LA MISSION CASSINI-HUYGENS

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1 LA MISSION CASSINI-HUYGENS
© Jean MERCIER2017 © NASA :

2 LE SYSTEME DE SATURNE NASA / JPL —

3 ORIGINE DE LA MISSION Alors que la sonde Pionner 11 est partie le 6 avril 1973, alors que le programme Voyager est en plein développement, la NASA commence à réfléchir à une mission vers Saturne sur la base des technologies développées pour ces missions et la future sonde Galileo. Pionner 11 survolera Jupiter le 2 décembre 1974, Saturne le 1er septembre 1979. SATURNE ET TITAN Vus par Pionner 11 Voyager 1 survolera Saturne le 12 novembre1980, Voyager 2 le 24 janvier 1986. MONTAGE DES DIFFERENTES IMAGES DES PLANETES DU SYSTEME SOLAIRE PRISES PAR VOYAGER 2 (1997)

4 ORIGINE DE LA MISSION En 1975, le Conseil National de la Recherche (italien) recommande l'envoi d'une sonde dédiée à l'étude de Saturne, des ses anneaux et satellites, particulièrement Titan. L'AMES (organisme créé pour assurer une supériorité américaine en matière d'aviation) commande une étude pour un engin d'exploration de Titan. En 1976, le JPL de la NASA envisage l'envoi d'un orbiteur vers Saturne, doté d'un engin devant se poser en douceur sur Titan (programme Purple Pigeons), qui serait lancé depuis la navette spatiale avec un étage Centaur qui lui permettrait d'avoir l'impulsion nécessaire pour atteindre Saturne. L'atterrisseur s'impose pour Titan, son atmosphère trop dense masquant sa surface. En 1980, la NASA recommande l'étude d'un orbiteur de Saturne. En 1982, un groupe chercheurs européens propose, en réponse à un appel à candidature de l'ESA, un projet nommé Cassini, basé sur le modèle de la coopération américano-germanique de Galileo, et dans lequel la NASA fournirait l'orbiteur, l'ESA l'atterrisseur. En 1988, l'ESA sélectionne le projet Huygens chargé de se poser sur Titan, feu vert financier pour que la NASA lance son projet d'orbiteur Cassini emportant un atterrisseur.

5 LES DEDICATAIRES Giovanni Domenico CASSINI (1625-1712) dit CASSINI I
Astronome et ingénieur italien. Travaille de 1648 à 1669 à l'observatoire de Panzano, et enseigne la géométrie Euclidienne et l'astronomie de Ptolémée à l'université de Bologne. Rejoint, à la demande de Colbert, la France en 1669. Nommé à la direction de l'Observatoire de Paris en 1671, il est naturalisé en 1673 et reçu à l'Académie des Sciences. Parmi ses principales découvertes : - la grande tâche rouge de Jupiter (1665) ; - 4 satellites de Saturne : Japet (1671), Rhéa (1672) , Thétys et Dioné (1684) ; - la division « de Cassini » des anneaux de Saturne (1675).

6 LES DEDICATAIRES Christian HUYGENS (1629-1695)
Mathématicien, astronome, physicien néerlandais. « Fellow » de la Royal Academy en 1663, puis membre de l'Académie des sciences en 1666, dont il deviendra le directeur. Participe à la construction de l'observatoire de Paris. Quittera définitivement la France après la mort de Colbert, son protecteur, en 1683. Parmi ses principaux travaux : - une théorie ondulatoire de la lumière (1678) ; - théorie du pendule oscillant ( ) et application aux horloges (pendules à joues cycloïdales) ; - probabilités dans les jeux de hasard (1660). Et ses principales découvertes : - les anneaux de Saturne (1656) ; - le satellite Titan (1655) ; - la séparation de la nébuleuse d'Orion en plusieurs étoiles (une de ses régions est nommée « région de Huygens » en son honneur).

7 LE DEVELOPPEMENT Le développement connu bien des vicissitudes :
- l'accident de la navette Challenger le 28/01/1986 qui obligea à se rabattre sur le lanceur militaire Titan IV (avec trois fenêtres de lancement : décembre 1995, avril 1996 et avril 1997) ; - plusieurs restrictions budgétaires qui imposèrent : - de reporter le lancement à 1997 ; - l'abandon de l'orientation du module ; - l'abandon de l'antenne orientable ; - l'abandon de l'antenne dédié au relayage des informations en provenance de Huygens ; - un accord avec l'ASI pour le développement d'une partie des systèmes de télécommunications, du radar et du spectromètre en lumière visible et IR ; - l'envoi de la sonde avec des logiciels incomplets qui seront terminés durant le voyage. COÛT DE LA MISSION (2017) Phase Prestation Coût Agence Développement ( ) Cassini avec instruments 1,442 milliards de $ NASA Huygens avec instruments millions de $ ESA Antenne Cassini millions de $ ASI Lancement Lanceur Titan IV millions de $ NASA Opérations ( ) Opérations millions de $ NASA Réseau télécommunications millions de $ NASA ( )

