Tianwen-1 a rendez-vous avec Mars

La Chine est en route vers Mars, avec une mission ambitieuse : un orbiteur, un atterrisseur et un rover.

Le décollage a eu lieu jeudi 23 juillet à 4h41 UTC depuis le centre de lancement de Wenchang au sud de la Chine.

Le lanceur lourd Long March 5 a réussi son 4e décollage, dont un échec en 2017 [5 lancements si on compte la variante Long March 5B dont le tir inaugural a eu lieu en mai dernier].

L’Administration spatiale nationale chinoise, la CNSA, a confirmé que la fusée Long March 5 avait placé Tianwen-1 sur la bonne route vers Mars environ 36 minutes après le lancement.

Pour ce lancement spécifique, des moyens particuliers avaient été mis en oeuvre : des navires de classe Yuanwang équipés d’antennes de suivi avaient été déployés et les antennes du réseau ESTRACK de l’Agence spatiale européenne ont été mises à contribution pour suivre les télémétries envoyées par le lanceur et recevoir les premières communications de la sonde.

Première mission interplanétaire 100% chinoise

C’est la première mission 100% chinoise à destination de Mars. La première tentative de la Chine pour atteindre Mars n’a jamais quitté l’orbite terrestre. En novembre 2011, l’orbiteur chinois Yinghuo-1, décolle à bord de la mission russe Phobos-Grunt comme passager attaché à la sonde russe. Les moteurs de l’étage de propulsion de Phobos-Grunt n’ayant jamais réussi à s’allumer pour mettre la sonde sur sa trajectoire vers Mars, la mission est perdue. Deux mois après le décollage, après des tentatives infructueuses pour rétablir le contact, le couple Phobos-Grunt et Yinghuo-1 se désintègre dans l’atmosphère terrestre au dessus du Pacifique.

Forts de leur succès avec les missions lunaires Chang’e [notamment les Chang’e3 et Chang’e4] et de l’expérience acquise sur les parachutes et les rentrées atmosphériques des missions habitées Shenzhou, la Chine espère bien rentrer dans le club très fermé des missions martiennes à la fois sur orbite et encore plus fermé avec atterrissage sur le sol de la planète rouge. En effet, à ce jour, seule l’agence spatiale américaine a réussi à faire atterrir 8 missions sur le sol martien, contre peu de réussite pour la Russie (juste quelques secondes d’activité au sol pour Mars 3) et aucune pour l’Europe.

Tianwen, un nom issue de la poésie chinoise

La première mission 100% chinoise en direction de Mars a reçu son nom officiel le 24 avril, le jour de l’espace en Chine, et le jour du 50e anniversaire du spatial chinois : Tianwen-1 (天问一号).

Tianwen (questions au ciel) est un long poème écrit par Qu Yuan (340-278 av. J.-C.), l’un des plus grands poètes de la Chine antique, pendant la période des Royaumes combattants (475-221 avant JC). Dans « Tianwen », Qu Yuan interroge le ciel, les étoiles, les phénomènes naturels et le monde, exprimant ses doutes sur certains concepts traditionnels et faisant preuve d’esprit de recherche de la vérité. 

Selon l’Administration spatiale nationale chinoise, la CNSA, toutes les missions d’exploration planétaire futures seront nommées Tianwen avec un numéro qui suivra « représentant la persévérance de la nation chinoise dans la recherche de la vérité et dans l’exploration de l’univers« .

Le logo «Lanxingjiutian» comprend des représentations de la lettre latine «C», se référant à la Chine, l’esprit de Coopération internationale et la Capacité d’exploration de l’espace lointain.

Mars est la quatrième planète la plus proche du Soleil et est la plus proche de la Terre. C’est donc le premier choix d’exploration lointaine pour l’Humanité en sortant du système Terre-Lune. Etudier Mars, c’est aussi étudier le « passé » et le « futur » de la Terre. Et Tianwen-1 devrait pouvoir aussi participer à cette étude.

