Dans le grand schéma des choses, il n’y a pas si longtemps, l’ensemble des connaissances de notre système solaire était construit uniquement avec des observations terrestres. Tournant d’abord leurs yeux nus vers le ciel, puis une succession d’optiques et de radiotélescopes de plus en plus complexes et sensibles captant la lumière de tous les spectres, nos ancêtres astronomiquement curieux ont fait un travail louable pour déterminer les grandes lignes de ce qui se passe dans le quartier. .

Mais il n’y a qu’une quantité limitée d’informations qui peuvent être recueillies par des instruments fonctionnant au fond d’un océan d’air agité, alors lorsque l’opportunité d’envoyer des instruments à nos voisins planétaires a commencé à être possible il y a environ 60 ans, les scientifiques ont commencé à planifier comment l’accomplir . Le résultat fut le programme Mariner, une série de sondes interplanétaires lancées entre 1962 et 1973 qui effectuaient des missions de survol des planètes intérieures.

La liste des réalisations du programme Mariner est longue et le nombre de premières réalisées par ses dix engins spatiaux est impressionnant. Mais c’est Mariner 4, la première mission de survol de Mars, qui a ouvert la voie à une grande partie de la science effectuée sur et autour de Mars aujourd’hui, et la première mission où la NASA a sagement pris une approche « photos ou cela ne s’est pas produit ». à la science planétaire. C’était la première fois qu’une caméra de télévision voyageait dans un autre monde, et c’était tout sauf un pari sûr qu’elle rapporterait des dividendes.

Premiers pas vers les étoiles

Étant donné que nous gravissions encore la partie la plus précoce et la plus raide de la courbe d’apprentissage des vols spatiaux à la fin des années 1950, il était assez audacieux de commencer à penser à tendre la main à nos planètes voisines. Mais au tournant de la décennie, les grandes lignes de ce qui allait devenir le programme Mariner étaient déjà définies. Ils ont été conçus comme des missions à portée limitée – par opposition aux missions « Grand Tour » qui allaient bientôt venir – des planètes intérieures.

Pinpuller de Mariner 9, une conception mise à jour de la pyrotechnie utilisée pour déployer les panneaux solaires de Mariner 4. Les deux amorces redondantes qui entraînent le piston pour rétracter la goupille sont visibles en haut et en bas. Source : Mémorandum technique 33-502

Alors que chacune des dix missions Mariner avait des objectifs scientifiques spécifiques en tête et que chaque vaisseau spatial était construit sur mesure à cet effet, il y avait un thème primordial : apprendre à explorer l’espace extra-atmosphérique. Au moment de la conception de Mariner, la Russie et les États-Unis avaient effectué peu de missions précieuses, dont la plupart étaient soit suborbitales, soit en orbite terrestre basse. Compte tenu des exigences de la guerre froide, beaucoup de ces missions étaient consacrées à la surenchère et à la preuve qu’une nation ou l’autre avait capturé les hauteurs, et avec relativement peu de ménagement à la science planétaire, on savait très peu de choses sur la façon dont pour aller dans l’espace et comment y opérer.

Mariner a également été conçu pour tirer parti des nouvelles fusées Atlas, le premier missile balistique intercontinental de la flotte américaine. Associée au deuxième étage Agena, la pile était capable de soulever des charges utiles plus importantes et d’atteindre la vitesse de fuite de la Terre. La combinaison Atlas-Agena lancerait les cinq premières sondes Mariner, avec plus de succès que d’échecs – Mariner 1 et Mariner 3 ont tous deux été perdus en raison de problèmes de guidage et de dommages au carénage de la charge utile, respectivement.

