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Psyché (sonde spatiale)

Psyché est la quatorzième mission spatiale du programme Discovery de la NASA. Cette mission doit étudier l'astéroïde métallique (16) Psyché, qui pourrait être pour partie le vestige du noyau ferreux d'une ancienne protoplanète issu d'une violente collision avec un autre objet, lequel aurait arraché ses couches externes. L'objectif scientifique de la mission est d'identifier les caractéristiques (formation, composition et évolution) de cet astéroïde atypique et de collecter des données sur le processus de formation des noyaux planétaires et plus globalement du Système solaire.

Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste de Psyché en orbite autour de l'astéroïde éponyme.
Données générales
Organisation NASA
Constructeur Space Systems/Loral
Programme Discovery
Domaine Étude de l'astéroïde métallique (16) Psyché
Type de mission Orbiteur
Statut En développement
Lancement vers octobre 2023
Lanceur Falcon Heavy
Insertion en orbite 2026 (16) Psyché
Site
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 2870 kg
Masse instruments < 70 kg
Plateforme SSL 1300
Propulsion Propulseur à effet Hall
Masse ergols 915 kg
Contrôle d'attitude Stabilisé 3 axes
Source d'énergie Panneaux solaires
Puissance électrique 20 kW (orbite terrestre)
Orbite autour de Psyché
Orbite A, B et C : orbite polaire
D : orbite inclinée
Altitude A : 700 km - B : 290 km
C : 170 km - D : 85 km
Principaux instruments
PMI Caméra multispectrale
GRNS Spectromètre gamma et à neutrons
x Magnétomètre
DSOC Télécommunication optique

Le projet est sélectionné en et la sonde spatiale devrait être lancée en octobre 2023. La sonde spatiale se placera en orbite autour de Psyché en 2026, après un transit de 3,5 années. La durée de la mission scientifique est de 21 mois.

Pour répondre aux contraintes de coût des missions Discovery (plafond de 710 millions d'euros hors coût de lancement), le corps de la sonde spatiale dérive d'une plateforme de satellites de télécommunications. Celle-ci inclut une propulsion à effet Hall, dont ce sera la première utilisation sur une mission interplanétaire. Pour remplir ses objectifs, la sonde spatiale emporte trois types d'instruments : deux imageurs, des spectromètres gamma et à neutrons et un magnétomètre. La sonde spatiale servira également de test pour des essais de télécommunications optiques avec la Terre via un laser.

Contexte scientifique

Le processus de formation des planètes

La différenciation planétaire est dans le domaine des sciences planétaires le processus par lequel l'intérieur d'un corps massif (planètes, planètes naines, certains satellites comme la Lune, …) se structure en couches de différentes densités. Ce processus, qui se produit durant la formation du corps céleste, résulte de l'échauffement des matériaux provoqué par la désintégration des éléments radioactifs, l'énergie libérée par les chocs avec d'autres corps, nombreux au début de la formation du Système solaire, et la pression exercée par la force de gravitation. La température qui dépasse les 1000 degrés entraîne la fusion des matériaux. Ceux-ci devenus liquides s'enfouissent à une profondeur qui dépend de leur densité. La couche la plus profonde est constituée généralement par un noyau de fer et de nickel. Celui-ci est animé de mouvements créant une dynamo qui engendre un champ magnétique dipolaire. Avec le temps, la chaleur produite par les impacts se dissipe et les isotopes radioactifs se raréfient. Le corps céleste se refroidit. Lorsque le noyau métallique est complètement solidifié, le champ magnétique n'est plus engendré et il ne subsiste plus qu'un champ magnétique rémanent, faible et diffus. C'est le cas de Mars, de la Lune et de Mercure.

La différenciation est un processus fondamental à l'origine des planètes terrestres dont la Terre. C'est un processus mal connu, car il est impossible d'accéder au noyau des planètes (profondeur, température et pression les mettent hors de portée de nos instruments) pour étudier ses caractéristiques et déterminer son mode de formation. L'exploration directe d'un noyau pourrait améliorer grandement la compréhension qu'ont les scientifiques de la formation des planètes et de leurs couches géologiques internes.

