Exploration de Mars par Perseverance

Site d'atterrissage de Mars 2020 dans le cratère Jezero et parcours prévu de l'astromobile Perseverance : 1. Ellipse délimitant la zone d'atterrissage - 2. Point d'atterrissage de Perseverance - 3. Dépôts laissés par l'ancien delta formé par l'eau sortant du canyon - 4. Neretva Vallis : Ancien chenal dans lequel l'eau a autrefois coulé - 5. Chemin suivi par Perseverance (prévision) - 6. Flancs du cratère Jezero.
Perseverance sur son site d'atterrissage avec en arrière-plan les falaises de la bordure interne du cratère Jezero qui dominent de 600 mètres le plancher du cratère (photomontage).

L'exploration de Mars par Perseverance est le déroulement de la mission de l'astromobile de la mission spatiale Mars 2020 dans le cratère d'impact Jezero. Cet engin, développé par la NASA s'est posé à la surface de la planète Mars le 18 février 2021. Perseverance est un robot mobile conçu pour explorer ce cratère qui a abrité, il y a environ 3,6 milliards d'années, un lac permanent et qui conserve les traces de plusieurs deltas de rivière. Perseverance s'est posé à proximité immédiate d'un de ces deltas. Durant son exploration, il est prévu qu'il traverse une partie de celui-ci avant de se diriger vers ce qui pourrait être les rives de l'ancien lac qui remplissait le cratère. Enfin, il doit escalader les rebords du cratère hauts de 600 mètres avant de parcourir les plaines environnantes. Durant sa mission primaire (un peu plus de deux années terrestres), l'astromobile pourrait réaliser à peu près la moitié du trajet planifié.

L'objectif principal de la mission de Perseverance est de rechercher des sites ayant pu abriter des formes de vie, à l'aide des instruments embarqués, et de prélever une quarantaine de carottes de sol et de roches sur des sites sélectionnés. Le résultat de ces prélèvements doit être déposé par l'astromobile sur des emplacements soigneusement repérés en attendant d'être ramenés sur Terre par une future mission étudiée conjointement par la NASA et l'Agence spatiale européenne. Selon le planning élaboré par les deux agences, le retour sur Terre est prévu pour 2031 sous réserve de son financement. Le but final est de pouvoir effectuer sur Terre une analyse fine des échantillons du sol martien, notamment d'identifier d'éventuelles formes de vie anciennes, en utilisant toutes les capacités des instruments terrestres qui, contrairement à ceux embarqués sur les engins spatiaux, ne sont pas limitées par les contraintes de masse.

L'astromobile Perseverance reprend l'architecture de Curiosity qui explore depuis la surface de Mars. Perseverance est un engin de plus d'une tonne qui dispose d'une palette d'instruments scientifiques (caméras, spectromètres de différents types) qui sont utilisés pour identifier les sites les plus intéressants, fournir le contexte du prélèvement effectué (caractéristiques géologiques, conditions climatiques à la formation) et effectuer une première analyse chimique : ce sont le spectromètre de fluorescence des rayons X PIXL, le spectromètre Raman SHERLOC, le spectromètre imageur SuperCam et la caméra Mastcam-Z. L'astromobile emporte également une station météorologique (MEDA), un radar destiné à sonder les couches superficielles du sol (RIMFAX). Deux expériences doivent tester sur le terrain des technologies avant leur mise en œuvre de manière opérationnelle dans de prochaines missions : MOXIE produit de l'oxygène à partir de l'atmosphère martienne (ISRU) et MHS (Ingenuity), un petit hélicoptère de moins de deux kilogrammes, va tester les capacités d'un engin aérien dans l'atmosphère très ténue de Mars.

Objectifs de la mission de Perseverance

Il y a plusieurs milliards d'années, la planète Mars disposait comme la Terre d'une atmosphère dense, d'un champ magnétique la protégeant du vent solaire et d'eau liquide coulant à sa surface. La vie s'est développée sur Terre dès cette époque sous forme de micro-organismes. La mission de Perseverance, développée par la NASA, doit contribuer à déterminer s'il en a été de même sur Mars. Plusieurs missions ont déjà été envoyées sur cette planète par l'agence spatiale pour collecter des indices permettant de répondre à cette question. C'est le cas notamment de l'astromobile Mars Science Laboratory/Curiosity toujours en activité dans le cratère Gale. Ces missions ont étudié les roches et les sédiments de la surface de Mars et ont pu déterminer que des conditions propices à la vie ont existé : présence d'eau liquide, conditions climatiques tempérées. Perseverance a un objectif différent : l'astromobile a été envoyé dans le cratère Jezero, qui a conservé les traces d'une activité fluviale et d'un lac, pour prélever une quarantaine de carottes de sol et de roches dans des sites ayant pu abriter des formes de vie qui seront être ramenés sur Terre par une future mission étudiée conjointement par la NASA et l'Agence spatiale européenne pour y être analysés. En effet les instruments scientifiques des engins envoyés sur Mars, malgré leur sophistication, sont limités par les contraintes de masse et d'énergie disponible. Ils n'ont pas la capacité des équipements dont disposent les laboratoires terrestres. Une analyse fine des échantillons du sol martien sera entreprise sur Terre. Elle permettra notamment d'identifier d'éventuelles formes de vie anciennes, en utilisant toutes les capacités des instruments terrestres.

De manière plus détaillée la mission de Perseverance sur Mars doit remplir Les cinq objectifs :

  1. Explorer un environnement susceptible d'avoir accueilli la vie en analysant son histoire et les processus géologiques qui s'y sont déroulés.
  2. Rechercher des indices de signatures d'origine biologique dans une sélection de sites :
    • déterminer l'habitabilité de l'environnement par le passé de la zone explorée.
    • si la zone a pu abriter des formes de vie, rechercher des matériaux qui ont pu préserver des signatures biologiques.
    • recherche des indices potentiels de la vie en utilisant des techniques d'observation permettant de respecter les règles de protection planétaire.
  3. Collecter des échantillons de sol martien en connaissant leur contexte géologique précis pour permettre une future mission de retour d'échantillons du sol martien sur Terre :
    • collecter des échantillons sélectionnés scientifiquement avec description précise du terrain. Les échantillons devront à la fois être les plus susceptibles de permettre l'identification d'indices de vie et bien représenter la diversité de la région explorée par l'astromobile.
    • assurer que la collecte se fasse en respectant les règles de protection planétaire et que les échantillons pourront être effectivement utilisés par la future mission de retour d'échantillon.
  4. Préparer les futures missions habitées sur le sol martien en testant des technologies (ISRU, etc.), analysant les conditions régnant à la surface de Mars — rayonnement, température, poussière... — et améliorant les connaissances sur les conditions de rentrée atmosphérique (MEDLI+) :
  5. Déterminer la morphologie et la taille de la poussière pour comprendre son incidence sur les opérations à la surface de Mars et sur la santé des astronautes :
    • mesurer les caractéristiques du climat à la surface de Mars pour valider les modèles de circulation atmosphérique de la planète.
    • mesurer les performances du véhicule de descente avec une série de capteurs dans les boucliers thermiques avant et arrière.

