New Horizons | caractéristiques techniques de la sonde

Caractéristiques techniques de la sonde

La sonde New Horizons au Centre spatial Kennedy peu avant son lancement. Les protections thermiques dorées ne sont pas encore posées (25 septembre 2005).

Caractéristiques générales

New Horizons est une sonde compacte, ayant la forme d'un triangle épais et la taille d'un piano. À l'une des pointes du triangle est fixé un générateur thermoélectrique à radioisotope de forme cylindrique, tandis que sur la face supérieure se trouve la grande antenne parabolique de 2,1 mètres de diamètre assurant la liaison avec la Terre. Sans ces appendices, les dimensions maximales de la sonde sont de 2,1 mètres sur 2,7 mètres, pour une épaisseur de 0,7 mètre. De son point d'attache sur le lanceur jusqu'au sommet de son antenne sa hauteur est de 2,2 mètres. Sa masse est de 478 kg, dont 77 kg d' hydrazine utilisé par les propulseurs et 30 kg d'instrumentation scientifique [16].

La structure de la sonde est bâtie autour d'un cylindre central en aluminium, qui supporte les principales contraintes durant le lancement. À l'une de ses extrémités se trouve l'adaptateur qui solidarise la sonde à la fusée. Des panneaux en nid d'abeilles d'aluminium, auxquels sont accrochés les différents équipements et instruments, sont fixés au cylindre, ainsi que le générateur thermoélectrique à radioisotope. Le réservoir contenant l'ergol utilisé par les propulseurs de la sonde est situé à l'intérieur de ce cylindre [17].

Énergie

La sonde avec son générateur thermoélectrique à radioisotope. Il ne s'agit que d'une maquette, le vrai RTG est installé immédiatement avant le lancement.

Comme la sonde doit se déplacer aux confins du système solaire, où la quantité d'énergie solaire disponible est très faible, la génération d'électricité ne peut être assurée par les traditionnels panneaux solaires. Un générateur thermoélectrique à radioisotope de type GPHS-RTG est donc embarqué. Il convertit en électricité la chaleur fournie par la désintégration radioactive de 10,9 kg de dioxyde de plutonium 238 238PuO2 : on estimait que ce générateur fournirait encore 190 W en 2015. Le cylindre contenant le générateur est fixé sur un des sommets du triangle. L' antenne parabolique, d'un diamètre de 2,1 m, servant à la communication avec la Terre, est fixée sur une des faces du triangle [18].

En raison du peu de masse disponible pour ce générateur, ainsi que du coût élevé des RTG en général, celui-ci n'est que d'une puissance relativement faible. Il est, de plus, en grande partie utilisé pour chauffer la sonde, car sans chauffage le froid spatial au niveau de Pluton rendrait les instruments totalement inopérants. Il ne peut donc pas alimenter beaucoup d'instruments, et lorsque l'antenne est orientée vers la Terre pour les transmissions radio, le manque d'énergie disponible impose de couper l'alimentation des instruments de mesure.

Guidage et contrôle d'orientation

New Horizons ne dispose pas d'assez d'énergie pour utiliser des roues de réaction pour contrôler son orientation. Celle-ci est donc gérée par le biais de propulseurs brûlant de l' hydrazine. Pour éviter de consommer du carburant pour maintenir son orientation fixe par rapport aux étoiles, la sonde spatiale, lorsqu'elle n'est pas active, est maintenue en rotation autour d'un axe passant par ses antennes à raison de 5 tours par minute. Par contre, lorsque New Horizons manœuvre, utilise ses instruments, transmet des informations ou reçoit des données en provenance de la Terre, la rotation de la sonde est arrêtée et son orientation reste fixe, avec un pointage qui dépend de son activité. Les instruments scientifiques ainsi que l'antenne principale de New Horizons ne peuvent pas être orientés individuellement, contrairement à certaines sondes et ce, essentiellement pour limiter les risques d'un éventuel problème mécanique pouvant survenir sur une mission d'une aussi longue durée. Il est donc nécessaire de modifier l'orientation de toute la sonde, afin de pouvoir pointer les antennes vers la Terre ou les instruments scientifiques vers leur cible, mais également, comme pour toutes les sondes, afin de corriger des écarts par rapport à l'orientation retenue ou avant d'effectuer des manœuvres de modification de trajectoire. La sonde détermine son orientation en utilisant des senseurs stellaires, qui sont de petites caméras permettant de prendre 10 fois par seconde une image en grand angle du ciel. Celle-ci est comparée à une carte du ciel stockée en mémoire répertoriant 3 000 étoiles, ce qui permet au calculateur de la sonde de déterminer son orientation. Cette information est complétée par les variations de vitesse scrutées 100 fois par seconde par une centrale à inertie. Si besoin, le système de contrôle d'orientation utilise ses petits moteurs-fusées pour corriger ou modifier cette orientation. Si les senseurs stellaires ne parviennent plus à déterminer l'orientation, des senseurs solaires qui repèrent la position du Soleil prennent le relais [19].