L'astéroïde Psyché
Un modèle 3D de (16) Psyché à partir de données des variations de luminosité.

(16) Psyché est un astéroïde de grande taille situé dans la ceinture d'astéroïdes entre les planètes Mars et Jupiter. Son orbite, qu'il parcourt en cinq années terrestres, se situe à entre 2,5 et 3,3 unités astronomiques du Soleil. Compte tenu de son éloignement, la communauté scientifique ne dispose que de photos et d'images radar floues de quelques pixels, mais celles-ci ont permis de déduire ses dimensions approximatives : 279 × 232 × 189 km. Sa masse a été calculée par astrométrie, c'est-à-dire en mesurant l'influence de l'astéroïde sur l'orbite d'autres corps de taille réduite passant à proximité. Du fait de la difficulté des mesures, les estimations de la masse et donc de la densité ont beaucoup évolué au cours des décennies 2000 et 2010. Alors qu'initialement une densité d'environ 8 était avancée, en faisant un astéroïde entièrement composé de métal, les estimations actuelles situent sa densité entre 3,4 et 4,1, une valeur déjà observée pour des astéroïdes rocheux. La proportion de métal pourrait être comprise entre 30 et 60 %, en partant de l'hypothèse que la porosité ne dépasse pas 20 % et que les autres composant sont des silicates faiblement chargés en fer. Psyché est le plus massif des astéroïdes de type M et c'est également l'astéroïde le plus volumineux de la famille de Thémis connu à ce jour[1] - [2] - [3].

Objectifs de la mission
Figures de Widmanstätten que l'on pourrait trouver à l'intérieur du noyau des astéroïdes métalliques. Quelques météorites de fer trouvées sur Terre pourraient provenir de (16) Psyché[1].

La mission Psyché doit traiter les questions scientifiques suivantes[4] :

  • l'astéroïde Psyché est-il le noyau apparent d'un planétésimal différencié, ou s'agit-il dès l'origine d'un corps riche en fer ? Les planétésimaux qui se sont formés près du Soleil ont-ils une composition vraiment différente des autres astéroïdes ?
  • si le manteau externe de Psyché a été arraché au cours d'une collision, quand et comment cela s'est-il produit ?
  • Psyché a-t-il produit un effet dynamo quand il s'est refroidi ?
  • quels sont les principaux alliages métalliques qui coexistent dans le noyau de fer de l'astéroïde ?
  • quelles sont les principales caractéristiques de la surface et de la topographie de l'astéroïde ? Psyché doit-il être considéré comme radicalement différent des astéroïdes rocheux et des corps composés de glace ?
  • comment les cratères produits sur un corps métallique se différencient-ils de ceux observés dans des corps constitués de roche ou de glace ?

Pour remplir ces objectifs, la sonde spatiale dispose d'un magnétomètre qui mesure le champ magnétique produit par l'astéroïde, de spectromètres qui déterminent l'abondance d'éléments chimiques clés (nickel, fer...) et de deux caméras équipées de filtres qui permettent de distinguer certains minéraux. En fonction du contenu des données collectées, un des scénarios de formation suivants peut être déduit[5] :

  • si le magnétomètre détecte un champ magnétique dipolaire cohérent, alors l'astéroïde Psyché a disposé d'une dynamo magnétique dans son noyau qui s'est solidifié de l'extérieur vers l'intérieur, en enregistrant dans la couche externe un champ magnétique. La proportion de nickel devrait être d'environ 4 % ou moins ;
  • une proportion de nickel comprise entre 6 et 12 % indiquerait que la solidification s'est produite de l'intérieur vers l'extérieur. Dans ce cas, il ne devrait y avoir aucun champ magnétique résiduel, car la couche externe se serait alors solidifié alors que la dynamo centrale était arrêtée ;
  • si la proportion de nickel est très faible et qu'il n'existe pas de champ magnétique cohérent, Psyché n'aurait jamais fondu et serait composé de métaux primordiaux agrégés ayant fait l'objet d'une forte réduction. Ce scénario, le plus excitant pour les scientifiques, serait confirmé par l'absence d'un manteau de silicates enrobant le noyau qui serait remplacé par des poches de silicates de petite taille dispersées sur toute la surface. Dans ce cas de figure, Psyché se serait formé au plus près du centre du Système solaire, là où la température a fait s'évaporer les éléments chimiques les plus légers, ne laissant que les éléments les plus lourds et les métaux tout en les réduisant. Cette découverte confirmerait une hypothèse émise dans un article de Botke et al., selon laquelle de tels corps auraient été éjectés depuis la partie interne du Système solaire vers la ceinture d'astéroïdes. Un tel épisode durant la formation du Système solaire a jusqu'à présent été considéré comme peu probable ;
  • si un champ magnétique dipolaire cohérent est détecté avec une proportion de nickel plus faible ou plus forte que celle attendue dans ce cas de figure, on se trouverait face à un scénario de formation des petits noyaux non prévu par les modèles existants.