Description de la région explorée

Le site d'atterrissage de l'astromobile Perseverance est situé dans l'hémisphère nord de Mars non loin de l'équateur de la planète (18.4°N, 77.7°E) à une altitude de -2,55 kilomètres par rapport au niveau moyen de Mars. Il se trouve, comme le cratère Gale en cours d'exploration par l'astromobile Curiosity, à la limite de la plaine qui recouvre l'hémisphère nord de la planète et des plateaux élevés et souvent accidentés recouvrant l'hémisphère sud.

Acheron FossaeAcidalia PlanitiaAlba MonsAmazonis PlanitiaAonia PlanitiaArabia TerraArcadia PlanitiaArgentea PlanumArgyre PlanitiaChryse PlanitiaClaritas FossaeCydonia MensaeDaedalia PlanumElysium MonsElysium PlanitiaGale craterHadriaca PateraHellas MontesHellas PlanitiaHesperia PlanumHolden craterIcaria PlanumIsidis PlanitiaJezero craterLomonosov craterLucus PlanumLycus SulciLyot craterLunae PlanumMalea PlanumMaraldi craterMareotis FossaeMareotis TempeMargaritifer TerraMie craterMilankovič craterNepenthes MensaeNereidum MontesNilosyrtis MensaeNoachis TerraOlympica FossaeOlympus MonsPlanum AustralePromethei TerraProtonilus MensaeSirenumSisyphi PlanumSolis PlanumSyria PlanumTantalus FossaeTempe TerraTerra CimmeriaTerra SabaeaTerra SirenumTharsis MontesTractus CatenaTyrrhen TerraUlysses PateraUranius PateraUtopia PlanitiaValles MarinerisVastitas BorealisXanthe TerraCarte de Mars
Carte interactive de la topographie de Mars, sur laquelle figurent les positions des atterrisseurs et astromobiles martiens.Faites glisser votre souris sur la carte pour faire apparaitre les noms des 60 principales formations martiennes et cliquer sur ces liens pour faire apparaitre les articles sur celles-ci. Les couleurs de la carte sous-jacente correspondant à l'altitude déterminée par l'altimètre embarqué sur la sonde spatiale Mars Global Surveyor. Les couleurs blanche et marron indiquent les altitudes les plus élevées comprises entre +8 et +12 km, suivies par les couleurs rouges et roses (entre +3 et +8 km). Le jaune correspond au niveau 0. Les verts et bleu correspondant aux altitudes les plus basses (jusqu'à -8 km). Les axes sont constitués par la latitude et la longitude. Les pôles ne sont pas affichés.
Beagle 2
Oxia Planum
Site d'atterrissage Bradbury
Mars 2020
Deep Space 2
InSight
Tianwen-1
Mars 2
Mars 3
Mars 6
Mars Polar Lander
Challenger Memorial Station
Green Valley
Atterrisseur Schiaparelli
Carl Sagan Memorial Station
Sojourner (1997)
Columbia Memorial Station
Thomas Mutch Memorial Station
Gerald Soffen Memorial Station


Le cratère Jezero

Carte topographique régionale montrant respectivement le bassin Isidis Planitia, le réseau de failles Nili Fossae, le cratère Jezero (à peu près au centre) et l'emplacement de Perseverance (dans la cartouche).

Le site d'atterrissage est situé dans le cratère Jezero de 49 kilomètres de diamètre près de la bordure nord-ouest de celui-ci. Le cratère Jezero se situe lui-même sur la bordure nord-ouest du bassin Isidis Planitia, cratère d'impact de 1200 kilomètres de diamètre, formé durant le dernier épisode sur Mars du grand bombardement qui s'est déroulé il y a plus de 3,9 milliards d'années (Noachien). Le choc de l'impact a transformé en profondeur les roches dans le cratère et est à l'origine du réseau de failles Nili Fossae situé à l'ouest du cratère Jezero. Ce dernier a été formé par un impact de météorite postérieur. La planète Mars est aujourd'hui une planète sèche où l'eau ne peut plus couler à l'état liquide faute d'une atmosphère suffisamment épaisse. De nombreux indices indiquent qu'à ses débuts, il y a plusieurs milliards d'années, alors que le noyau de la planète était encore chaud et son atmosphère épaisse, de l'eau liquide a pu couler à sa surface.

Reconstitution de l'histoire géologique du cratère

En 2005 le planétologue Caleb Fosset, à l'époque encore étudiant, identifie à l'aide d'observations effectuées par les instruments de plusieurs sondes spatiames en orbite autour de Mars, la présence de deux anciennes vallées fluviales coupant les flancs du cratère Jezero au nord et à l'ouest. Au débouché de chacun des deux chenaux dans le cratère se trouve un dépôt en forme de delta comprenant des argiles, minéraux d'altération des silicates qui ne peuvent se former qu'en présence d'eau. L'interprétation de ces observations est que deux cours d'eau drainant la région de Nili Fossae se jetaient il y a plus de trois milliards d'années dans le cratère en déposant à leurs embouchures les matériaux fins transportés en suspension qui auraient progressivement formés ces deltas. Ces cours d'eau auraient rempli le cratère le transformant en lac. Celui-ci aurait atteint une profondeur au moins égale à 250 mètres. La profondeur a peut-être été supérieure à un moment donné car une brèche s'est ouverte dans le flanc nord-est du cratère limitant la profondeur du lac à cette valeur. Durant un certain temps le lac a fait partie d'un réseau fluvial avec des eaux y pénétrant et en sortant puis le flot entrant s'est tari et le lac s'est progressivement asséché : les eaux se sont évaporées ou se sont infiltrées dans le sous-sol. La durée de cet épisode aquatique n'a pu être déterminée avec précision : les deltas pourraient avoir été formés en une vingtaine d'années. Le cratère Jezero est en grande partie comblé et si les matériaux l'ayant comblé sont d'origine sédimentaire, le processus de sédimentation (et donc le lac) aurait pu exister durant une période de 1 à 10 millions d'années. Quel que soit le scénario cette phase s'est achevée au milieu de l'Hespérien (entre 3,7 à 3,2 milliards d'années).