Une première mondiale : un orbiteur, un atterrisseur, un rover en un seul lancement

La mission Tianwen-1 est très ambitieuse car elle envisage la mise sur orbite, l’atterrissage et le sondage en une seule mission, ce qui n’a jamais été réalisé. La NASA, par exemple, a toujours dissocié les orbiteurs des missions robotiques à la surface, envoyés en plusieurs lancements différents.

Selon la CNSA, la première sonde martienne chinoise mènera des recherches scientifiques sur le sol martien, la structure géologique, l’environnement, l’atmosphère ainsi que l’eau.

La sonde Tianwen-1 a une masse d’environ 5 tonnes au décollage. 

Au-delà des défis technologiques et d’ingénierie de Tianwen-1, tels que le freinage en orbite martienne, l’entrée et la descente atmosphérique puis l’atterrissage, la Chine devra aussi gérer des communications à très longue distance.

Des objectifs scientifiques annoncés

Les objectifs scientifiques annoncés de la première mission chinoise d’exploration de Mars sont principalement d’étudier la morphologie et les caractéristiques de la structure géologique de Mars, les caractéristiques du sol de surface et la distribution de la glace d’eau sur Mars, la composition du matériau de surface martien, l’ionosphère de l’atmosphère martienne, et le champ physique de l’intérieur de la planète.

De nombreux instituts de recherche à travers la Chine, y compris des universités de Hong Kong et de Macao, ont activement participé au processus de développement. La Chine a également mené un certain nombre de coopérations avec l’ESA, la France, l’Autriche, l’Argentine et d’autres pays et organisations.

Un orbiteur

L’orbiteur Tianwen-1 est équipé de 7 charges utiles scientifiques :

• Caméra moyenne résolution
• Caméra haute résolution (comparable à HiRise sur la mission Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA)
• Radar d’exploration souterraine en orbite autour de Mars
• Spectromètre de minéralogie de Mars
• Magnétomètre
• Analyseur d’ions et de particules neutres
• Analyseur de particules énergétiques

Le radar de l’orbiteur pourrait être en mesure de détecter des preuves plus précises que la mission européenne Mars Express d’un lac d’eau souterraine sous le pôle sud de la planète.

L’orbiteur, qui remplira également une fonction de relais, est conçu pour fonctionner pendant un an sur Mars, soit 687 jours terrestres.

Un atterrisseur

Un atterrissage en toute sécurité sur Mars est la partie la plus difficile et la plus risquée de la mission.

Une fois que l’atterrisseur se sera séparé de l’orbiteur sur l’orbite de Mars, il utilisera un freinage aérodynamique à travers la mince atmosphère martienne pour perdre environ 90% de sa vitesse, ralentissant sa vitesse de 4,8 km/s à 460 m/s. Après cela, un parachute supersonique se déploiera et il faudra environ 90 secondes pour réduire la vitesse de 460 m/s à 95 m/s. Un moteur à inversion de poussée sera alors allumé, ralentissant la vitesse à 3,6 m/s en environ 80 secondes.

Après ces trois premières étapes, l’atterrisseur devrait se trouver à environ 100 mètres au-dessus de la surface de Mars. Planant dans les airs, il observera la surface, ajustera sa position et sélectionnera un endroit sûr pour atterrir en mode « évitement d’obstacles ».

L’ensemble du processus d’atterrissage prendra environ sept à huit minutes.

Le système de rétropropulsion est hérité des atterrisseurs lunaires chinois Chang’e-3 et -4, ainsi que les senseurs fournissant l’altimétrie et le système d’évitement.

L’atterrisseur ne semble pas avoir d’instruments à bord, donc d’avoir de mission scientifique à part entière.

Un rover solaire

Le rover d’environ 240 kilogrammes et de 1,85 m de haut, pèse près du double de la masse des rovers lunaires chinois Yutu, et est légèrement plus grand que les rovers Spirit et Opportunity de la NASA , mais environ un quart de la taille des rovers Curiosity et Perseverance.

Le rover, auquel un nom devrait être donné au cours des 6 prochains mois de voyage vers Mars, dispose de six roues et de quatre panneaux solaires, et pourrait se déplacer à 200 mètres par heure sur Mars.

