MarCO montre que les cubesats interplanétaires sont possibles mais pas faciles

Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA savait que faire voler des cubesats jusqu’à Mars était une tâche difficile. Son vaisseau jumeau Mars Cube One devait parcourir des centaines de millions de kilomètres avec sa propre propulsion et relayer les données de l’atterrisseur Insight de l’agence lors de sa descente sur la planète rouge.

Au cours de ce voyage de près de sept mois en 2018, l’un des cubesats MarCO a subi une fuite de carburant, et les deux ont brièvement perdu le contact lorsque la lueur de Mars, toute proche, a aveuglé leurs traqueurs d’étoiles, provoquant une perte d’orientation du vaisseau spatial jusqu’à ce que les traqueurs puissent à nouveau voir des étoiles.

“MarCO a connu un certain nombre de difficultés en cours de route”, a déclaré Andrew Klesh, ingénieur en chef du JPL pour les cubesats MarCO SpaceNews.

Le JPL a surmonté ces défis, réalisant le principal objectif de la mission MarCO le 26 novembre 2018, en fournissant une liaison de communication en temps réel avec la Terre lorsque l’atterrisseur Insight, d’une valeur d’un milliard de dollars, a touché Mars. Ce faisant, la mission MarCO de 18,5 millions de dollars a prouvé que les cubesats pouvaient soutenir la science dans d’autres mondes. Klesh a déclaré que l’agence a utilisé la lumière du soleil rebondissant sur les panneaux solaires et l’antenne de MarCO-B pour aider à diriger le satellite qui fuit vers Mars en utilisant moins de carburant. En survolant Mars, les cubesats ont atteint un objectif secondaire qui consistait à photographier la planète : prendre une photo qui encouragerait les autres à concevoir leurs propres cubesats pour les missions dans l’espace lointain.

“Le plus excitant avec MarCO, c’est qu’il a inspiré tant de missions dans le monde entier”, a déclaré M. Klesh. “Je ne pourrais vraiment pas vous donner un chiffre.”

Le vaisseau spatial MarCO est resté en contact avec la NASA plusieurs semaines après l’atterrissage d’Insight. Une campagne de suivi visant à rétablir le contact a échoué, ce qui a incité la NASA à mettre officiellement fin à la mission au début de l’année.

Le JPL travaille maintenant avec des partenaires sur plusieurs autres missions cubesat pour explorer le système solaire en utilisant les leçons apprises de MarCO, a déclaré M. Klesh. Parmi celles-ci :

  • Lunar Trailblazer, une mission dirigée par le California Institute of Technology pour cartographier l’eau sur la lune ;
  • LunaH-Map, un cartographe de l’hydrogène en cours de construction par l’université d’Arizona ; et
  • Près de l’astéroïde terrestre Scout, une mission que le JPL développe avec le Marshall Space Flight Center de la NASA.

Faible coût, pas faible effort

Les cubesats ont l’avantage d’être moins chers à construire que les grands vaisseaux scientifiques traditionnels. Mais les cubesats conçus pour l’espace lointain nécessitent des composants plus durables que leurs homologues commerciaux en orbite terrestre basse.

Klesh a déclaré que le JPL devait développer un nouveau transpondeur radio pour MarCO, ainsi qu’un réseau de réflecteurs à gain élevé déployable. Le JPL a également dû modifier des composants commerciaux avant de les inclure dans la mission MarCO. Ce travail comprenait la création de réservoirs de propulsion plus grands avec Vacco Industries, un système de détermination et de contrôle d’attitude avec Blue Canyon Technologies qui fonctionnait au-delà de la portée du GPS, et la conception d’un ordinateur de vol avec AstroDev et l’Université du Michigan qui fonctionnerait dans l’espace profond, a-t-il dit.

L’ESA a l’intention de lancer le cubesat M-ARGO sur un astéroïde d’ici 2025. Crédit : ESA

L’Agence spatiale européenne s’efforce maintenant d’appliquer les enseignements tirés des cubesat MarCO de la NASA à ses propres missions de cubesat dans l’espace lointain, a déclaré Roger Walker, responsable de la technologie des cubesat à l’ESA.

“Il a été un véritable pionnier pour la communauté cubesat dans le monde entier et aussi en Europe”, a-t-il déclaré à propos de MarCO. “Les leçons que nous en avons tirées sont nombreuses.”

L’ESA a cinq cubes spatiaux profonds en développement – trois pour les astéroïdes et deux pour la lune. Chacun d’entre eux dispose d’un budget de 10 à 20 millions de dollars, a déclaré M. Walker. L’ESA étudie des missions potentielles de cubesat martien, a-t-il dit, mais seulement à un niveau préliminaire.