Les chercheurs de l'université Brown ont reconstitué de manière plus précise en 2015 le déroulement de cet épisode aqueux en utilisant les données fournies par le spectromètre CRISM du satellite Mars Reconnaissance Orbiter ainsi que des images fournies par sa caméra CTX. Ils ont pu réaliser une carte géologique détaillée de cette région. Les deux deltas argileux situés dans le cratère ont une composition différente et la signature de chacun correspond à celle des sols de la région d'où provient le cours d'eau qui les a formé. Ces argiles se seraient formées vers les sources des cours d'eau et auraient ensuite transportés dans le cratère. Les données collectées montrent par ailleurs que la formation des argiles d'une part et leur transport jusqu'au cratère d'autre part sont des événements qui se sont produits à des périodes très différentes. En effet le cours d'eau qui a transporté les argiles a du creuser son lit dans une couche de roches surmontant la couche d'argile donc plus récente que la période de formation de celle-ci. Cette superposition des vestiges de deux événements aqueux est particulièrement intéressante pour la reconstitution de l'histoire de la planète. En effet s'il est manifeste que le climat de Mars a été plus humide par le passé, on ne sait toujours pas s'il a été assez chaud pour permettre à l'eau de couler à l'état liquide sur des périodes prolongées. Certains chercheurs suggèrent que à cette époque le climat martien était trop froid et que les transformations chimiques (production d'argile,...) résultent d'un phénomène de percolation des eaux souterraines à travers les couches superficielles du sol plus chaudes. Lorsque ce processus n'a plus été actif, il a été suivi par des apparitions sporadiques d'eau à la surface liées à des pluies ou des chutes de neige liées à des périodes transitoires de réchauffement. Cette deuxième phase serait largement responsable de l'érosion mécanique de la surface de Mars. Les constats effectués à Jezero semblent confirmer ce scénario d'un Mars froid dans cette période reculée.

Une fois les eaux disparues, les deltas ont commencé à être érodés par les vents soufflant à la surface de la planète. Puis le volcan Syrtis Major situé au sud-ouest est entré à plusieurs reprises en éruption. Les laves produites ont atteint, il y a environ 3,5 milliards d'années, le cratère et sont parvenues jusqu'à la base des dépôts formant les deltas sans toutefois les recouvrir. Puis le processus d'érosion par le vent des matériaux du delta, moins résistants que la lave, s'est poursuivi jusqu'à nos jours. De manière épisodique les eaux souterraines ont percolé à travers les roches en transformant les minéraux présents à la surface. Le résultat de tous ces épisodes est que le site présente une grande diversité de minéraux (argiles et carbonates) typiques d'un environnement humide auxquels s'ajoutent des minéraux d'origine volcanique beaucoup plus répandus à la surface de Mars. Certain des minéraux ont été formés lorsque les eaux souterraines ont percolé, d'autres lorsque les sédiments formant les deltas se sont transformés en roches. Certains grains de minéraux pourraient avoir été formés loin du cratère, il y a très longtemps.

Si la vie a pu exister (sous forme microscopique) sur Mars, elle s'est probablement formée dans ces régions où l'eau était abondante. Perseverance doit identifier à l'aide de ses instruments les sites intéressants et prélever des échantillons de sol qui seront ramenés sur Terre dans le cadre d'une prochaine mission.

La descente de la sonde spatiale à la surface de Mars et premier panorama filmés par les caméras embarquées.

Le site d'atterrissage

Carte topographique du cratère Jezero avec le site d'atterrissage de Perseverance.

L'astromobile Perseverance s'est posé dans le cratère Jezero le 18 février 2021 à 20 h 44 TU après avoir parcouru 472 millions de kilomètres depuis la Terre en 203 jours. Il se trouve presque au milieu de l'ellipse délimitant la zone d'atterrissage prévue par la NASA (à 1,2 kilomètres au sud-est de son centre) donc très près du point visé. Il s'est posé sur un terrain plat en très légère pente (inclinaison de 1,2 degrés par rapport à l'horizontale). L'astromobile est séparé par une faible ondulation des dépôts de l'ancien delta qui constitue le premier objectif de son exploration. Ce delta a été formé par des sédiments charriés par l'ancien cours d'eau qui coulait autrefois dans la vallée fluviale Neretva Vallis. Le site se trouve également non loin des rives de l'ancien lac et des rebords du cratère Jezero.

Pour nommer les différents lieux remarquables de la région que doit traverser l'astromobile, la NASA a divisé le terrain en carrés auxquels ont été attribués le nom d'un parc national d'un des pays ayant apporté une contribution à la mission (Etats-Unis, France, Norvège, Espagne, Italie) qui est choisi parmi ceux comportant des formations géologiques similaires. Les roches étudiées et les formations remarquables au sein d'une de ces divisions sera baptisée en utilisant le nom d'un site situé dans le parc national terrestre ayant servi de référence. Certains sites ont été baptisés antérieurement à cette règle : ainsi le delta comporte en son centre un cratère d'un peu plus d'un kilomètre de diamètre baptisé Belva. Le chenal qui débouche sur le delta étudié a été baptisé Neretva Vallis.

Déroulement des opérations au sol (prévisionnel)

La mission primaire a une durée de deux années martiennes, soit environ 3 ans et 9 mois terrestres. Le déroulement prévu des opérations comprend trois phases :

  • vérification des systèmes et déploiement des équipements : durée 60 jours martiens, soit environ 62 jours terrestres (1 jour martien (nommé 1 sol) = 24 heures 39 minutes terrestres)
  • test de l'hélicoptère : durée 30 jours martiens
  • réalisation de la mission scientifique.
Panorama pris depuis le site d'atterrissage par les caméras Navcams situées en haut du mât.

