Comment Voyager parle-t-il encore après toutes ces années ?

Les chaînes d’information technologique ont récemment été en effervescence avec des histoires sur des signaux étranges provenant de Voyageur 1. Alors que les suspects habituels sautaient aux conclusions habituelles – extraterrestres !! – en l’absence d’une explication ferme de l’anomalie, certains d’entre nous ont considéré cet événement comme une occasion de s’émerveiller du fait que les deux vaisseaux spatiaux Voyager, qui ont maintenant plus de 40 ans, sont toujours en contact permanent avec nous de retour sur Terre, et ce bien qu’il ait parcouru environ 20 milliards de kilomètres dans l’un des environnements les plus hostiles que l’on puisse imaginer.

Comme de nombreux programmes de la NASA, Voyager a largement dépassé ses objectifs de conception initiaux et continue de rapporter des données scientifiques utiles à ce jour. Mais comment est-ce possible ? Quelle technologie radio des années 1970 a permis aux sondes spatiales jumelles de remplir non seulement leur mission principale d’exploration des planètes extérieures, mais aussi de les laisser participer à une mission prolongée dans l’espace interstellaire, tout en restant en contact bidirectionnel ? Il s’avère qu’il n’y a rien de magique dans la radio de Voyager – juste une ingénierie solide assaisonnée d’une saine dose de redondance et d’un peu de chance au fil des ans.

Le grand plat

Pour un programme qui, à bien des égards, a défini l’ère post-Apollon de l’exploration planétaire, Voyager a été conçu étonnamment tôt. Le profil complexe de la mission trouve son origine dans le concept de « Grand Tour planétaire » du milieu des années 1960, qui était prévu pour tirer parti d’un alignement des planètes extérieures qui se produirait à la fin des années 1970. Si elle était lancée au bon moment, une sonde serait capable d’atteindre Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune en utilisant uniquement des aides gravitationnelles après son coup de pouce initial, avant d’être projetée sur une trajectoire qui finirait par l’emmener dans l’espace interstellaire.

L’idée de visiter toutes les planètes extérieures était trop séduisante pour être laissée de côté, et avec le succès des missions Pioneer à Jupiter servant de répétitions générales, le programme Voyager a été conçu. Comme tous les programmes de la NASA, Voyager avait certains objectifs de mission principaux, un ensemble minimum d’expériences scientifiques planétaires que les chefs de projet étaient raisonnablement sûrs de pouvoir accomplir. Le vaisseau spatial Voyager a été conçu pour atteindre ces objectifs de mission fondamentaux, mais les planificateurs espéraient également que les véhicules survivraient au-delà de leurs rencontres planétaires finales et fourniraient des données précieuses lorsqu’ils traverseraient le vide. Et donc le matériel, à la fois dans le vaisseau spatial et au sol, reflète cet espoir.

Réflecteur primaire Voyager en cours de fabrication, vers 1975. Le corps de la parabole est en aluminium nid d’abeille et est recouvert de peaux stratifiées époxy imprégnées de graphite. La précision de surface du plat fini est de 250 μm. Source : NASA/JPL

La caractéristique physique la plus importante des stations au sol du Deep Space Network (DSN), que nous avons déjà couverte en profondeur, et du vaisseau spatial Voyager lui-même sont leurs antennes paraboliques. Bien que l’échelle puisse différer – les télescopes sportifs DSN jusqu’à 70 mètres de diamètre – les jumeaux Voyager ont chacun été lancés avec la plus grande parabole pouvant tenir dans le carénage du lanceur Titan IIIE.

Schéma de l’antenne à gain élevé (HGA) Voyager. Notez l’optique Cassegrain, ainsi que le sous-réflecteur sélectif en fréquence qui est transparent à la bande S (2,3 GHz) mais réfléchit la bande X (8,4 GHz). Cliquez pour agrandir. Source : NASA/JPL

Le réflecteur principal de l’antenne à gain élevé (HGA) de chaque vaisseau spatial Voyager est une antenne parabolique de 3,7 mètres de diamètre. Le plat est en aluminium alvéolaire recouvert d’une peau en stratifié époxy imprégné de graphite. La surface du réflecteur est finie avec un haut degré de douceur, avec une précision de surface de 250 μm, ce qui est nécessaire pour une utilisation à la fois dans la bande S (2,3 GHz), utilisée pour la liaison montante et descendante, et dans la bande X (8,4 GHz), qui est uniquement en liaison descendante.

Comme leurs homologues terrestres dans le DSN, les antennes Voyager sont une conception de réflecteur Cassegrain, qui utilise un sous-réflecteur sélectif en fréquence (FSS) au foyer du réflecteur principal. Le sous-réflecteur concentre et corrige les ondes entrantes en bande X vers le centre de la parabole principale, où se trouve le cornet d’alimentation en bande X. Cet agencement fournit environ 48 dBi de gain et une largeur de faisceau de 0,5° sur la bande X. La disposition de la bande S est un peu différente, avec le cornet d’alimentation situé à l’intérieur du sous-réflecteur. La nature sélective en fréquence du matériau du sous-réflecteur permet aux signaux en bande S de le traverser et d’éclairer directement le réflecteur principal. Cela donne environ 36 dBi de gain dans la bande S, avec une largeur de faisceau de 2,3°. Il y a aussi une antenne en bande S à faible gain avec un diagramme de rayonnement plus ou moins cardioïde située sur le côté face à la Terre de l’ensemble sous-réflecteur, mais qui n’a été utilisée que pendant les 80 premiers jours de la mission.