La présence d'un champ magnétique sur Psyché serait la première découverte d'un tel champ sur un astéroïde. Il est devenu de plus en plus évident que certains planétésimaux, les briques à partir desquelles se sont formées les planètes, comportaient une dynamo magnétique nécessitant la présence d'un noyau métallique soumis à la convection, mais les scientifiques peinent à modéliser la manière dont ces noyaux se seraient solidifiés. Si Psyché a un noyau qui s'est solidifié à partir de l'extérieur, alors le processus est analogue à celui qui semble être en cours sur Mercure et Ganymède. Ce processus inattendu pourra être observé sur Psyché alors qu'il ne peut l'être sur Mercure. Si le noyau s'est solidifié depuis l'intérieur, alors il est analogue au processus en cours sur Terre[5].

Historique du projet

Sélection des 13e et 14e missions du programme Discovery

L'appel à propositions de la treizième mission spatiale du programme Discovery, tourné vers des missions scientifiques à petit budget, est lancé par la NASA en . Il est dès le départ prévu que cet appel puisse aboutir à la sélection de deux missions (13e et 14e) si des projets répondant aux critères de qualité sont identifiés. Pour cette mission, plusieurs conditions financières ont été précisées par l'agence spatiale américaine[6] - [7] - [8] :

  • un tiers du coût de la mission peut être pris en charge par un partenaire international sans être inclus dans le plafond du budget fixé à 450 millions de dollars ;
  • la NASA apportera un bonus de 30 millions de dollars aux propositions qui retiendront les télécommunications optiques spatiales (laser) testées au niveau de l'orbite lunaire par la sonde spatiale LADEE.

La sélection se fait en trois étapes : la première est suivie d'un deuxième tour à l'issue duquel seulement deux finalistes sont retenus pour une étude plus approfondie[9]. Psyché est une des cinq propositions de mission retenues par la NASA le parmi lesquelles sera choisie la 13e mission du programme Discovery. Psyché est proposé par une équipe pilotée par la responsable scientifique Linda Elkins-Tanton de l'université d'état de l'Arizona (Tempe, Arizona). Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA est chargé de la gestion du projet[10].

Une équipe, réunissant des scientifiques et des techniciens de l'Université d'État de l'Arizona, du Jet Propulsion Laboratory et de l'industriel Maxar Technologies (Space Systems/Loral) (fournisseur de la plateforme), détaille la proposition Psyché et produit un document de conception (phase A d'étude de concept) d'environ 1000 pages qui est soumis à la NASA en août 2016[11]. La mission est retenue au terme de la compétition début en même temps que Lucy. La mission doit être lancée en 2022 tandis que Lucy le sera en 2021[12].

La plateforme fournie par la société Maxar arrive au JPL (fin ).

.

Développement de la sonde spatiale
Assemblage des propulseurs à effet Hall sur la sonde spatiale ().