Phase I : vérification des systèmes et déploiement des équipements (en cours)

La première phase après l'atterrissage, qui a eu lieu le 18 février 2021, consiste à réaliser le déploiement des équipements de l'astromobile qui étaient en position repliée pour les protéger, ou pour des raisons d'encombrement, puis à vérifier ces équipements ainsi que les instruments scientifiques. Cette phase doit durer 60 jours martiens (sols).

Durant les 30 premiers jours tous les systèmes de l'astromobile et ses instruments seront vérifiés et leur fonctionnement sera testé. Les opérations suivantes sont prévues. :

  • Prise d'images immédiatement après l'atterrissage une fois que la poussière est retombée
  • Déploiement du mat et de l'antenne grand gain
  • Images du site d'atterrissage et du pont supérieur de l'astromobile
  • Installation de mises à jour des logiciels installés dans les ordinateurs de l'astromobile
  • Vérification du fonctionnement des instruments scientifiques
  • Test de mobilité avec un déplacement d'environ 5 mètres
  • Déploiement du bras et vérification de sa mobilité
  • Ejection du couvercle protégeant le système de stockage d'échantillon durant l'atterrissage
  • Prise d'images des cibles d'étalonnage par les instruments PIXL et SHERLOC
  • Déploiement du bras qui sera utilisé pour manipuler les tubes devant contenir les carottes de sol et vérification de son fonctionnement.

Les 30 jours suivants sont réservés à des opérations qui dépendront des résultats obtenus jusque là. Parmi les activités prévues durant cette période figurent :

  • La recherche d'une zone propice au test de fonctionnement de l'hélicoptère Ingenuity
  • L'éjection du couvercle protégeant l'hélicoptère sous le châssis.

Phase II : tests en vol de l'hélicoptère Ingenuity

L'hélicoptère sur Mars (vue d'artiste).

Il est prévu, 60 jours après l'atterrissage, de déployer et de tester l'hélicoptère martien Ingenuity embarqué à bord de Perseverance. L'hélicoptère n'a aucun rôle opérationnel à jouer dans la mission. Il s'agit uniquement de tester ses capacités en vue d'une utilisation opérationnelle dans le cadre d'une future mission. Cette phase de tests devrait durer 30 jours martiens. L'hélicoptère martien a été transporté jusqu'à Mars sous le châssis de l'astromobile Perseverance avec ses hélices alignées en position couchée sur le côté. Une fois Perseverance à la surface de Mars, une vérification générale des différents sous-système de Perseverance sera effectuée dont ceux de l'hélicoptère. Les batteries de celui-ci seront rechargées. Une fois cette phase achevée, l'astromobile se mettra à circuler en recherchant un terrain de 10 mètres sur 10 pouvant servir de zone d'atterrissage pour l'hélicoptère. L'équipe projet a calculé que la probabilité de trouver un terrain convenable (terrain quasi plat, pas de roche de plus de 5 centimètres de haut) dans l'ellipse retenue pour l'atterrissage (7,6 x 6,6 kilomètres) était de 75%. L'hélicoptère sera déposé sur la zone d'atterrissage retenue (voir vidéo en annexe) : le cache qui le protège des débris à l'atterrissage sera largué, ses pieds seront déployés puis il sera pivoté dans sa position naturelle avant d'être largué sur le sol. De nombreux tests statiques seront effectués. Dix jours sont prévus pour le déploiement et 30 jours pour tester les capacités en vol. Pour le premier vol, l'astromobile s'éloignera de l'hélicoptère à une distance de sécurité (50 à 100 mètres) puis l'hélicoptère s'élèvera à la verticale jusqu'à une hauteur de 3 mètres avant de faire du surplace durant 30 secondes (voir animation en annexe). Quatre autres vols de quelques centaines de mètres sont prévus avec une durée pouvant aller jusqu'à 90 secondes. Une fois la phase d'expérimentation achevée, l'hélicoptère sera abandonné sur place et l'astromobile entamera sa mission scientifique. Les tests effectués durant les cinq vols programmés seront les suivants :

Phase III : Opérations en surface

A l'issue des tests réalisés avec l'hélicoptère Ingenuity débuteront les opérations en surface destinées à remplir les objectifs scientifiques de la mission. L'astromobile se mettra à la recherche d'indices d'une vie microbienne passée tout en étudiant les caractéristiques géologiques et climatiques de Mars. Durant son exploration, il prélèvera des carottes du sol de Mars en enregistrant le contexte géologique. Cette phase sera pilotée par l'équipe scientifique en tentant d'engranger le plus grande quantité de données dans le temps disponible tout en conservant une grande souplesse dans le déroulement des opérations pour prendre en compte les découvertes réalisées. Cette phase d'exploration a été préparée longtemps à l'avance en utilisant les données (images, analyses spectrales) de la surface du cratère Jezero collectées par les instruments des sondes spatiales en orbite. Les scientifiques ont ainsi pu déterminer les sites présentant un intérêt notamment les affleurements rocheux nécessitant une étude plus détaillée. Une fois les données de ces sites obtenues à l'aide des instruments embarqués, les scientifiques décideront de la nécessité de collecter d'autres données ou de prélever une carotte. L'astromobile devrait couvrir plus de distance que les engins qui l'ont précédé sur le sol martien. Le processus de déplacement a été optimisé et automatisé de manière à pouvoir contourner de façon sûre les obstacles rocheux et les sites sableux dans lesquels il pourrait s'enliser. Perseverance devrait pouvoir parcourir en moyenne 200 mètres par jour martien alors que le record établi par Opportunity est de 214 mètres.