Deux c’est un

Trois des dix baies de chaque bus Voyager sont dédiées aux émetteurs, récepteurs, amplificateurs et modulateurs du sous-système de radiofréquence, ou RFS. Comme pour toutes les missions spatiales à haut risque, la redondance est le nom du jeu – presque chaque point de défaillance potentiel dans le RFS a une sorte de sauvegarde, une décision de conception technique qui s’est avérée sauver la mission dans plus d’un cas sur les deux vaisseau spatial au cours des 40 dernières années.

Du côté de la liaison montante, chaque Voyager dispose de deux récepteurs superhet à double conversion en bande S. En avril 1978, à peine un an avant sa rencontre prévue avec Jupiter, le principal récepteur en bande S sur Voyageur 2 a été arrêté par des algorithmes de protection contre les pannes sur le vaisseau spatial qui n’a capté aucune commande de la Terre pendant une période prolongée. Le récepteur de secours a été allumé, mais il s’est avéré qu’il avait un mauvais condensateur dans le circuit de boucle à verrouillage de phase destiné à s’adapter aux changements de fréquence du décalage Doppler dus principalement au mouvement de la Terre. Les contrôleurs de mission ont ordonné au vaisseau spatial de revenir au récepteur principal, mais cela a de nouveau échoué, laissant Voyageur 2 sans aucun moyen d’être commandé depuis le sol.

Heureusement, les routines de protection contre les pannes ont rallumé le récepteur de secours après une semaine sans communication, mais cela a laissé les contrôleurs dans le pétrin. Pour continuer la mission, ils devaient trouver un moyen d’utiliser le récepteur de secours bancal pour commander le vaisseau spatial. Ils ont proposé un schéma complexe dans lequel les contrôleurs DSN évaluent la fréquence de la liaison montante en fonction du décalage Doppler prévu. Le problème est que, grâce au mauvais condensateur, le signal doit être à moins de 100 Hz de la fréquence de verrouillage du récepteur, et cette fréquence change avec la température du récepteur, d’environ 400 Hz par degré. Cela signifie que les contrôleurs doivent effectuer des tests deux fois par semaine pour déterminer la fréquence de verrouillage actuelle, et également laisser le vaisseau spatial se stabiliser thermiquement pendant trois jours après la liaison montante de toute commande susceptible de modifier la température du vaisseau spatial.

Doubles liaisons descendantes

Un TWTA de l’ère Apollo, similaire aux amplis de puissance en bande S et en bande X utilisés sur Voyager. Source : Ken Shirriff

Du côté de l’émission, les émetteurs en bande X et en bande S utilisent des excitateurs et des amplificateurs séparés, et encore une fois, des multiples de chacun pour la redondance. Bien que la liaison descendante se fasse principalement via l’émetteur en bande X, l’un des deux excitateurs en bande S peut être alimenté dans l’un des deux amplificateurs de puissance différents. Un amplificateur à semi-conducteurs (SSA) fournit une puissance de sortie sélectionnable de 6 W ou 15 W au cornet d’alimentation, tandis qu’un amplificateur à tube à ondes progressives (TWTA) séparé fournit 6,5 W ou 19 W. Les excitateurs à double bande X, qui utilisez les excitateurs en bande S comme référence de fréquence, utilisez l’un des deux TWTA dédiés, chacun pouvant envoyer 12 W ou 18 W à l’antenne à gain élevé.

La redondance intégrée au côté liaison descendante du système radio jouerait un rôle dans la sauvegarde de la mission principale des deux engins spatiaux. En octobre 1987, Voyageur 1 a subi une panne dans l’un des TWTA en bande X. Un peu plus d’un an plus tard, Voyageur 2 rencontré le même problème. Les deux engins spatiaux ont pu passer à l’autre TWTA, permettant Voyageur 1 pour renvoyer le fameux « portrait de famille » du système solaire, y compris l’image du point bleu pâle de la Terre, et pour Voyageur 2 de renvoyer les données de son survol de Neptune en 1989.

De plus en plus lent

Les systèmes radio des systèmes Voyager ont été principalement conçus pour prendre en charge les survols planétaires, et ont donc été optimisés pour diffuser autant de données scientifiques que possible vers le DSN. Les approches rapprochées de chacune des planètes extérieures ont entraîné une accélération spectaculaire de chaque vaisseau spatial pendant les survols, juste au moment de la production maximale de données à partir des dix instruments scientifiques à bord. Pour éviter les goulots d’étranglement, chaque Voyager comprenait un magnétophone numérique (DTR), qui était essentiellement un magnétophone à 8 pistes sophistiqué, pour mettre en mémoire tampon les données scientifiques pour une liaison descendante ultérieure.

De plus, la distance croissante à chaque Voyager a considérablement réduit la bande passante disponible pour les données scientifiques en liaison descendante. Lorsque le vaisseau spatial a effectué ses premiers survols de Jupiter, les données ont été diffusées à un rythme relativement énergique de 115 200 bits par seconde. Maintenant, alors que les vaisseaux spatiaux approchent chacun d’un jour-lumière complet, les données ne s’écoulent qu’à 160 bps. Les commandes de liaison montante sont encore plus lentes, à peine 16 bps, et sont diffusées dans l’espace à partir des antennes paraboliques de 70 mètres du DSN utilisant 18 kW de puissance. La perte de trajet en liaison montante sur la distance actuelle de 23 milliards de kilomètres jusqu’à Voyageur 1 dépasse 200 dB ; côté liaison descendante, les télescopes DSN doivent creuser un signal qui s’est évanoui à l’attowatt (10-18 W).

Que les systèmes radio de Voyageur 1 et Voyageur 2 travaillé du tout alors qu’ils étaient encore dans la partie principale de leur mission planétaire est une réalisation technique digne d’être célébrée. Le fait que les deux engins spatiaux communiquent toujours, malgré les défis de quatre décennies dans l’espace et les multiples défaillances du système, relève presque du miracle.