Entre janvier 2017 et mai 2019 la conception de la mission est détaillée et les instruments qui seront embarqués sont sélectionnés (phase B d'avant projet). De à (phase C de conception), la construction des instruments et de la plateforme est réalisée. En mai 2020, a lieu la Revue critique de définition du projet et des systèmes. La plateforme est achevée le même mois. À compter de janvier débute l'assemblage et les tests des instruments des différents composants de la sonde spatiale. En , Psyché est transportée jusqu'à son site de lancement[11]. Le coût de la mission, plafonné par l'appartenance au programme Discovery, est évalué courant 2021 à 850 millions US$ (710 millions d'euros) dont 450 millions US$ pour la conception et la fabrication de la sonde spatiale et le solde pour les opérations dans l'espace et le traitement scientifique des données. Ce montant ne comprend pas le coût de lancement (achat du lanceur et opérations de lancement)[13].

Mais le projet est confronté à des problèmes de recette du logiciel gérant le système de guidage, de navigation et de contrôle d'attitude. En , une commission indépendante chargée d'évaluer les taches restantes conclut que la sonde spatiale ne sera pas prête pour le lancement prévu en . Les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory (JPL) ne sont pas parvenus à mettre au point le simulateur utilisé pour tester le logiciel[14]. Selon un autre rapport de , ce retard est lié à un problème plus fondamental touchant le JPL : la charge de travail de l'établissement de la NASA s'est considérablement accrue et il peine à recruter dans les domaines les plus pointus de l'aérospatiale[15]. Les responsables de la NASA décident de repousser le lancement en . Une autre conséquence est le report du lancement de la mission vénusienne VERITAS, qui est repoussé de deux ans et ne devrait pas intervenir avant 2031[16].

Caractéristiques techniques de la sonde spatiale

La sonde spatiale Psyché utilise une plateforme (bus) commerciale de satellite de télécommunications géostationnaire utilisée à plus de 100 reprises par le constructeur de la sonde spatiale Space Systems/Loral (filiale de Maxar Technologies depuis 2012). La version de la plateforme SSL 1300 mise en œuvre est motorisée avec des moteurs électriques : elle utilise des propulseurs à effet Hall russes SPT-140 qui éjectent du xénon. L'énergie est fournie à ces moteurs par deux ensembles de panneaux solaires en croix de très grande taille, dimensionnés pour produire suffisamment d'énergie au niveau de la ceinture d'astéroïdes : les 75 m2 de cellules solaires fournissent environ 20 kW au niveau de l'orbite terrestre et encore 2,4 kW à 3,3 au du Soleil (distance en fin de mission). Jusqu'à 2,1 unités astronomiques (au) du Soleil, ils permettent de faire fonctionner le propulseur à effet Hall à pleine poussée. Les panneaux solaires sont orientables avec un degré de liberté. Une fois déployés ils portent l'envergure de la sonde spatiale à 24,7 mètres pour 7,34 mètres de largeur. Pour remplir sa mission la sonde spatiale embarque environ 900 kg de xénon et sa masse totale au lancement en 2023 est de 2 870 kg, dont moins de 70 kilogrammes pour la charge utile. Le corps central de la sonde spatiale dans laquelle se trouvent principalement les instruments, les réservoirs d'ergols, le système de propulsion et les systèmes de télécommunications, de contrôle d'attitude et de guidage est de forme parallélépipédique et mesure 3,1 mètres sur 2,4 mètres[17] - [18] - [13].

La sonde spatiale est stabilisée 3 axes à l'aide de quatre roues de réaction. L'attitude et la vitesse de l'engin spatial est déterminée de manière classique par des viseurs d'étoiles, des capteurs solaires, des gyroscopes, une centrale à inertie. Des propulseurs à gaz froid puisant dans le réservoir de xénon de la propulsion principale sont utilisés pour maintenir le pointage des panneaux solaires vers le Soleil en cas de passage en mode survie. Pour les communications avec la Terre la sonde spatiale dispose d'un émetteur radio d'une puissance de 100 watts qui communique en bande X via une antenne parabolique grand gain fixe de deux mètres de diamètre. Le débit est de 180 kilobits/secondes à quatre unités astronomiques de la Terre (distance maximale entre la sonde spatiale et la Terre). Trois antennes à faible gain fournissant une couverture complète du ciel peuvent être utilisées en mode survie avec un débit minimum de 10 bits par seconde. Le système de commande et gestion de données, conçu par le Jet Propulsion Laboratory, est géré par deux ordinateurs RAD750 3U redondants dotés de 4 gigaoctets de mémoire flash non volatile[19].