Tous les engins spatiaux Mariner ont été conçus autour d’un bus plus ou moins commun, hexagonal ou octogonal, conçu pour maximiser l’utilisation de l’espace à l’intérieur du carénage de la charge utile Agena. Les sondes étaient toutes alimentées à l’énergie solaire, le nombre de panneaux dépendant de la direction dans laquelle elles se dirigeaient – ​​deux si elles se dirigeaient vers le soleil vers Vénus ou Mercure, ou quatre pour les missions à destination de Mars, pour absorber davantage la lumière du soleil plus faible. Les panneaux solaires ont été construits à partir de panneaux d’aluminium extrêmement légers, ondulés pour plus de rigidité, et chacun était orné de 7 056 cellules solaires incroyablement chères. Les quatre panneaux de Mariner 4 étaient stockés pliés sous la pression d’un ressort ; ils ont été déployés une fois en orbite avec des pétards pyrotechniques qui ont retiré une goupille de retenue.

Mariner 4. Notez les ailettes solaires aux extrémités des panneaux solaires ; ils étaient destinés à utiliser le vent solaire pour le contrôle d’attitude, mais ont fini par ne pas bien fonctionner. Source : NASA/JPL-Caltech

Et une étoile pour la guider

Les sondes Mariner ont également été le premier vaisseau spatial conçu pour tirer parti de l’infrastructure de communication offerte par le réseau Deep Space en pleine croissance, avec de grandes antennes paraboliques qui pourraient être pointées vers la Terre. Cela posait le problème d’un contrôle d’attitude précis – un contact constant avec la DSN nécessiterait un positionnement de précision dans l’espace à un degré qui n’avait pas encore été atteint.

Avant le programme Mariner, la navigation et le contrôle d’attitude des engins spatiaux étaient une tâche relativement simple. Garder un vaisseau spatial en orbite autour de la Terre pointé dans la bonne direction impliquait un peu plus que de détecter la chose la plus grande et la plus brillante dans le ciel – la Terre elle-même. Il y avait des subtilités, bien sûr, mais elles n’étaient rien comparées aux défis des voyages interplanétaires, d’autant plus que la tâche n’avait pas encore été tentée.

Le vaisseau spatial Mariner aurait tous besoin d’un repère à deux positions dans l’espace pour maintenir l’attitude correcte. Le soleil était une cible facile, d’autant plus que garder les panneaux solaires plus ou moins obliques par rapport au soleil était essentiel pour maximiser la production d’électricité. Des capteurs solaires sur le pont supérieur de Mariner orientés vers le soleil ont fourni des entrées à l’ordinateur central et au séquenceur (CC&S), le contrôleur de l’ensemble du vaisseau spatial, qui a activé les jets d’azote situés autour du vaisseau spatial pour contrôler son tangage et son lacet.

Le deuxième correctif de Mariner, qui contrôlait l’axe de roulis passant par le guide d’ondes de l’antenne parabolique, était basé sur l’étoile Canopus. Située dans la constellation australe de Carina, Canopus est la deuxième étoile la plus brillante du ciel nocturne après Sirius. Il est une aide à la navigation depuis l’antiquité, et sa luminosité caractéristique, ainsi que sa position bien en dessous du plan de l’écliptique, le rendent parfait pour la navigation interplanétaire.

Le traqueur d’étoiles Canopus de Mariner 9, qui est électro-optiquement similaire au traqueur de Mariner 4. Source : NASA Technical Memorandum 33-681 – Mariner Mars 1971 Attitude Control Subsystem

Mariner 3 et 4 ont été les premiers engins spatiaux à inclure des traqueurs d’étoiles Canopus. La tâche de choisir une étoile en particulier parmi un groupe de milliers n’est pas triviale. Le traqueur Canopus consistait en un télescope optique avec des déflecteurs de lumière pour empêcher la lumière parasite de l’électronique de détection, qui consistait en un tube à vide spécial appelé dissecteur d’image. Il s’agissait essentiellement d’un tube photomultiplicateur à balayage qui pouvait regarder une petite tranche d’espace alors que le vaisseau spatial effectuait lentement une manœuvre de recherche autour de son axe de roulis. La lumière de n’importe quelle étoile en vue produisait un signal proportionnel à la fois à son intensité et à son emplacement, tel que déterminé par l’endroit où dans le champ de balayage du dissecteur d’image, il a été repéré. Lorsqu’une étoile correspondant à l’intensité de Canopus a été trouvée, le traqueur a envoyé un signal d’erreur de roulis aux jets de contrôle de réaction, qui ont ensuite maintenu Canopus verrouillé en vue.

