NEAR Shoemaker

NEAR Shoemaker est la première sonde du programme Discovery qui rassemble des missions interplanétaires de petite taille dont le coût est inférieur à 150 millions de dollars et la durée de développement est inférieure à 3 ans. L'Applied Physics Laboratory de l’Université Johns-Hopkins, qui a une forte expérience dans la construction d'engins spatiaux, est retenu pour la construction de NEAR. La sonde a été baptisée en l'honneur de Eugene M. Shoemaker, spécialiste des astéroïdes, qui a le premier démontré l'origine externe des cratères d'impact situé sur Terre et sur la Lune.

L'objectif principal de NEAR Shoemaker est de déterminer les principales caractéristiques de l'astéroïde dont la masse et la distribution interne, la composition minéralogique, la morphologie, le champ magnétique. Les objectifs secondaires comprennent l'étude des propriétés du régolithe, les interactions avec le vent solaire, la détection d'indices reflétant une activité interne tels que l'émission de gaz ou de poussière et les variations de la vitesse de rotation de l'astéroïde sur lui-même. La sonde a pour objectif d'étudier l'astéroïde Éros en restant en orbite à faible distance sur une période d'un an[1].

La sonde peu avant son lancement.

NEAR Shoemaker a la forme d'un prisme octogonal de 1,7 mètre de côté. Sur son sommet sont fixés quatre panneaux solaires couverts de cellules à l'arséniure de gallium ainsi qu'une antenne parabolique grand gain fixe de 1,5 mètre diamètre. Un magnétomètre est monté sur la source de l'antenne tandis qu'un détecteur de rayonnement X d'origine solaire est monté sur la même face. Les autres instruments sont montés sur la face opposée. La majorité de l'électronique ainsi que le système de propulsion sont situés à l'intérieur du corps de la sonde. NEAR a une masse totale de 805 kg et une masse à sec sans ergols de 468 kg[1] - [6].

La sonde est stabilisée 3 axes. Elle dispose d'une propulsion principale assurée par un moteur-fusée à ergols liquides de 450 newtons de poussée, brûlant un mélange d'hydrazine et de peroxyde d'azote. Quatre propulseurs de 21 N. et sept propulseurs de 3,5 N. de poussée, brûlant tous uniquement de l'hydrazine sont utilisés pour le contrôle d'attitude conjointement avec quatre roues de réaction. L'ensemble du système propulsif peut fournir un delta-V de 1 450 m/s. La sonde transporte 209 kg d'hydrazine dans trois réservoirs et 109 kg de peroxyde d'azote dans deux réservoirs[1].

Les quatre panneaux solaires de 1,8x1,2 mètre de côté fournissent 400 watts à 2,2 U.A. et 1 800 watts à 1 UA. L'énergie est stockée dans un accumulateur nickel-cadmium d'une capacité de 9 A-h. L'orientation de la sonde est déterminée grâce à 5 senseurs solaires, une centrale à inertie et un viseur d'étoiles. Le contrôle de l'orientation est précis à 0,1° près et les mouvements de rotation sont inférieurs à 50 microradians par seconde. Le calculateur de bord est redondant. Il utilise deux mémoires de masse pour stocker les données d'une capacité de 1,1 et 0,67 gigabits[1].

Instrumentation scientifique

La sonde transporte cinq instruments scientifiques représentant une masse de 56 kg :

• le magnétomètre (MAG) chargé de mesurer le champ magnétique de l'astéroïde[7] - [8] ;
• le spectromètre rayons gamma/rayons X XRS-GRS (X-ray/Gamma-ray Spectrometer), qui comporte deux capteurs, mesure la présence d'éléments chimiques clés tels que le silicium, le magnésium, l'uranium, le thorium et le potassium[9] - [10] ;
• l'altimètre laser NLR (NEAR Laser Rangefinder) mesure de manière très précise la forme d'Éros[11] - [12] ;
• le spectromètre fonctionnant dans le proche infrarouge NIS (Near-Infrared Spectrometer) fournit la composition minéralogique de la surface d'Éros en mesurant le spectre de la lumière réfléchie par le sol[13] - [14] ;
• la caméra multispectrale MSI (Multispectral Imager) équipée d'un téléobjectif de 168 mm et d'une série de 7 filtres couvrant le spectre de la lumière visible au proche infrarouge. Le champ optique est de 2,25 x 2,29° et le CCD a une résolution utilisable de 224 x 550 pixels. MSI est utilisé pour cartographier Éros et restituer sa topographie[15] - [16].

Schéma de la sonde NEAR Shoemaker.

L'astéroïde Mathilde photographié par NEAR.