Schéma de la sonde spatiale Psyche : 1. Propulseurs à effet Hall DSM - 2. Système de télécommunications optique DSOC - 3. Viseurs d'étoiles - 4. Antenne faible gain - 5. Capteur solaire - 6. Antenne parabolique grand gain bande X - 7. Spectromètre à neutrons - 8. Spectromètre à rayons gamma - 9. Propulseurs à gaz froid - 10. Panneau -Y - 11. Magnétomètre - 12. Pont supérieur - 13. Panneau +Y - 14. Imageurs (x2).

Première utilisation d'une propulsion à effet Hall pour l'exploration du Système solaire
Comparaison de la propulsion ionique (NSTAR) et à effet Hall (SPT 140)[20]
Caractéristiques NSTAR SPT 140
Utilisé par...Deep Space 1
Dawn		Psyche
TypePropulseur ioniquePropulseur à effet Hall
Plage de puissance0,5–2,3 kW0,9 - 4,5 kW
Poussée maximale91 millinewtons262 mN
Impulsion spécifique max3 100 secondes1 720 s
Premier vol19982018
Propulseur à effet Hall SPT 140.
Les quatre propulseurs à effet Hall (les caches rouges seront enlevés avant le lancement).

Psyché est la première mission d'exploration du Système solaire à utiliser des propulseurs à effet Hall. Comme tous les systèmes de propulsion spatiaux électriques, la propulsion à effet Hall se caractérise par un rendement nettement plus élevé que les moteurs-fusées chimiques classiques même les plus efficients (oxygène/hydrogène). Les principales contreparties sont la faible poussée qui imposent des trajectoires adaptées et la nécessité de disposer de panneaux solaires de grande taille pour fournir l'énergie qui ne provient plus des réactions chimiques entre ergols. Avec une impulsion spécifique de 1 500 secondes le moteur monté sur la sonde spatiale consomme, pour une poussée donnée, environ quatre fois moins d'ergols que les propulseurs classiques les plus performants, ce qui permet de réduire fortement la masse au lancement. Plusieurs sondes spatiales d'exploration de la NASA (Dawn, Deep Space 1), du Japon (Hayabusa et Hayabusa 2) et de l'Agence spatiale européenne (Smart 1 et BepiColombo) ont déjà eu recours à la propulsion électrique, mais en choisissant la technique de la propulsion ionique. Celle-ci se caractérise par une meilleure impulsion spécifique (3 000 secondes), mais la poussée obtenue est plus faible et la conception de ces moteurs est plus complexe. Les propulseurs à effet Hall, qui sont régulièrement utilisés depuis une dizaine d'années comme moteur d'apogée des satellites de télécommunications en orbite géostationnaire, ont démontré leur fiabilité. La mission Psyché devra démontrer qu'ils sont également adaptés à une utilisation prolongée et aux contraintes spécifiques à l'espace interplanétaire (température, radiations). Ce type de moteur a été mis au point par les soviétiques dès les années 1960 et le constructeur russe Fakel a récupéré cet héritage : les moteurs installés à bord de la sonde spatiale sont fournis par cette entreprise[21].

La plateforme de la sonde spatiale, tout comme les satellites géostationnaires, dispose de quatre moteurs à effet Hall de type SPT-140 qui sont des versions quasi identiques aux SPT-100 déployés sur plus de 30 satellites commerciaux depuis 2004. La principale différence porte sur le système de modulation de poussée qui permet de réduire celle-ci de manière beaucoup plus importante, car l'énergie disponible est limitée lorsqu'on s'éloigne du Soleil. Bien que la sonde spatiale dispose de quatre SPT-140, seul l'un des quatre fonctionne à un moment donné, même lorsque la sonde spatiale dispose de suffisamment d'énergie pour en faire fonctionner plusieurs simultanément[22]. Lorsque le SPT 140 dispose de suffisamment d'énergie (4,5 kW), il fournit une poussée de 263 millinewtons (l'équivalent sur Terre d'une force de 27 grammes). Au cours du transit de Psyché vers l'astéroïde, du fait de l'éloignement du Soleil, les panneaux solaires ne permettent plus de faire fonctionner à pleine puissance le SPT 140. Il est ainsi prévu que le moteur à effet Hall fonctionne à pleine puissance durant 8165 heures, mais qu'il ne dispose plus que de 2 à 3,5 kW durant 12 566 heures. Une fois en orbite autour de l'astéroïde, la puissance appelée, utilisée pour les changements d'orbite, n'est plus que de 1 kW. Les quatre moteurs SPT-140 sont fixés par grappe de deux sur des structures montées sur cardan qui peuvent être orientées avec deux degrés de liberté[23] - [24].