Scénario d'exploration

Durant le processus de sélection du cratère Jezero comme destination de la mission les scientifiques ont identifié de manière précise, en s'appuyant sur les données recueillies par les instruments des satellites en orbite autour de Mars, les parties du cratère qu'ils souhaitent étudier. Pour pouvoir arriver au plus vite sur la première unité géologique à étudier Perseverance s'est posé dans le cratère Jezero à environ trois kilomètres au sud-est de la base du delta formé par le cours d'eau qui coulait autrefois dans la vallée fluviale baptisée Neretva Vallis. Le scénario d'exploration défini par les scientifiques comporte l'étude de plusieurs régions d'intérêt (ROI Region Of Interest). Ces zones d'environ 1 kilomètre de diamètre répondent chacune à des objectifs majeurs de la mission. Dans chaque ROI l'astromobile mène plusieurs campagnes qui sont chacune l'étude approfondie d'une zone particulière accompagnée du prélèvement d'échantillons du sol. Sur le trajet reliant deux ROI, l'astromobile mène des études moins exhaustives dans des sites (Waypoint) présentant un intérêt scientifique de second ordre. A cette occasion l'astromobile peut également prélever une carotte du terrain. Le scénario d'exploration est le suivant :

Parcours planifié de l'astromobile avec les différents types de terrain rencontrés.
  • L'astromobile se dirige vers le nord ouest pour étudier une faille dans le sol volcanique qui doit permettre d'étudier sa composition (cendres, laves, grès ?) (Waypoint 1b).
  • Un deuxième site étudié est situé au sud du précédent et comporte des carbonates au contact du sol volcanique. L'objectif est d'étudier les carbonates et la relation qui peut exister avec les vestiges isolés du delta.
  • La première région d'intérêt (ROI1) est située à la base du delta au nord du point précédent. La campagne qui est menée a pour objectif d'établir la stratigraphie des couches inférieures du delta et d'étudier la zone de contact entre le les carbonates du plancher du cratère et les couches d'olivine/carbonate du delta.
  • L'astromobile se dirige vers le sud-ouest et escalade le dépôt laissé par le delta. La deuxième région d'intérêt (ROI2) est l'étude du paléoenvironnement des parties supérieures du delta. Les composants des dépôts d'une barre de méandre (carbonate, olivine, silicates) sont étudiés ainsi que leur relations avec les couches supérieurs contenant de l'argile.
  • L'astromobile se dirige vers le sud et étudie brièvement (waypoint3) l'argile des dépôts situés dans un chenal.
  • L'astromobile se dirige alors vers l'ouest pour étudier une nouvelle région d'intérêt (ROI 3) correspondant aux rives de l'ancien lac.
  • Il se dirige alors vers le nord et s'arrête à deux reprises (Waypoint 4 et 5) pour déterminer si le carbonate présent fait partie des dépôts formés par l'ancien lac et il recherche des biosignatures.
  • L'astromobile repart à l'ouest puis escalade le flanc intérieur du cratère qui domine de 600 mètres le plancher du cratère. Il atteint alors la région d'intérêt (ROI4) où il tente de déterminer s'il subsiste des vestiges d'un environnement hydrothermal.
  • Une extension de la mission pourrait consister à quitter le cratère pour étudier le bassin versant du cours d'eau ayant alimenté le lac et produit les sédiments retrouvés dans le delta. Un deuxième objectif serait d'échantillonner des sols du noachien inférieur. Un scénario alternatif serait d'explorer et d'échantillonner la partie nord du cratère Jezero pour disposer d'échantillons différents des strates de carbonates et des dépôts générés par le cours d'eau et le lac.

Durant la mission primaire (un peu plus de deux années terrestres), l'astromobile pourrait réaliser à peu près la moitié du trajet planifié.

Programmation des opérations sur le sol martien

L'astromobile n'est que partiellement autonome et le déroulement des opérations doit être établi quotidiennement par les équipes de techniciens et de scientifiques sur Terre.

Contraintes

Le déroulement des opérations à la surface de Mars doit prendre en compte plusieurs contraintes qui complexifient et ralentissent l'enchainement des opérations. Les principales contraintes sont :

  • l'éloignement de Mars qui ne permet pas à un "pilote humain" de commander les opérations du robot en temps réel.
  • L'énergie limitée dont dispose Perseverance qui impose de séquencer soigneusement l'utilisation des équipements et des instruments scientifiques.
  • Les obstacles naturels présents à la surface de Mars qui limitent la vitesse de déplacement pour ne pas risquer d'endommager ou de perdre un engin spatial qui a couté plus de deux milliards de US$.
  • Les communications entre la Terre et Mars qui ne peuvent être directes que si la face de Mars sur laquelle se situe l'astromobile est tournée vers la Terre. Si ce n'est pas le cas il faut passer par les orbiteurs ce qui nécessite que le site d'atterrissage soit survolé par un de ceux-ci.
  • Le temps nécessaire aux analyses des résultats d'une journée d'activité de l'astromobile par les équipes au sol qui est nécessaire pour la programmation des activités du lendemain. L'astromobile est inactif la nuit pour recharger ses batteries. Pour programmer les activités de l'astromobile il faudrait que les résultats d'une journée soient analysés dans un délai très court et que la programmation des activités du lendemain soit transmis en tenant compte de ces données. Mais les périodes de jour sur Terre durant laquelle le support (techniciens et scientifiques) est actif ne sont pas toujours compatibles avec ce planning. Du fait de la différence entre la longueur du jour martien ce décalage.
  • Les températures très basses de Mars imposent l'utilisation de résistances chauffantes pour les actuateurs des parties mobiles de l'astromobile, les instruments scientifiques et les caméras qui consomment de l'énergie et imposent des délais pour faire effet.

Un robot semi-autonome par nécessité

Mars se trouve à une distance variable de la Terre. Une émission radio émise depuis Mars met entre 3 minutes et 21 minutes pour parvenir jusqu'à la Terre. Toute interaction comprend un délai incompressible compris entre 6 minutes et 42 minutes. Facteur aggravant les communications ne sont pas toujours possibles : si la Terre n'est pas dans le champ de vue de l'astromobile, les communications directes sont impossibles. A certaines périodes de l'année, le Soleil s'interpose entre la Terre et Mars bloquant toute communication durant plusieurs jours. Il n'est donc pas possible de piloter en temps réel comme cela est fait pour les robots mobiles envoyés à la surface de la Lune (temps de latence 1 seconde). Une fois par jour, un ensemble de commandes (déplacements, utilisation des instruments scientifiques, …) très précises est établi par les scientifiques et ingénieurs au sol et transmis à Perseverance. Ces instructions sont établies à partir des éléments transmis plusieurs fois par jour par le robot : images de navigation, résultats scientifiques, statut des équipements et instruments, etc. L'équipe au sol dispose d'un délai restreint (quelques heures) pour analyser ces données et transmettre les instructions en conséquence.