8 CASSINI – OBJECTIFS - Déterminer la température, les propriétés des nuages et la composition de l'atmosphère de Saturne. - Prendre des images de l'atmosphère de Saturne sur une large gamme de latitudes et longitudes. - Déterminer les émissions thermiques à la longueur d'onde de 2 cm des nuages bas dans l'atmosphère. - Etudier les variations de la concentration en ammoniaque dans les structures de la ceinture. - Mesurer le champ planétaire des vents, y compris ses variations ; réaliser des observations à long terme des structures nuageuses pour voir comment elles grossissent, évoluent et se dissipent. - Déterminer la structure interne ainsi que la rotation de l'atmosphère profonde. - Explorer les propriétés dynamiques jusqu'ici inconnues de l'atmosphère. - Etudier l'ammoniaque en tant que traceur de la circulation atmosphérique. - Déterminer le gradient de température de l'équateur aux pôles, ainsi que les structures longitudinales des nuages bas encore inconnues. - Etudier les variations journalières et les relations entre l'ionosphère et le champ magnétique de la planète. - Déterminer la composition, le flux de chaleur et l'environnement radiatif présent lors de la formation de Saturne et de son évolution. - Investiguer les sources et la nature des éclairs de Saturne. - Comprendre la dynamique de la magnétosphère de Saturne, et les interactions de cette magnétosphère avec les multiples satellites de Saturne, les anneaux et l'atmosphère de Saturne. ( source CNES :

9 CASSINI Hauteur : 6,70 m Base : 4 m
Masse au décollage : 5712 kg dont : - masse à vide : kg - Huygens : kg - carburant : kg Diamètre antenne : 4m 2 moteurs à ergols liquides, non orientables, à poussée fixe de 445 N. Contrôle d'altitude et d'orientation par viseurs d'étoiles et centrales à inertie, modification d'orientation par roues de réaction et 4x4 petits propulseurs à Hydrazine. Energie électrique assurée par 3 générateurs thermoélectriques à isotope (RTG) utilisant du plutonium. Une antenne grand gain, pouvant supporter des températures de -200 à +180°C et servant de bouclier thermique. Deux antennes faible gain. Par NASA / JPL — Domaine public,

10 CASSINI - INSTRUMENTS 1-MAG : magnétomètre, étude du champ magnétique de Saturne, ses inter-actions avec le vent solaire, les anneaux et les lunes 2-VIMS : spectromètre lumière visible et infrarouge, identification de la composition chimique des surfaces 3-RPWS : spectromètre d'ondes radio et plasma, analyse des ondes générées par le vent solaire et des émissions naturelles d'ondes radio. 4-ISS : caméras (une à f=200 mmm, l'autre à f=2m), détecteur CCD 1Mpixels 200 à 1000 nm. (résolution 6m à 1000 km en télé-objectif). 5-CIRS : spectromètre infra-rouge, températures et composition des surfaces et des atmosphères. 11-CDA (non visible) : analyseur de poussière, analyse de la glace et grains de poussière à proximité de la sonde. Par NASA/JPL — Domaine public,

11 CASSINI - INSTRUMENTS 6-UVIS : spectromètre ultra-violet, détermination de la composition des atmosphères et des anneaux. 7-MIMI : instrument imageur de la magnétosphère, cartographie de la magnétosphère de Staurne et son inter-action avec le vent solaire. 8-CAPS : spectromètre plasma, étude du plasma près ou dans le champ magnétique de Saturne. 9-INMS : spectromètre de masse, étude des particules neutres et chargées pour connaître l'étendue des atmosphères et ionosphères de Saturne, ses anneaux et lunes. 10-RADAR : cartographie radar de la surface de Titan, et détermination des éléments de hauteur. 12-RSS (non visible) : émetteur radio, mesure par effet Doppler de la gravité de Saturne, ses anneaux et ses lunes. Par NASA/JPL — Domaine public,

12 HUYGENS - OBJECTIFS - Déterminer les abondances des constituants de l'atmosphère (gaz rares inclus) ; établir les rapports isotopiques pour les éléments abondants ; comprendre les scenarii de formation et d'évolution de Titan et de son atmosphère. - Observer les distributions verticales et horizontales des gaz en trace ; rechercher des molécules organiques plus complexes ; investiguer les sources d'énergie de la chimie atmosphérique ; modéliser la photochimie de la stratosphère ; étudier la formation et la composition des aérosols. - Mesurer les vents et les températures globales ; investiguer la physique des nuages, la circulation générale et les effets saisonniers dans l'atmosphère de Titan ; rechercher les éclairs. - Déterminer l'état physique, la topographie et la composition de la surface ; en déduire la structure interne du satellite. - Investiguer la haute atmosphère, son ionisation, ainsi que son rôle en tant que source de matière neutre et ionisée pour la magnétosphère de Saturne. ( source CNES :