Instrumentation scientifique

La charge utile comprend trois instruments qui sont tous dérivés d'équipements ayant volé sur des missions précédentes[25].

Imageur PMI
Filtres
Longueur
d'onde		 Largeur Utilisation
540280Navigation, topographie, géologie
43750Détection d'oldhamite, filtre bleu
49525Détection d'oldhamite
55025Détection d'oldhamite, filtre vert
70050Maximum de réflectance, filtre rouge
75025Détection de pyroxène à faible taux de calcium
94850Détection de pyroxène à taux plus élevé de calcium
104190Détection d'olivine

L'imageur multispectral de Psyché, PMI (Psyche Multispectral Imager) est constitué de deux caméras équipées d'un objectif de focale moyenne et fixées côte à côte sur le panneau X du corps de la sonde spatiale qui pointeront vers le sol durant la phase scientifique de la mission. Chaque caméra comprend un objectif Maksoutov de longueur focale 148 mm (f 1/8). Le détecteur (CCD) et l'électronique associées sont identiques aux composants des caméras Mastcam des astromobile Curiosity et Perseverance. La roue porte-filtres est une version à l'échelle 1,5 de l'équipement des Mastcam. L'optique est une version modifiée (focale plus longue) de l'imageur MARCI de la mission Mars Climate Orbiter. Grâce notamment aux huit filtres disponibles, PMI fournit des données qui sont utilisées pour remplir les cinq objectifs principaux de la mission[26] :

  • détection des proportions de silicates et de métaux (proche infrarouge) ;
  • identification et caractérisation des cratères d'impact pour en déduire l'âge des régions de surface ;
  • recherche de minéraux de type sulfures permettant de déterminer les conditions d'oxydation au moment de la formation de Pysché ;
  • détermination pour la première fois de la géologie d'un astéroïde métallique en utilisant les filtres panchromatiques et de couleur ;
  • détermination de la topographie de la surface par production d'images en relief (grâce aux deux caméras) dans le but de fournir des indices supplémentaires portant sur la formation et l'évolution de l'astéroïde.

Spectromètres à rayons gamma et à neutrons

Le spectromètre à rayons gamma et à neutrons GRNS doit fournir les concentrations de différents corps chimiques avec une certaine résolution spatiale et mettre en évidence les hétérogénéités. Les éléments identifiés sont le fer, le nickel, le silicium, le potassium, le soufre, le calcium, le thorium et l'uranium. L'hydrogène et le carbone pourraient être également mesurés si leur concentration est assez élevée. En utilisant une technique rodée à travers de nombreuses missions d'exploration du système solaire, l'instrument détecte les rayons gamma et les neutrons produits lorsque la surface de Psyché est bombardée par des rayons cosmiques d'origine galactique (particulièrement énergétiques). L'instrument comprend deux sous-ensembles : un spectromètre gamma dérivé de l'instrument GRS embarqué à bord de MESSENGER et un spectromètre à neutrons dérivé de l'instrument NS de la sonde spatiale Lunar Prospector[27].

Magnétomètre

La sonde spatiale dispose d'un magnétomètre de type boussole à vanne de flux, comportant deux capteurs installés sur une perche de deux mètres fixée sur le panneau faisant face à la surface de l'astéroïde. Le magnétomètre est utilisé pour déterminer si Psyché est le cœur métallique d'un corps différencié. Pour y parvenir, il mesure l'intensité dans les trois dimensions du champ magnétique de Psyché entre 1 et 20 000 nT. Sa sensibilité est de 0,1 pT. L'instrument est analogue aux instruments installés à bord des missions MMS ST5 et Polar[28].