L’un des domaines que l’ESA tente de traiter est celui des coûts liés à l’exploitation des vaisseaux spatiaux, car ceux-ci ne changent pas beaucoup avec la taille des vaisseaux, a-t-il dit. M-ARGO, le cubesat miniaturisé de l’ESA pour l’observation géophysique à distance des astéroïdes, dont le lancement est prévu entre 2023 et 2025, sera doté d’une expérience de navigation autonome qui utilisera les capteurs optiques de l’engin spatial pour trianguler sa position en observant les planètes, a déclaré M. Walker.

“Cela nous permettra de moins dépendre du suivi du vaisseau spatial avec des stations terrestres sur Terre pour déterminer la position”, a-t-il déclaré. “Le niveau de coût plus faible nous permet également de prendre des risques plus élevés et de faire des choses plus innovantes qui, si elles sont prouvées sur des missions cubesat, réduiront alors les coûts des missions plus importantes ainsi qu’en termes d’opérations”.

M-ARGO est sans doute la mission d’exploration cubesat de l’ESA la plus exigeante sur le plan technologique, a déclaré M. Walker. L’ESA, avec ses partenaires Gomspace au Luxembourg et l’Université polytechnique de Milan en Italie, développe ce satellite qui, selon M. Walker, aura besoin d’une propulsion électrique de grande puissance et de systèmes de communication de grande puissance pour rechercher de l’eau et d’autres ressources sur un astéroïde.

Des vols martiens aux orbites

Les chercheurs européens et américains qui s’intéressent aux missions de cubesat se dirigeant vers Mars affirment que l’un des principaux défis à relever pour tirer parti du succès de MarCO est de ne pas se contenter de survoler Mars avec des cubesats, mais de se mettre en orbite et de mener des recherches scientifiques.

L’Université polytechnique de Milan, en plus de ses travaux sur M-ARGO, conçoit un cubesat de 16 unités appelé MARIO, abréviation de Mars Atmospheric Radiation Imaging Orbiter, qui étudierait l’environnement thermique de la haute atmosphère de Mars au cours d’une mission de six à huit mois.

MARIO n’est pas une mission financée, mais l’université espère obtenir le soutien de l’ESA.

Karthik Venkatesh Mani, le chef de projet de MARIO, a déclaré que le cubesat serait utilisé pour démontrer une “capture balistique” en orbite aréostationnaire – l’équivalent martien de l’orbite géostationnaire de la Terre.

Le vaisseau-mère SHERPA, équipé d’un bouclier thermique gonflable (non illustré), pourrait transporter une flotte de cubes-satellites vers Mars. Crédit : NASA

MARIO se lancerait d’abord comme covoiturage dans une mission commerciale vers une orbite de transfert géostationnaire dont l’apogée se situerait à environ 90 000 kilomètres, puis exécuterait un mélange orchestré de manœuvres de propulsion chimique et électrique pour atteindre Mars dans environ quatre ans, a-t-il dit.

“L’aspect scientifique n’est pas si profond, je dois dire, mais il a une valeur immense car si nous sommes capables de réaliser l’imagerie par rayonnement thermique – qui est essentiellement réalisée par de multiples missions sur Mars – mais avec un si petit engin spatial, et en investissant éventuellement 30 millions de dollars, nous obtenons un rapport science/investissement très élevé”, a déclaré M. Mani. “C’est ce que nous voulons réaliser”.

L’idée qu’un cubesat n’atteigne pas seulement Mars, mais entre ensuite en orbite uniquement grâce à sa propre propulsion n’est pas sans soulever des critiques.

“En ce moment, il n’y a pas de prière pour que les cubesats se mettent seuls en orbite autour de Mars”, a déclaré Jaime Esper, ingénieur principal au Goddard Space Flight Center de la NASA. “Au moment où vous finirez par ajouter le carburant nécessaire pour vous mettre en orbite autour de Mars, votre cubesat ne sera plus un cubesat, mais un smallsat”.

Esper a co-écrit un article avec l’astronaute d’Apollo 11 Buzz Aldrin sur un véhicule potentiel appelé SHERPA (Spacecraft Human Exploration Resource Prospector with Aero-braking) qui pourrait servir de vaisseau-mère pour amener une flotte entière de cubes-satellites sur Mars.

“Si vous deviez plutôt monter une série de cubesats à l’arrière d’une coque de décélérateur, cela vous permettrait de faire des captures aériennes sur Mars”, a-t-il déclaré. “Maintenant, vous permettez d’envoyer ces engins spatiaux en orbite autour de Mars.”

Comme MARIO, le SHERPA d’Esper et Aldrin est une idée en quête de financement. Esper a déclaré que le SHERPA, s’il était lancé, nécessiterait probablement une fraction de ce que la NASA alloue à sa classe de missions d’exploration du système solaire Discovery, qui, ces dernières années, ont eu un plafond budgétaire de 500 millions de dollars, hors lancement et opérations.

Cet article a été publié dans le numéro du 13 juillet 2020 du magazine SpaceNews.