13 HUYGENS 2 modules : - EAM : module d'entrée - diamètre : 2,7 m
- protection thermique durant la descente ; - equipement de contrôle après séparation ; DM : module de descente - diamètre : 1m - instrumentation scientifique (6 instruments) ; Masse totale : 320 kg Energie électrique : batteries (3h d'autonomie – 2h30 pour la descente et 0h30 au sol). Descente balistique, freinage par bouclier thermique et parachute. Photo ESA -

14 HUYGENS - INSTRUMENTS - HASI : étude des propriétés physiques et électriques de l'atmosphère. - DWE : mesure du vent par effet Doppler (non utilisable pour problème d'interférence avec l'un des instruments de Cassini). - DISR : spectromètre imageur de descente, étude de l'atmosphère de Titan. - ACP : collecteur, pyrolyseur d'aérosols, détermination de la composition chimique des aérosols de l'atmosphère. - GCMS : chromatographe en phase gazeuse, spectromètre de masse, analyse des composants atmosphériques selon l'altitude. - SSP : senseurs de caractérisation de l'état et la composition du site d'atterrissage.

15 LE LANCEMENT LANCEUR Type : Titan IVB/Centaur
Propulsion : 2 boosters à propergols liquides, 2 étages à combustible solide. Poids total au décollage : 1038 t dont  - étage Centaur : 24 t - Cassini-Huygens : 5,712 t Hauteur totale : 55,8 m LANCEMENT Lieu : Cap Canaveral Pas de tir n°40 Date : 15/10/1997 à 8h43 TU Séquence : - h+2mn23s : séparation Titan Altitude : m, vitesse : 7046 km/h - h+42mn40s : séparation Centaur après placement de Cassini sur orbite hélio- Centrique. Photo ESA -

16 LE LANCEMENT (Assistance gravitationnelle)
NASA / JPL — Domaine public, 1 – Lancement : Placement sur orbite héliocentrique, correction de trajectoire le 9/11/1997, test de la protection thermique (antenne grand gain pointée vers le soleil, communications assurées par les deux antennes faible gain) 2 – 1er survol de Vénus : Passage à 284 km de la surface, augmentation de vitesse de 3,7 km/s, inflexion de la trajectoire de 70°

17 LE LANCEMENT (Assistance gravitationnelle)
NASA / JPL — Domaine public, 3 – Correction de vitesse de 452m/s : Modification de trajectoire pour ramener la sonde vers Vénus 4 – 2e survol de Vénus : Passage à 603 km de la surface, augmentation de vitesse de 3,1 km/s 5 – Survol de la terre : Passage à 1166 km, accélération de 4,1 km/s, vitesse 19,1 km/s

18 LE LANCEMENT (Assistance gravitationnelle)
NASA / JPL — Domaine public, En route vers Saturne : - 01/02/1999 : orientation de l'antenne grand gain vers la terre ; - 23/01/2000 : passage à 15 millions de km de (2685) Mazurky ; - 17/12/2000 : problèmes sur le système d'orientation (résolu le 28/12) - 30/12/2000 : survol à 9,7 millions de km de Jupiter (inflexion de la trajectoire) - 01/06/ h32 TU : survol de Phoebé à 2068 km de sa surface - 01/07/2004 : mise en orbite autour de Saturne

19 LE SURVOL DE JUPITER Profiter de la conjonction exceptionnelle Jupiter-Saturne (tous les 19,88 ans) pour : - accélérer Cassini de 2,1 km/s (vitesse de 11,6 km/s à la sortie du système de Jupiter, pas trop élevée pour que l'arrivée en orbite de Saturne consomme un minimum d'ergol) ; Io, satellite de Jupiter, vu par Cassini (01/01/2001) Source NASA : - étudier la magnétosphère de Jupiter ; - prendre des photos (première photo le 1/10 à 84 millions de km – Jupiter remplit le champ total dès 23 millions de km) ; - prendre des photos de l'atmosphère. Fin de la campagne d'observation : 22/03/2001 Vue du pôle Sud (11 et 12/12/2000)