Propulsion

La propulsion dont dispose New Horizons ne lui sert pas à accélérer ni à se freiner : en effet, une fois lancée sur sa trajectoire par la fusée Atlas V, la sonde n'a qu'à effectuer des corrections de trajectoire pour survoler successivement Jupiter, puis Pluton et enfin éventuellement d'autres objets situés dans la ceinture de Kuiper, si ceux-ci sont situés à sa portée. Les propulseurs dont dispose la sonde effectuent les corrections de trajectoire et modifient l'orientation de la sonde. Elle dispose à cet effet de 16 petits moteurs-fusées brûlant de l' hydrazine. Quatre d'entre eux ont une poussée de 4,4 newtons et sont essentiellement utilisés pour les corrections de trajectoire. Les 12 autres, d'une poussée de 0,8 newton, sont utilisés pour modifier le pointage de la sonde, mettre la sonde en rotation sur elle-même à 5 tours par minute, ou au contraire arrêter la rotation, notamment pour les phases de survol des planètes. La sonde emporte 77 kg d' ergols stockés dans un réservoir en titane. L'hydrazine est mis sous pression par de l' hélium avant d'être injecté dans les moteurs. La quantité d'ergols disponible permet de modifier la vitesse de la sonde spatiale de 400 mètres par seconde au cours de l'ensemble de la mission. 22,3 kg sont réservés aux corrections de trajectoires, 29,3 kg au maintien de la rotation et au contrôle d'attitude de l'engin spatial. Une réserve de 17,8 kg (91 m/s) et un surplus de 7,7 kg (41 m/s) sont par ailleurs disponibles [19], [20].

Télécommunications

Les trois antennes de la sonde sont superposées : de bas en haut l'antenne parabolique grand gain, moyen gain et au-dessus l'antenne faible gain.

New Horizons utilise un système de télécommunications en bande X pour recevoir les commandes depuis la Terre et transmettre les données scientifiques recueillies, ainsi que les informations sur le fonctionnement de ses équipements. Les principaux échanges passent par l' antenne parabolique à grand gain, qui permet le débit le plus important. Celle-ci, d'un diamètre de 2,1 mètres, est fixe, afin de supprimer un mécanisme qui pourrait se gripper au cours du long voyage vers Pluton, et la sonde doit donc modifier son orientation pour pointer avec une grande précision le faisceau radio, qui ne fait que 0.3° de large, vers la Terre. À la distance de Pluton, située à plus de 4 milliards de kilomètres, le débit chute à 1 000 bits par seconde (avec les antennes paraboliques de réception de 70 mètres de diamètre du Deep Space Network), et le signal met quatre heures pour parvenir jusqu'à la Terre ; aussi faut-il près de 9 mois pour transmettre l'ensemble des données recueillies lors du rapide survol de Pluton et de son satellite. La sonde dispose également d'une antenne parabolique moyen gain, installée au-dessus de l'antenne grand gain, dont le faisceau est large de 14°, et qui nécessite donc un pointage beaucoup moins précis. Enfin, deux antennes faible gain sont montées, l'une au-dessus de l'antenne moyen gain, l'autre sur la face opposée de la sonde [21], [22].

Mise au point d'une procédure doublant le débit

Les images prises par la caméra LORRI, qui dispose d'un capteur CCD d'un mégapixel, ont une taille d'environ 2,5 Mb une fois compressées [23]. Le temps de transmission d'une image à l'approche de Pluton est donc de 42 minutes1 000 bits par seconde). Avec ce débit, la sonde spatiale ne peut transmettre que 11 images toutes les 24 heures (à l'exclusion de toute autre donnée) : elle ne peut en effet mobiliser les antennes paraboliques de 70 mètres de la NASA que huit heures par jour, car celles-ci sont fortement sollicitées par les autres missions spatiales dispersées dans le système solaire. Pour accroître la vitesse de transmission à l'approche de Pluton, la NASA a mis au point, durant le transit de la sonde spatiale vers la planète naine, une méthode permettant d'utiliser simultanément les deux tubes à ondes progressives qui transmettent les données. Cela est rendu possible par le fait que le deuxième tube, qui est là en secours, émet sur une longueur d'onde différente. Ce procédé permet de multiplier le débit par 1,9, mais il nécessite une énergie supplémentaire qui impose d'arrêter un autre équipement durant les sessions de communication. Les ingénieurs ont choisi d'arrêter le système de guidage et de contrôle d'orientation, et pour que la sonde spatiale maintienne son antenne parfaitement orientée en direction de la Terre, New Horizons est mise en rotation en sacrifiant un petit peu d' hydrazine lorsqu'elle émet dans ce mode [23].

Calculateur de bord

L'informatique de bord utilise un microprocesseur 32 bits Mongoose-V, version « durcie » contre les radiations du MIPS R3000. Sa fréquence d'horloge est ralentie de 25 à 12,5 M Hz pour limiter sa consommation électrique. Les données reçues ou à transmettre sont stockées dans une mémoire de 8 gigaoctets conçue pour consommer peu de courant. La taille de cette mémoire a été choisie pour permettre le stockage de l'ensemble des données scientifiques récoltées durant le survol de Pluton [24].

Contrôle thermique

Pour résister aux températures très basses des régions situées aux confins du système solaire (température moyenne au sol de Pluton évaluée à −223 °C), New Horizons est conçue de manière à ce que la chaleur ne puisse s'échapper de sa structure interne. L'électronique et la majeure partie de l'instrumentation sont enfermés dans des compartiments recouverts d'une protection thermique multicouches dorée. Celle-ci doit permettre de conserver la chaleur dégagée par l'électronique, et maintenir ainsi la température dans une fourchette comprise ente 10 et 30 °C. Si la consommation de l'électronique tombe en dessous de 150 Watts, de petits radiateurs prennent le relais. Lorsque la sonde se trouve encore relativement près de la Terre et du Soleil, la chaleur doit être au contraire dans certains cas évacuée ; des persiennes s'ouvrent automatiquement lorsque la chaleur interne dépasse la valeur maximale autorisée [25].

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