Radio science

Les signaux radio en bande X sont utilisés pour mesurer le champ gravitationnel de l'astéroïde avec une grande précision. Les données résultantes combinées avec la topographie établie à l'aide des imageurs, doivent fournir des informations sur la structure interne de Psyché[25].

Test d'un système de télécommunications optiques spatial
Schéma du déroulement des tests du système de communications spatial optique (DSOC) par le JPL : 1 : émetteur-récepteur FLT installé à bord de Psyche avec un laser de 4 W et un télescope de 22 cm d'ouverture - 2 : émetteur laser de 5 kW GLT de l'observatoire de Table Mountain (liaison montante et assistance au pointage du FLT) - 3 : GLR du mont Palomar est équipé avec un instrument de comptage de photons (liaison descendante) - 4 : le rayon laser de la liaison montante a une longueur d'onde de 1 070 nm, celui de la liaison descendante est de 1 550 nm - 5 : MOC-SOC : centre de contrôle.

Un objectif secondaire de la mission est de tester une nouvelle technique de communications qui doit permettre de transférer des volumes de données importants vers la Terre lorsqu'un engin spatial se trouve loin de celle-ci. Le débit des communications diminue proportionnellement au carré de la distance. Le volume des données des missions d'exploration du Système solaire, lui, tend à croître du fait de la résolution croissante des instruments et de la nécessité de disposer d'images haute définition pour piloter certaines opérations. Le recours à un système optique (laser) constitue une solution prometteuse, car elle permet des débits nettement plus importants ; mais cette technique est complexe (signal très faible et technique de pointage complexe). Cette technique développée par le Jet Propulsion Laboratory (projet DSOC, Deep Space Optical Communications) a déjà été testée avec succès à plusieurs reprises, mais à des distances relativement modestes (LADEE en orbite lunaire à 350 000 kilomètres de distance de la Terre). Un test beaucoup plus probant doit être effectué par Psyché durant son transit vers son objectif, avec des distances allant de 0,1 à 2 unités astronomiques (environ 300 millions de kilomètres), ce qui rend le signal un million de fois plus faible.

Pour ce test la sonde spatiale est équipée du système FLT (Flight Laser Transceiver) qui comprend un laser de 4 W émettant dans la longueur d'onde de 1 550 nanomètres et un télescope de 22 centimètres de diamètre utilisé pour émettre et recevoir les signaux optiques. Sur la liaison descendante, le système permet un débit compris entre 0,2 et 200 millions de kilobits par seconde (le débit maximum diminue avec la distance entre la sonde spatiale et la Terre). Une caméra PCC (Photon Counting Camera) est chargée de recevoir les signaux optiques émis par la Terre dont la puissance ne dépasse pas ~100 femtowatts à grande distance. Le système d'émission et de réception est fixé sur une structure qui peut être pointée avec précision vers la Terre. L'axe de l'antenne parabolique grand gain bande X (système de télécommunications primaire), qui est fixe, est parallèle à l'angle de visée par défaut du système optique, ce qui permet d'utiliser les deux systèmes simultanément et optimise ainsi les temps d'arrêt de la propulsion (lors des sessions de communications les moteurs ne peuvent fonctionner, car la sonde spatiale doit pointer ses antennes vers la Terre). Pour effectuer ces tests deux stations de réception ont été équipées sur Terre. Le GLR (Ground Laser Receiver) du Mont Palomar est équipé avec un instrument de comptage de photons pour la réception des communications de la sonde spatiale. Le GLT (Grand Laser Transmitter) de l'Observatoire de Table Mountain remplit deux fonctions : il émet un rayon laser de 1 064 nanomètres pour permettre au FLT à bord de Psyché d'affiner son pointage et le même laser est utilisé pour transmettre des données à la sonde spatiale (liaison montante) avec un débit d'environ 1,6 kbit/s[29].