NEAR Shoemaker est lancée le 17 février 1996 par une fusée Delta II de type 7925-8 puis se place en hibernation durant la première partie du transit vers l'astéroïde Éros. La sonde est réactivée lorsqu'elle croise le 27 juin 1997 à une distance de 1 200 km et une vitesse relative de 9,93 km/s l'astéroïde (253) Mathilde de 61 km de diamètre, dont elle prend plus de 500 clichés couvrant 60 % de sa surface. Le 3 juillet 1997, NEAR effectue une première correction importante de sa trajectoire en utilisant son propulseur principal en deux temps. Sa vitesse est diminuée de 279 m/s et son périgée est abaissé de 0,99 UA à 0,95 UA. Le 23 janvier 1998, NEAR réalise une manœuvre d'assistance gravitationnelle en survolant la Terre à une altitude de 540 km : l'inclinaison de son orbite est relevée de 0,5 à 10,2° tandis que son apogée passe de 2,17 à 1,77 UA ce qui place la sonde sur une orbite convergeant avec celle d'Éros. Parvenue à destination le 10 janvier 1999, NEAR Shoemaker tente de se mettre en orbite autour de l'astéroïde Éros mais la manœuvre échoue à la suite de la défaillance du logiciel chargé du contrôle d'attitude et d'une perte momentanée du contact avec la Terre. Durant cette manœuvre, une grande partie du carburant est consommée. Il en reste toutefois suffisamment pour une seconde tentative mais la sonde spatiale NEAR doit effectuer une révolution complète autour du Soleil avant de pouvoir tenter de se mettre en orbite autour d'Éros. Un peu plus d'un an plus tard, le 14 février 2000 ,la sonde parvient à se placer autour de l'astéroïde à une altitude initiale de 200 km[1].

Durant environ un an, la sonde mène une campagne d'observation depuis l'orbite en modifiant l'altitude de celle-ci : le 30 avril, l'altitude est abaissée à 50 km puis la sonde est placée sur une orbite circulaire rétrograde de 35 km le 14 juillet 2000. Entre avril et octobre 2000, la sonde réalise une cartographie complète de la surface d'Éros. En juin 2000, le spectromètre infrarouge NIS tombe en panne alors que l'instrument a passé en revue 70 % de la surface[1].

Le 12 février 2001, après avoir rempli ses objectifs et décrit 230 orbites autour d'Éros, la sonde manœuvre une dernière fois pour tenter un atterrissage sur la surface de l'astéroïde. En mettant à feu à cinq reprises ses moteurs, elle quitte son orbite et se dirige vers le sol de l'astéroïde. Au cours des cinq derniers kilomètres de la descente, la sonde spatiale réalise 69 images détaillées de la surface dont la dernière à une altitude de 120 mètres. Alors que sa vitesse résiduelle est d'environ 7 km/h, NEAR se pose près de l'étranglement situé entre les deux extrémités de l'astéroïde. Après son atterrissage, la sonde continue à envoyer durant deux semaines les données recueillies par ses instruments. Sa dernière transmission radio a lieu le 28 février 2001[1] - [17].

Trajectoire de la sonde NEAR Shoemaker.

Photo complète d'Éros obtenue en combinant plusieurs photos et mesures altimétriques.

NEAR Shoemaker est la première sonde à avoir recueilli des données détaillées sur un astéroïde, à s'être placée en orbite autour de ce type de corps malgré l'hétérogénéité du champ gravitationnel et à avoir réussi un atterrissage. La sonde a notamment permis d'établir la première carte (d'une précision de 3 mètres) de la surface d'un astéroïde. Sur Éros, la matière est répartie de manière homogène, ce qui n'est pas le cas sur d'autres astéroïdes comme Mathilde qui ont subi un processus de différenciation. La mesure du champ gravitationnel de l'astéroïde a permis une estimation précise de sa masse (7 × 10¹⁵ kg) et donc de sa densité : 2,7, valeur assez proche de celle de la croûte terrestre. Le nombre de cratères à la surface a permis d'estimer l'âge de l'astéroïde à environ un milliard d'années. Les observations effectuées sur la surface d'Éros ont également suscité plusieurs questions scientifiques : par exemple, le nombre de cratères ne semble pas obéir aux mêmes lois qu'ailleurs : en général, les cratères sont d'autant plus nombreux qu'ils sont de petite taille, or sur Éros, on compte beaucoup de cratères dont la taille est comprise entre 200 m et 1 km, et très peu dont la taille n'excède pas 20 m. Enfin, la sonde a permis, grâce à un spectromètre à rayons X, de connaître précisément la composition de la surface d'Éros : celle-ci est constituée principalement de pyroxène, d'olivine et de silicium. Aucun champ magnétique n'a été détecté. À l'issue de la mission, la sonde spatiale a réalisé environ 160 000 images de la surface d'Éros qui ont permis de recenser près de 100 000 cratères à sa surface et près d'un million de rochers d'une taille supérieure ou égale à celle d'une maison[17].

Le coût total de la mission s'est élevé à 220,5 millions $ dont 43,5 pour le lanceur et 60,8 pour les opérations en vol[1].

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  NEAR sous la coiffe du lanceur.
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  Lancement de NEAR.
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  Image en fausses couleurs de la surface d'Éros prise depuis une altitude de 50 km.
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  Éros photographié dans différentes positions.
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  Photo de régolithe prise d'une altitude de 250 mètres. La partie photographiée a 12 mètres de large.
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  Astéroïde Éros survolé par la sonde NEAR, le 19 septembre 2000.