Une quantité d'énergie disponible restreinte

L'astromobile a besoin d'énergie pour faire fonctionner ses équipements et ses instruments, pour communiquer avec la Terre et pour que ses organes sensibles soient maintenus dans une plage de température acceptable. Cette énergie est fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope (MMRTG) qui produit en début de mission environ 2 000 W thermiques qui permettent d'obtenir 120 W électriques. Cette puissance est indépendante de l'intensité du rayonnement reçu du Soleil et n'impose donc pas d'arrêter la mission durant la nuit ou pendant l'hiver martien. Pour faire face aux pointes de consommation l'énergie électrique produite est stockée dans deux batteries rechargeables au lithium ion ayant chacune une capacité de 42 Ah et pouvant stocker en tout un peu moins de 3 000 Watts-heures. Ces valeurs sont à mettre en regard de la consommation : le fonctionnement de l'ordinateur embarqué tout seul dépasse la puissance fournie par le MMRTG tandis que les instruments scientifiques consomment en tout 900 Watts soit environ huit fois la capacité de production de la source d'énergie utilisée. Cette contrainte impose de mettre en sommeil l'astromobile pratiquement chaque nuit pour recharger les batteries qui permettront de faire face à cette consommation et d'ordonnancer très finement l'utilisation des équipements, les vacations de télécommunications très énergivores, etc... Ce séquencement allonge de manière notable le déroulement des opérations.

Limites de la navigation autonome

Durant sa mission sur le sol martien Perseverance doit se déplacer pour aller d'un site nécessitant une investigation scientifique poussée à un autre. Entre deux sites le trajet ne nécessite théoriquement aucune intervention humaine puisqu'il s'agit uniquement de faire progresser l'astromobile. Mais la surface de Mars présente des risques pour un engin mobile : terrain sableux pouvant provoquer un enlisement, pente forte pouvant faire verser le véhicule, roche isolée pouvant bloquer complètement le véhicule ou l'endommager. Pour élaborer les instructions transmises à l'astromobile, les techniciens disposent d'images du terrain qui leur permettent d'identifier les obstacles et de programmer une trajectoire précise. Mais au-delà de 50 mètres de distance (souvent moins), ils ne disposent pas de suffisamment d'informations. La distance entre deux sites est variable mais peut être importante (plusieurs kilomètres) et il faut que l'astromobile puisse progresser rapidement sur le terrain pour qu'il parvienne à remplir ses objectifs dans le temps limité dont il dispose. Les ingénieurs du JPL ont développé un logiciel installé sur l'ordinateur de l'astromobile, baptise Autonav, qui permet à celui-ci de calculer sans intervention humaine une trajectoire sans risques en analysant les images prises par ses caméras. Ce logiciel installé pour la première fois sur les astromobiles MER a été amélioré à chaque nouvelle génération de véhicule : Curiosity puis Perseverance. Ainsi ce dernier peut parcourir sans instructions de la Terre en moyenne entre 150 mètres et 200 mètres par jour contre 80 mètres pour Curiosity. Les progrès ont été obtenus notamment grâce à des capacités de calcul plus poussées (un microprocesseur RAD750 et un FPGA dédié à cette fonction), le recours à des images prises par une caméra disposant d'un objectif grand angle, une meilleure mesure du patinage et un algorithme de calcul des trajectoires possibles plus poussé. Grâce à un temps de calcul fortement accéléré l'astromobile peut parcourir un mètre en 30 secondes contre 247 secondes pour Curiosity.

Contraintes thermiques

Température au sol dans le cratère Jezero en fonction de l'heure de la journée (en ordonnée) et de la saison (en jours martiens : 1 année martienne = 668 sols).

Mars est un monde froid : la nuit la température descend jusqu'à -100°C en hiver et -80°C en été. En journée la température atteint un pic qui dépasse 40°C en été. Beaucoup d'équipements situés en général dans le châssis et certains instruments scientifiques (SHERLOC, PIXL) doivent être maintenus en pemanence à une température minimale (température de survie) qui est généralement de -40°C. Le plus sensible est la batterie qui doit être maintenue à une température comprise entre -20 et 30°C. D'autres équipements - les caméras ainsi que les 32 actionneurs qui mettent en mouvement les roues, l'antenne grand gain, les parties mobiles du bras et du système de stockage des carottes de sol - doivent, pour pouvoir fonctionner, être à une température minimum qui est par exemple pour le bras de -55°C. Les équipements situés dans le châssis sont maintenus au-dessus de leur température de survie grâce à la chaleur produite par le MMRTG qui est véhiculée dans un caloduc. Pour les équipements hors de portée de ces caloducs (actionneurs, caméras, instruments) ce sont 66 résistances chauffantes de puissance variable (de 5 à 10 Watts) qui sont chargés de les porter à leur température de fonctionnement lorsque cela est nécessaire (en été certains équipements sont portés à leur température de fonctionnement grâce à l'ensoleillement dès le matin). La mise en température peut prendre jusqu'à 4 heures (bras) et consommer plusieurs centaines de Watts-heures (bras entre 474 à 596 Watts-heures en fonction de la vitesse du vent)

Planification quotidienne des opérations

Les opérations sur Mars sont planifiées de manière quotidienne en prenant en compte les résultats obtenus les jours précédents, l'environnement de l'astromobile déduit des images et des données collectées, les objectifs à réaliser et les différentes contraintes (énergie disponible, saison, ...). Ces travaux de préparation sont menés conjointement par les différentes scientifiques et les équipes d'ingénieurs et techniciens qui intègrent ces besoins dans le plan de charge des jours suivants en prenant en compte les différentes contraintes. Une journée type se déroule de la manière suviante :

  • Les activités de l'astromobile débutent avec le lever du jour sur Mars.
  • Le fichier des commandes à exécuter préparé la veille est transmis depuis la Terre directement à l'astromobile.
  • L'astromobile exécute les opérations programmées.
  • Au cours de l'après-midi une partie des données collectées sont transmises à un des orbiteurs lors du survol du site d'atterrissage. Les données à transmettre sont déterminées par un ordre de priorité. Les données sont enregistrées par l'orbiteur puis transmises vers la Terre lorsque celle-ci est en vue.
  • Lorsque la nuit tombe, l'astromobile peut continuer à réaliser certaines opérations mais il doit se mettre en veille au moins durant une partie de la nuit pour recharger ses batteries.
  • Très tôt le matin l'astromobile se réveille pour transmettre des données non transmises la veille à un orbiteur.