Déroulement de la mission
Déroulement de la mission Psyché. En mauve trajectoire de la sonde spatiale jusqu'à son insertion en orbite autour de Psyché. (encadré en rouge : propulsion électrique à 80-90 % de la poussée maximum, encadré en gris : propulsion électrique à 50 %) : 1 : lancement (août 2022) - 2 : début des tests du système de communication laser expérimental DSOC (points bleus) - 3 : assistance gravitationnelle de Mars (mai 2023) - 4 : et 5 : conjonction solaire - 6 : insertion en orbite autour de Psyché (janvier 2026) - 7 : conjonction solaire - 8 : fin de la mission (octobre 2027).

Psyché doit être lancée en vers octobre 2023 par une fusée Falcon Heavy[30] qui emportera également deux micro-sondes spatiales identiques Janus chargées d'étudier des astéroïdes binaires[31]. Psyché utilise sa propulsion électrique en continu pour modifier son orbite afin de s'éloigner du Soleil et rejoindre l'orbite de Psyché située à environ trois unités astronomiques (au) du Soleil (la Terre est à 1 au). Durant les quatre premiers mois, la propulsion est utilisé pratiquement à pleine puissance (80-90 %), puis la poussée est maintenue à environ 50 % jusqu'à l'insertion en orbite autour de Psyché. Elle n'est brièvement interrompue que durant le survol de la planète Mars. En , la sonde spatiale passe à 500 kilomètres de celle-ci : elle effectue une manœuvre d'assistance gravitationnelle qui lui permet d'accroître sa vitesse. Vers septembre 2026 débute la phase d'approche. Durant cette phase la sonde spatiale détermine l'axe et la vitesse de rotation de l'astéroïde. En janvier 2026, l'engin spatial se place en orbite autour de l’astéroïde qui se trouve à ce moment-là à 2,7 au du Soleil. La sonde spatiale entame la phase d'étude scientifique qui doit durer 21 mois. Pour optimiser les mesures effectuées, la sonde spatiale se place successivement sur quatre orbites différentes. En allant de la plus éloignée à la plus proche de la surface, il s'agit de l'orbite (A) servant à mesurer les caractéristiques générales de l'astéroïde (56 jours et 41 orbites), de l'orbite (B) destinée à effectuer un relevé topographique de la surface (76 jours, 162 orbites), de l'orbite (C) destinée à mesurer le champ de gravité (100 jours, 369 orbites) et de l'orbite (D) destinée à cartographier la répartition des éléments chimiques en surface (100 jours 585 orbites). La mission s'achève en octobre 2027 alors que l'astéroïde qui s'est progressivement éloigné du Soleil se trouve à 3,3 au de celui-ci[32].

Références
  1. 33th Largest Asteroid, 16 Psyche
  2. (en) « JPL Small-Body Database Browser: 16 Psyche » (consulté le ).
  3. Elkins-Tanton 2020, p. 1-6.
  4. Elkins-Tanton 2015, p. 2
  5. Elkins-Tanton 2016, p. 2.
  6. (en) « NASA Discovery Program Draft Announcement of Opportunity », SpaceRef, .
  7. (en) Stephen Clark, « NASA receives proposals for new planetary science mission », Spaceflightnow, .
  8. (en) Van Kane, « PDiscovery Finalists », The Planetary Society, .
  9. (en) Van Kane, « Proposals to Explore the Solar System’s Smallest Worlds », The Planetary Society,
  10. Brown Dwayne C. et Laurie Cantillo, « NASA Selects Investigations for Future Key Planetary Mission », sur NASA News, .
  11. (en) « Psyche - The Timeline », sur Psyche, université d'état de l'Arizona (consulté le ).
  12. (en) « NASA Moves Up Launch of Psyche Mission to a Metal Asteroid », sur JPL, NASA, (consulté le ).
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    —Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) 2019

Voir aussi

Articles connexes

Contexte scientifique

Autres engins concernés par la mission

  • Janus, mini-sondes spatiales lancées avec Psyché
  • Falcon Heavy, lanceur chargé de placer en orbite la sonde spatiale

Aspects techniques

Autres demi-finalistes de la 13e sélection du programme Discovery

Liens externes
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