Mars Geyser Hopper

Le système doit effectuer deux sauts, l’un pour atteindre la zone à étudier sur Planum Australe, l’autre pour se poser sur le site final d’étude des geysers. Il peut se déplacer au moyen de moteurs monopropulseurs pulsés à hydrazine, laquelle est maintenue sous forme liquide à −75 °C grâce au système thermique[2], conçus pour permettre un redémarrage. Les ingénieurs ont pu estimer les quantités de propergol nécessaires pour ces sauts grâce au programme Mission Analysis and Simulation Tool in Fortran (MASTIF), permettant des modélisations de sauts.

À partir du programme MASTIF, ils ont imposé les conditions de sauts suivantes :

• effectuer une montée verticale de deux secondes ;
• s'orienter à un angle de 35 degrés par rapport à la verticale ;
• suivre une trajectoire balistique ;
• permettre l'orientation du vecteur de poussée pour, au besoin, annuler la vitesse horizontale ;
• permettre une descente verticale pour un atterrissage en douceur et ne pas abîmer la structure de l’engin.

Les données du saut ont été calculées pour une densité atmosphérique constante de 0,017 314 kg/m³[2].

Le tableau ci-dessous présente un résultat de modélisation par le programme MASTIF ; les distances sont des estimations minimales. Il est permis d'espérer que les réserves en propergol seront plus grandes que celles estimées, qu’il en restera davantage lors de l'atterrissage. Ainsi, les opérateurs de la mission auront une plus grande marge. Après l'atterrissage, l’équipe chargée de la mission réévaluera les quantités de propergol restant afin de déterminer la distance que l’engin pourra parcourir.

(tableau traduit depuis le texte initial de la NASA[2])

Animation d'un phénomène de geyser printanier sur Mars.

Les geysers martiens sont dus à l'emprisonnement de particules de dioxyde de carbone (CO₂) lors de l'hiver au sud de Mars, où les températures tombent à −150 °C, soit lorsqu’il n’y a aucune exposition solaire[6].

Le choix premier était de reprendre le modèle utilisé pour Mars Phoenix Lander, qui utilisait le soleil comme source d'énergie. Or la faible exposition solaire de la zone d’étude rend son utilisation seule impossible.

Le système de générateur Stirling à radioisotope avancé (ASRG), tirant son énergie de la désintégration radioactive de plutonium 238, était envisagé comme alternative, fournissant une puissance de 133 W. L'énergie cumulée serait utilisée pour les opérations de surface et les sauts. À son action serait ajoutée une batterie pour les étapes d'entrée-descente-atterrissage et de sauts, fournissant 150 W supplémentaires[2]. La chaleur résiduelle dégagée par l’ASRG (environ 350 W) permettrait à l’engin de résister au froid hivernal et de ne pas être piégé dans la glace[7]. Les deux systèmes pèseraient respectivement 6 kg pour l’équipement du moteur et 126 kg pour la structure du sauteur. Finalement, le système ASRG a été écarté en 2013 à cause de son coût trop important[8].

Schéma représentant les dimensions (hauteur et diamètre) de Mars Geyser Hopper lorsqu'il est déployé en surface de Mars.

L’utilisation d’hydrazine dans quinze propulseurs Aerojet MR-107N B, développant 230 secondes d'impulsion spécifique pour l'atterrissage et le saut, permet la propulsion de l’engin et un atterrissage en douceur. Son système de contrôle de réactions possède quatre paires de propulseurs de type Aerojet MR-103D à 215 s d'impulsion spécifique, et un propulseur Aerojet MR-102 à 220 s d'impulsion spécifique. Ce système permet de fournir de petites quantités de poussée dans toutes les directions, ainsi que le contrôle de rotation, ce qui permet une grande maniabilité de l’appareil pour les déplacements sur le terrain. La trémie doit être composée de 62 kg supplémentaires d’hydrazine pour permettre des sauts jusqu’au site de geysers d’environ 2 km ainsi que 191 kg de propergol[2].

Plusieurs types d'instruments scientifiques ont été inclus sur le Hopper[2], tels qu’une caméra stéréo permettant l’observation des phénomènes de geyser[9], ou un bras robotique pour creuser la surface du sol martien afin d’effectuer des prélèvements d’échantillons et leurs analyses par le Hopper.

Dimensions de Mars Geyser Hopper sous sa forme pliée pour la croisière interplanétaire et avec son bouclier thermique.