Le traqueur d’étoiles Canopus a mis un peu de temps à fonctionner correctement sur Mariner 4. Alors qu’il était capable de se verrouiller sur Canopus, des signaux lumineux intermittents semblaient inattendus dans son champ de vision, provoquant la perte de verrouillage du traqueur sur Canopus et le démarrage d’un autre cycle. du « saut d’étoiles ». Les contrôleurs de vol ont été perplexes à ce sujet pendant un certain temps jusqu’à ce qu’ils déterminent qu’un nuage de particules de poussière et de taches de peinture filant dans l’espace avec Mariner 4 était probablement le coupable – même quelque chose de minuscule aussi proche du tracker pouvait sembler aussi brillant ou plus brillant que Canopus. Le problème a été résolu en désactivant une routine CC&S utilisée pour protéger le star tracker de l’éclat de la Terre, car Mariner était alors suffisamment loin de chez lui pour que le star tracker puisse l’ignorer.

Mars TV

Une zone fortement cratérisée au sud de la région d’Amazonis Planitia sur Mars. [via NASA]

Les sept instruments scientifiques transportés par Mariner 4 visaient principalement à capturer des données sur le domaine électromagnétique entre la Terre et Mars. Ce serait la première fois qu’un vaisseau spatial avait la chance d’échantillonner le milieu interplanétaire, et la suite d’instruments comprenait donc un magnétomètre, un télescope à rayons cosmiques, des détecteurs de rayonnement, une sonde à plasma et un collecteur de poussière cosmique pour mesurer les impacts des micrométéoroïdes. Cette charge scientifique servirait de modèle pour les charges utiles scientifiques de nombreuses sondes interplanétaires ultérieures.

Alors que tous ces instruments étaient importants, les concepteurs de Mariner ont reconnu que la stimulation de l’intérêt public était un objectif important de la mission, et au début des années 1960, il n’y avait pas de meilleur moyen de gagner le cœur et l’esprit du public que la télévision. Et si bien avant la mission, une caméra de télévision spéciale a été conçue pour prendre des photos de Mars alors que Mariner passait à toute vitesse.

La conception de la caméra, centrée autour d’un tube vidicon spécial, a été décrite dans un film présenté par «M. Wizard » lui-même, Don Herbert – une décision encore plus calculée pour capitaliser sur le pouvoir de la télévision.

Le plan initial pour la caméra de Mariner était de la garder couverte juste avant le début du survol de Mars. Mais avec l’expérience du nuage de poussière interférant avec le tracker Canopus, les contrôleurs ont décidé de larguer le capuchon de l’objectif de l’appareil photo plus tôt, pour donner aux débris une chance de se disperser. L’appareil photo a fonctionné parfaitement, capturant 22 photos à angle étroit de la surface à environ 10 km d’altitude. Les images ont révélé des cratères bien définis et nombreux, mettant fin à tout espoir restant que Mars avait encore une atmosphère épaisse et de l’eau liquide.

Mars en chiffres. La première « photographie » de Mars, coloriée à la main avec des pastels sur des bandes de papier imprimées à partir de la télémétrie Mariner 4. Source : NASA/JPL/Dan Goode, domaine public.

Alors que le regard rapproché de Mariner 4 sur Mars était décevant pour certains, en particulier ceux qui nourrissaient encore des visions d’une végétation luxuriante sillonnée d’anciens canaux, c’était la preuve que Mars était un endroit bien plus étranger et intéressant que notre planète d’origine. Et Mariner 4 avait prouvé que non seulement l’espace interplanétaire pouvait être navigué en toute sécurité, mais qu’il était possible d’y envoyer des instruments et de faire de la science utile, même à travers le gouffre béant de l’espace. De manière très concrète, les sondes Mariner ont établi la norme pour la science planétaire et nous ont ouvert la voie pour atteindre Mars et au-delà.

[Main image: Mariner 4 Image of Mars via NASA]

[Thanks to Noel for the idea to dive into this topic.]