Le rover, conçu pour durer 92 jours terrestres sur Mars, transporte six instruments : une caméra multispectrale, plusieurs radars pénétrant le sol pour révéler les couches géologiques sous la surface (comme l’imageur RIMFAX sur le rover américain Perseverance) et éventuellement reconnaître la présence de poches de saumure ou de pergélisol dans les premiers mètres, un instrument de spectroscopie à répartition induite par laser (similaire à ChemCam) pour détecter les éléments de surface, les minéraux et les types de roches et aussi 2 charges utiles pour détecter le climat et l’environnement magnétique.

Afin de s’adapter à l’environnement particulier de la surface de Mars, le rover dispose également de fonctions telles que la perception de l’environnement, la reconnaissance d’obstacles, la planification de trajectoire locale et le contrôle coordonné du mouvement de ses 6 roues.

Le site d’atterrissage inconnu à ce jour

Tianwen-1 devrait atteindre Mars vers février 2021. Cependant, la tentative d’atterrissage du rover pourrait ne pas avoir lieu immédiatement. 

La Chine semble s’orienter vers un atterrissage en mai, afin de cartographier la planète et observer le site d’atterrissage par elle-même, malgré les images à haute résolution disponibles de la surface martienne de l’instrument HiRise de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA [allez voir là pour en prendre plein la vue].

La Chine a défini dans un premier temps deux zones d’atterrissage candidates : un site (1) dans la plaine Chryse Planitia où ont atterri les sondes Viking 1 et Mars Pathfinder, et un site (2) dans la plaine Utopia Planitia près de la zone d’atterrissage de Viking 2.

Les zones ont été sélectionnées en fonction à la fois des objectifs scientifiques et des contraintes d’ingénierie : une faible altitude pour fournir plus d’atmosphère et plus de temps pour ralentir la descente de l’atterrisseur ainsi que les besoins en énergie solaire du rover.

L’ellipse d’atterrissage est censée être d’environ 100 x 40 kilomètres.

Selon certaines publications, le site 2 serait actuellement le préféré des scientifiques chinois. Rendez-vous en avril/mai 2021 si tout va bien.

Une participation internationale à Tianwen-1

Il y a une participation de scientifiques français à bord du rover : l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), fournisseur de ChemCAm et SuperCam sur le rover Perseverance de la NASA, a contribué ainsi à l’instrument de spectroscopie par laser de Tianwen-1. Le laser ionise la roche avec un faisceau de la taille d’une tête d’épingle d’une roche, et le spectromètre analyse la lumière émise par le plasma généré, afin de déterminer la composition chimique des roches sur Mars. Ses scientifiques, sous la supervision du CNES, ont également fourni une cible d’étalonnage en norite pour calibrer l’instrument.

Des scientifiques de l’Institut de recherche spatiale de l’Académie autrichienne des sciences ont contribué au développement du magnétomètre de l’orbiteur Tianwen-1 et ont aidé à étalonner l’instrument de vol.

L’Argentine abrite une antenne de suivi dans l’espace lointain appartenant à la Chine, station de Las Lajas, qui sera utilisée pour communiquer avec Tianwen-1. L’ESA continuera de fournir du temps de communication pour Tianwen-1 sur son propre réseau mondial de stations de suivi et d’aider à la navigation de la sonde dans son voyage vers Mars.

Une mission politique également

Alors que l’Inde a réussi a réussi à se mettre en orbite autour de Mars en 2014 avec sa mission Mangalayaan, la Chine ne pouvait pas rester à la traîne au niveau mission interplanétaire, notamment face à son rival historique indien.

Ainsi la première mission d’exploration de Mars de la Chine a été approuvée par le Comité central du Parti et le Conseil d’État en janvier 2016.

En juillet 2021, le pays va fêter le 100e anniversaire de la fondation du Parti. Une belle occasion si l’atterrissage réussit à faire fonctionner un rover sur la planète, cela démontrera au monde entier que la Chine est une puissance spatiale à spectre complet.

La Chine espère aussi que Tianwen-1 sera la première d’une série de missions d’exploration spatiales ambitieuses et réussies.

Sources principales : Spacenews, twitter, CNSA et CASC.