De son côté, pour préparer les opérations du jour, l'équipe au sol doit commencer par analyser les données transmises la veille en fin de journée par l'astromobile. Grâce à celles-ci elle s'assure que l'astromobile fonctionne normalement, étudie l'avancement et les résultats obtenus et programme les instructions du jour suivant en tenant compte des objectifs scientifiques fixés et des contraintes qui sont formulées par les ingénieurs. Les nouvelles instructions sont codées puis transmises directement à l'astromobile. Au début des opérations sur Mars l'équipe au sol vit à l'heure martienne pour optimiser l'enchainement des opérations : les données sont analysées et les nouvelles instructions sont transmises durant la nuit martienne. Ce mode de fonctionnement impose un décalage de 40 minutes des heures de veille du fait de la longueur du jour martien. Ce rythme épuisant n'est maintenu que durant les 90 premiers jours.

Principales caractéristiques de l'astromobile Perseverance

Premiers tours de roue de l'astromobile dans la salle blanche du JPL.

L'astromobile Perseverance est dérivée de Curiosity (mission Mars Science Laboratory) mais il emporte des instruments scientifiques différents et comporte plusieurs différences au niveau de ses équipement : bras (plus massif), présence d'un espace de stockage des échantillons martiens et roues modifiées pour tenir compte des problèmes rencontrés par Curiosity. Ces modifications se traduisent par une masse sensiblement plus importante (1 025 kilogrammes contre 899 kg) et un châssis allongé de 3 centimètres. L'astromobile est longue de 3 mètres (en ne prenant pas en compte le bras), large de 2,7 mètres et haut de 2,2 mètres.

Instrumentation scientifique

Les instruments scientifiques ont été sélectionnés et conçus dans le but d'identifier de façon efficace les échantillons de sol les plus intéressants pour une analyse ultérieure sur Terre. Alors que Curiosity (Mars Science Laboratory) est équipé de deux laboratoires (SAM et CheMin) permettant une analyse directe sur site, l'astromobile de Mars 2020 n'en emporte aucun. La moitié de la charge utile est réservée au système de prélèvement et de stockage des échantillons. Le reste de la charge utile comprend six instruments scientifiques et deux expériences technologiques. Certains instruments ont été conçus pour identifier rapidement la composition du sol (une analyse pouvant nécessiter plus d'un mois pour Curiosity). Il s'agit d'obtenir dans un délai de temps imparti par les contraintes de la mission 43 carottes de sol bien choisis. Ces contraintes sont la durée de vie de l'astromobile, son temps de déplacement d'une zone à l'autre et l'arrivée de la mission chargée de ramener les échantillons sur Terre.

Gros plan sur la tête du mât qui permet de distinguer l'instrument SuperCam avec sa large ouverture et en dessous les deux caméras principales Mastcam-Z encadrées par deux caméras utilisées pour la navigation.

Trois instruments sont chargés de fournir une vue d'ensemble du site :

  • Mastcam-Z est une caméra à deux objectifs constituant une évolution de la Mastcam embarquée sur Curiosity. La principale amélioration est constituée par l'ajout d'un zoom (objectif de 28-100 mm).
  • SuperCam est une version améliorée de l'instrument franco-américain ChemCam auquel ont été ajoutés des spectromètres Raman et infrarouge.
  • le radar RIMFAX (Radar Imager for Mars Subsurface Exploration) permet de compléter les analyses effectuées par SuperCam qui ne peut étudier que la surface des roches. RIMFAX permet d'analyser les couches géologiques enfouies jusqu'à une profondeur de 500 mètres avec une résolution comprise entre 5 et 20 cm.

Les principaux instruments scientifiques de l'astromobile sont les deux instruments installés au bout du bras de l'astromobile pour venir au contact d'une roche visée : PIXL et SHERLOC. Ils sont utilisés pour réaliser une étude plus poussée d'un échantillon de la taille d'un timbre poste. Leurs capacités sont nettement améliorées par rapport aux instruments embarqués sur Curiosity (microscope et spectromètre à rayons X). Ces deux instruments disposent d'un microscope et, alors que le spectromètre X de Curiosity ne pouvait effectuer qu'une mesure pondérée de la surface de l'échantillon, les deux nouveaux instruments réalisent plusieurs centaines à plusieurs milliers de mesures permettant d'identifier les différences de composition à l'échelle du grain de sable. Cette capacité peut fournir un éclairage décisif sur l'histoire de la formation des roches analysées. Ces instruments sont également capables d'identifier et de cartographier la présence de matière organique en fournissant des résultats plus facilement interprétables que les instruments de Curiosity. Ces deux instruments sont :

Caméras

La sonde spatiale embarque 23 caméras utilisées pour la navigation, les travaux scientifiques et la maintenance dont 19 sont installées sur l'astromobile. Ce sont neuf caméras en couleur pour ingénierie, trois dont deux en couleur pour filmer la phase de descente dans l'atmosphère et d'atterrissage et réaliser un atterrissage de précision, deux caméras couleurs avec zoom de l'instrument Mastcam-Z, la caméra couleur de l'instrument SuperCam, les deux caméras couleurs de l'instrument SHERLOC, la caméra blanc et noir de l'instrument PIXL et la caméra noir et blanc de l'instrument MEDA). Le bouclier arrière emporte trois caméras couleur pour filmer le déploiement du parachute. L'étage de descente emporte une caméra couleur tournée vers le sol destinée à filmer l'astromobile vu du dessus. L'hélicoptère Ingenuity emporte une caméra couleur qui fournira des images de la surface et une caméra noir et blanc pour la navigation.

Emplacement de 13 des 23 caméras installées sur Mars 2020.

Le système de prélèvement et de stockage des échantillons

Animation de la Nasa montrant le déroulement de la collecte d'échantillons.

