la topographie et l'altitude en complément du radar altimétrique, pour le dernier kilomètre. En cas de pose sur un liquide, l'épaisseur sera mesurée jusqu'à 1 000 m, également le niveau de flottaison ainsi que la vitesse de propagation du son. Deuxièmement, des mesures atmosphériques détermineront la vitesse des sons dans l'atmosphère à partir de 50 km d'altitude en envoyant des impulsions d'ultrasons.

 

Cédric BEMER

c.bemer@wanadoo.fr

Août 2003 

 

 

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