L'engin possède un système de détection de lumière et un instrument de télémétrie (lidar) qui a pour but d’évaluer les distances à l’aide d’un laser, d’un scanner et d’un récepteur GPS, notamment utilisé en cartographie car il permet d’obtenir une précision très élevée des environnements naturels[2] - [10]. Une caméra d'atterrissage et un spectromètre thermique servent aux études géologiques à distance et à l'étude des conditions météorologiques. Tout le matériel d’étude de terrain a été estimé à 34 kg[2].

L'atterrisseur a été calqué sur le modèle de Mars Phoenix. Il sera composé de panneaux solaires en couple, de trois axes d’entrée balistique, de capteurs solaires, d’une centrale à inertie (IMU), d’un radar d'atterrissage et d’un système de viseur d'étoiles. Pour l'atterrisseur, le poids atteint les 25 kg, ce qui est contrasté par la masse des structures et mécanismes s’élevant à 402 kg[2].

Le Hopper possède 100 Go de capacité de stockage de données, deux unités d'acquisition de données, deux ordinateurs de vol à l'intérieur qui sont estimés à une trentaine de kilogrammes[2].

Résumé du concept de la mission de l'astromobile Mars Geyser Hopper.

• Mars Geyser Hopper entre dans l'atmosphère au niveau du pôle sud de Mars, pendant l'été là où la glace est la moins présente en surface. L'appareil réalise un atterrissage en douceur à l'aide d'une fusée propulsée. L'atterrissage est ciblé au niveau d'une région à proximité d'un geyser et non sur le geyser lui-même, son rayon d'atterrissage mesurant 20 km sur 50 km[11].
• L'été polaire favorise les recherches géologiques de surface. De plus, les images prises pendant la descente ainsi que les images de surface vont permettre au satellite d'identifier précisément le lieu de l'atterrissage avec un emplacement à proximité d'un geyser[11] - [13].
• Le vaisseau sera en mesure d'effectuer un premier saut d'une distance allant jusqu'à 2 km, dans le but de rapprocher suffisamment l'appareil du site de prélèvement et de l'endroit où il restera pendant la période hivernale.
• À la suite de son saut, il commence à effectuer ses recherches géologiques afin de caractériser un site de geyser[13].
• Le deuxième saut est quant à lui d'une plus courte distance (environ 100 m). Ce saut lui permettra d'accéder au site d'hivernage, un endroit choisi en altitude où il pourra avoir une vue des environs et être suffisamment en dehors de la zone de retombée du panache de débris attendu[13].
• Pendant l'été, il caractérisera la zone avant de passer en "mode hiver". Durant cette période, il continuera à transmettre des données géologiques et météorologiques[13].
• À l'arrivée du printemps, l'appareil observe les phénomènes de geyser depuis la position choisie pour une observation optimale. La mission principale est terminée une fois les geysers observés. La décision d'un prolongement de la mission pour une année entière martienne pourrait être prise, jusqu'au prochain été polaire[11].

• Début de la mission 1^er mars 2016, croisière d'une durée d'environ sept mois. Une fois proche de l'orbite de Mars, correction de la trajectoire.
• Fin octobre 2016, opération de manœuvre d'entrée, qui permet l'orientation pour la décente aérodynamique. Initiation de l'état d'entrée avec une séparation de la partie du vaisseau qui a servi à la croisière[13].
• Début de la descente, chauffage des pointes et déploiement des parachutes environ 3 minutes après la descente. Largage du bouclier thermique et déploiement des jambes en plus de l'activation du radar[13].
• Il y a séparation de l'atterrissage et du début du virage par gravité. Une fois l'atterrissage effectué, l'étape de dépoussiérage commence 15 min après le débarquement, suivie d'une reconfiguration selon les besoins ; déploiement de l'antenne, établissement des communications et transmission de l'état de santé de l'appareil[13].
• Une fois le vaisseau en place, commence alors la caractérisation initiale du site qui aura une durée d'environ 107 jours. Le but étant la sélection du site pour les opérations scientifiques d'été[13].
• Le premier saut vers le site scientifique d'été est programmé pour le 23 janvier 2017 et d'une durée de 60 jours. Une reconfiguration est à réalisée si nécessaire. Observation de la région locale et transmission des informations en plus du traitement des données, afin de déterminer le prochain site scientifique "ajusté" (si nécessaire et si le carburant le permet)[13].
• Le deuxième saut est un saut d'ajustement. Une fois effectué avec une reconfiguration, début des observations scientifiques et d'archives des données récoltées. Les observations hivernales au pôle sud ont une durée de 376 jours, pendant lesquels le robot effectue des observations météorologiques et climatiques[13].
• Après le dégel printanier, début de la conservation, des acquisitions et du relai des données, afin de détecter les geysers. Fin de la mission principale autour du 10 août 2018, probabilité de prolongement de la mission[13].

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