20 LA MISE EN ORBITE AUTOUR DE SATURNE (01/07/2004)
Après être passée le 11/06/2004 à 2070 km de Phoebé (photo), Cassini va continuer sa course vers Saturne, la manœuvre d'approche commencera le 29/06 vers 20h TU. Le 30/06 à 23h47, elle se positionnera pour se protéger (par son antenne) en vue du passage à travers les anneaux (entre anneaux G et F à la vitesse de 22 km/s) qui aura lieu le 01/07 à 0h47. 1h12, mise en route des moteurs durant 96 mn. 2H30, la capsule est freinée pour permettre sa capture par la gravité de Saturne. 2h39, passage au plus à km du centre de Saturne, km au-dessus des nuages. 2h48, extinction des moteurs. 2H54, pointage vers la terre. 2H57 fin de la séquence critique. (Voir schéma ci-dessous) (source : NASA/JPL/Space Science Institute Durant son approche, elle découvrira 2 petits satellites Méthone (photo) et Phalène. Cassini est la première sonde autour de Saturne : - période : 116 j - périastre : km ; - apoastre : 9,06 millions km ; - inclinaison : 16,8 ° (source : NASA)

21 ECLIPSE DE SOLEIL Terre
( ECLIPSE DE SOLEIL

22 LES MISSIONS La mission initiale est prévue pour durer jusqu'en 2008, principalement dédiée à Titan, avec l'envoi de l'atterrisseur Huygens le 14/01/2015. Elle permettra nombre de mesures relatives à Saturne, découvrira Daphnis et visitera Encelade, Thétys, Hypérion, Dioné, Télesto, Rhéa, Japet. Elle aura donné lieu à 76 révolutions. Une prolongation nommée « Equinox » sera prévue pour la période avec 60 orbites supplémentaires, consacrées essentiellement à Titan et Encelade (découverte des geysers – photo). Puis une seconde prolongation « solstice » de 155 révolutions de 2010 à 2017, avec de nombreux survols de Titan, qui s'achèvera par « le grand final » (44 dernières révolutions), et la plongée de Cassini dans l'atmosphère de Saturne où elle se désintégrera le 15/09/2017 à 11h55 TU lors de la révolution 293.

23 LES MISSIONS

24 ENVOI DE HUYGENS SUR TITAN
23/12/2004 : positionnement de Cassini pour mise de Huygens sur orbite de collision ; 25/12/2004 : largage de Huygens qui continue son voyage en balistique 14/01/2055 : réveil des instruments et atterrissage ESA/NASA/JPL/University of Arizona; processed by Andrey Pivovarov 9h06 : TU entrée dans l'atmosphère de Titan (To) 11h38 : touché du sol (photo), début de l'envoi des photos et données (une erreur de programmation fit perdre la moitié des 1251 photos et les mesures de vent faites par DWE) 12h50 : fin de la mission (qui aura duré 1h12 au sol pour 30 mn prévues)

25 FIN d'UNE GRANDE AVENTURE DE 20 ANS DONT 13 AU VOISINAGE DE SATURNE.
LE GRAND FINAL Afin de ne pas contaminer Titan ou Encelade, considérées comme « habitables », il est décidé de faire s'écraser Cassini sur Saturne. Ce programme de 44 révolutions qui commence en avril 2017, en prévoit 20 frôlant l'anneau F, puis 22 autres traversant l'anneau D. Il permettra des mesures : - de la gravité de Saturne ; - de réduire les incertitudes sur la masse des anneaux ; - de collecter des données sur l'ionosphère et la ceinture de radiations ; - d'étudier l'anneau D. 14/09/2017 : 18h58 : dernières images du système saturnien (Saturne, ses anneaux, Titan, Encelade) 15/09/2017 : 7h14 : début des transmissions et temps réel (images, plasma, champ magnétique) 10h30 : entrée dans l'atmosphère 10h31 : la sonde part en toupie, coupure des liaisons radio 10h55 : destruction de la sonde . FIN d'UNE GRANDE AVENTURE DE 20 ANS DONT 13 AU VOISINAGE DE SATURNE.

26 LE GRAND FINAL

27 LES RESULTATS Les données recueillies par la mission « Cassini-Huygens » ont déjà donné lieu à d'importants résultats : - quant à la connaissance de Saturne, de ses anneaux et satellites ; - quant à la compréhension de la formation de notre système solaire par l'étude des anneaux ; - découverte des lacs de Titan, des geysers d' Encélade qui permet d'espérer y trouver des formes de vie ; - découvert de nouveaux satellites … De quoi alimenter les scientifiques pendant plusieurs dizaines d'années ! DE QUOI ALIMENTER AUSSI UN PROCHAIN EXPOSE ! POUR PATIENTER … QUELQUES IMAGES COLLECTEES DURANT CETTE MISSION (crédit : NASA)

28

29 LE GRAND FINAL LACS DE TITAN

30 ENCELADE

31 POLE NORD

32 PRINCIPALES SOURCES : Wikipédia : CNES : NASA : ESA : CIEL ET ESPACE n° 555 (septembre-octobre 2017).