L'astromobile Mars 2020 dispose d'un bras (Robot Arm RA) fixé à l'avant du châssis et portant à son extrémité un ensemble d'outils utilisés pour analyser in situ des échantillons de sol et de roche : SHERLOC combine une caméra (WATSON), un laser et un spectromètre ultraviolet pour déterminer les composants minéraux et organiques tandis que PIXL, qui combine une caméra et un spectromètre de fluorescence X détermine les éléments chimiques présents. Le bras porte également un ensemble d'outils permettant de recueillir des carottes du sol : GDRT (Gaseous Dust Removal Tool) pour nettoyer la surface, un capteur de contact et une foreuse. Le bras est fixé sur la face avant du rover et est long de 2,1 mètres. Les outils situés au bout du bras peuvent être positionnés face à la zone à analyser, sans que le rover se déplace, grâce à plusieurs articulations motorisées qui fournissent 5 degrés de liberté.

Le bras interne en cours de test : celui-ci est en train d'introduire un tube vide dans un des forets avant que celui-ci soit fixé au bout de la foreuse.

Le système de collecte et de stockage des échantillons martiens représente plus de la moitié de la masse de la charge utile de l'astromobile. C'est un ensemble mécanique extrêmement complexe composé de trois robots. Sa conception a nécessité une longue mise au point pour garantir sa fiabilité et limiter la contamination des échantillons prélevés. Son rôle est de prélever par forage jusqu'à 43 carottes du sol (roche ou régolithe) du diamètre d'un crayon (13 millimètres) et de la moitié de sa longueur (60 millimètres). Celles-ci sont stockées dans des tubes qui sont scellés après remplissage et rangés dans un emplacement situé sous la partie avant du rover. Les tubes sont par la suite déposés dans un endroit identifié avec précision pour pouvoir être collectés par une mission de retour d'échantillons martiens qui reste à financer (début 2020). Pour collecter les échantillons, le sol est d'abord analysé à l'aide des instruments SHERLOC (spectromètre et caméra), WATSON (caméra à fort grossissement) et PIXL (spectromètre à rayons X fixés au bout du bras articulé. Un petit réservoir contenant de l'azote permet de produire un jet de gaz afin de chasser la poussière et les particules avant de procéder à une analyse à l'aide des instruments SHERLOC et PIXL. La foreuse va chercher un foret adapté au type de sol sur un carrousel mobile. Cet équipement est logé dans la partie avant de l'astromobile et fait partie d'un ensemble complexe baptisé Adaptive Caching Assembly (ACA). Le foret est creux et un bras long de 0,5 mètre (le Sample Handling Assembly ou SHA) disposant de 3 degrés de liberté place dans celui-ci un tube qui sera rempli par la carotte de sol au moment du forage. La foreuse peut fonctionner selon deux modes : rotation ou rotation/percussion. Le forage permet d'obtenir un échantillon de sol de 6 centimètres de long et 1,3 centimètre de diamètre dont la masse est d'environ 10 à 15 grammes. Le foret est alors replacé sur le système de carrousel. Le bras SHA intervient alors pour effectuer les opérations de stockage définitif. Il extrait du foret creux le tube contenant l'échantillon de sol et le déplace vers un équipement responsable des opérations finales. Celui-ci mesure le volume de l'échantillon, prend une image de celui-ci, installe un bouchon destiné à limiter les mouvements de l'échantillon dans le tube puis scelle le tube et le range dans le système de stockage définitif. À la fin de la mission, c'est ce bras qui aura la responsabilité de déposer les tubes sur le sol pour constituer le dépôt récupéré ultérieurement par la mission ramenant ceux-ci sur Terre. Le système comprend également six tubes témoins qui contiennent des échantillons de sol terrestre stérilisés comme les tubes vides et qui sont exposés à l'atmosphère de Mars avant d'être scellés .

Notes et références

Bibliographie

voir aussi la section bibliographie de l'article Mars 2020.

Contexte scientifique
  • (en) Sanjeev Gupta, Briony Horgan et al., « Mars 2020 Science Team Assessment of Jezero crater - Mars 2020 4th Landing Site Workshop », x,‎ , p. 31-41 (lire en ligne)
    Présentation du site de Jézéro d'un point de vue géologique : raisons de sa sélection, questions qu'il soulève, ecénario d'exploration et de prélèvement des carottes.
  • (en) Timothy A. Goudge, John F. Mustard, James W. Head, Caleb I. Fasset, Sandra M. Wiseman et al., « Assessing the mineralogy of the watershed and fan deposits of the Jezero crater paleolake system, Mars », Journal of Geophysical Research : Planets, no 120,‎ , p. 775-790 (DOI 10.1002/2014JE004782, lire en ligne)
    Étude minéralogique de l'ancien lac du cratère Jézéro.
  • (en) B.H.N. Horgan, R.B. Anderson, G. Dromart, Elena S. Amador, Melissa S. Rice et al., « The mineral diversity of Jezero crater : Evidence for possible lacustrine carbonates on Mars », Journal of Geophysical Research : Planets,‎ , p. 92 (DOI 10.1016/j.icarus.2019.113526, lire en ligne)
    Étude visant à démontrer que les carbonates observés dans le cratère Jezero sont issus de l'activité fluviale passée.
Dossiers de presse de la NASA
  • (en) NASA, Mars Perseverance Press Kit, , 72 p. (lire en ligne)
    Dossier de presse fourni pour l'atterrissage de la mission Mars 2020
  • (en) NASA, Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, NASA, , 33 p. (lire en ligne) — Dossier de presse de la NASA sur l'hélicoptère Ingenuity.
Aspects techniques
  • (en) Jason G. Kempenaar, Keith S. Novak, Matthew J Redmond, Edgardo Farias, Kaustabh Singh et Mark F. Wagner (8-12 juillet 2018) « Detailed Surface Thermal Design of the Mars 2020 Rover » (pdf) dans 48e International Conference on Environmental Systems : 19 p..  — Conception du système de contrôle thermique de l'astromobile.
Article général sur la mission
  • (en) J.F. Mustard et al., Report of the Mars 2020 Science Definition Team, (lire en ligne).
    Rapport de l'équipe chargé de la définition du contenu scientifique de la mission Mars 2020.

Voir aussi

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Articles connexes

Les autres articles relatifs à la mission spatiale de Perseverance
Au sujet de Mars
Au sujet de l'exploration de Mars

Vidéos

Liens externes

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