Mise sous cocon de Rosalind : comment stocker une mission spatiale

Dans les milieux de l’exploration planétaire, Mars a plutôt mauvaise réputation. La planète rouge a l’habitude de manger des vaisseaux spatiaux envoyés là-bas pour l’explorer, dans la mesure où près de la moitié des missions que nous lui avons lancées ont échoué d’une manière ou d’une autre. La «malédiction de Mars» se manifeste de manière plus spectaculaire lorsque les atterrisseurs ne parviennent pas à négocier la descente terminale et que de nouveaux cratères d’un milliard de dollars apparaissent sur le régolithe martien, tandis que certaines missions rencontrent leur destin en route vers la planète, et quelques malchanceux ont même explosé sur la rampe de lancement.

Mais le dernier exemple de la malédiction de Mars, l’annulation récente de la seconde moitié de la mission ExoMars, représente un mode d’échec nouveau et déprimant : la guerre – en particulier l’invasion russe de l’Ukraine. L’indignation internationale suscitée par l’agression a entraîné des sanctions économiques et l’isolement diplomatique de la Russie, qui a riposté en mettant fin à son partenariat avec l’Agence spatiale européenne (ESA), en privant la mission de son lanceur et en condamnant la mission qui aurait fait atterrir le rover. Rosalinde Franklin sur Oxia Planum près de l’équateur martien en 2023.

Bien qu’il y ait encore une chance que les administrateurs et les diplomates résolvent les problèmes, il y a peu de chances que ce soit à temps pour la fenêtre de lancement étroite pour laquelle la mission visait en septembre 2022. Cela signifie que le Rosalinde Franklin, ainsi que tous les autres matériels de vol qui étaient presque prêts à être lancés, devront être stockés au moins jusqu’à l’ouverture de la prochaine fenêtre de lancement en 2024. Cela soulève la question : comment stocker un vaisseau spatial complexe ? Et une telle mise sous cocon pourrait-elle avoir des conséquences imprévues pour la mission lorsqu’elle finira par voler?

Électricité et radiateurs

Avant même que les effets déconcertants des conflits armés humains n’entrent en jeu, la mission ExoMars était très ambitieuse et assez compliquée. La planification remonte au début des années 2000, lorsque l’ESA et la NASA ont conclu un accord conjoint pour une mission qui comprendrait des orbiteurs, des rovers et même un aspect de retour d’échantillons. Mais en 2012, la NASA, qui devait fournir le lanceur et la plate-forme de descente du rover ExoMars, s’est retirée du partenariat, en raison de contraintes budgétaires causées au moins en partie par des dépassements de coûts sur le télescope spatial James Webb. Cela a conduit l’ESA à conclure un partenariat complet avec Roscosomos pour les lancements à bord de leurs lanceurs Proton, ainsi que la fourniture du véhicule de descente nécessaire pour amener le rover en toute sécurité sur Mars.

Vue d’artiste de Rosalinde Franklin sur Mars, avec Kazachok en arrière-plan. Source : ESA

Avec le partenariat en lambeaux à seulement six mois de la fenêtre de lancement, le rover terminé, désormais nommé en l’honneur de la chimiste et cristallographe britannique Rosalind Franklin, et le véhicule de descente, appelé Kazachok ou « petit cosaque », doivent être stockés en toute sécurité pendant au moins deux ans. Alors que la plupart des engins spatiaux destinés aux missions dans l’espace lointain sont nécessairement conçus en pensant au stockage pendant le transit interplanétaire, qui dure souvent plusieurs mois, garder une machine délicate conçue pour le vide de l’espace stockée en toute sécurité sur Terre est une tout autre affaire.

L’un des principaux moteurs de la façon dont Rosalinde Franklin et Kazachok seront stockés dans leurs systèmes d’alimentation. Les deux engins spatiaux sont alimentés par des panneaux solaires, ce qui peut représenter une petite aubaine pour les ingénieurs qui élaborent le plan de stockage. Comme les précédents rovers de la NASA Esprit et Occasion, Rosalinde Franklin utilise des panneaux solaires pour fournir de l’électricité. Le rover est relativement petit, seulement 300 kg environ, et a des besoins en énergie modestes qui peuvent être satisfaits par le panneau solaire de 1 200 watts sur le dessus de sa coque. Cela contraste avec le beaucoup plus grand Curiosité et Persévérance rovers, chacun de la taille d’une voiture compacte et alimenté par une paire de générateurs thermoélectriques à radio-isotopes alimentés au plutonium. Alors que la demi-vie de 87,7 ans du Pu-238 signifierait que la puissance de sortie des RTG ne diminuerait pas beaucoup sur deux ans de stockage, ce serait une quantité non nulle dont les ingénieurs de mission devraient tenir compte.

NASA RHU, leur point de vue sur le chauffage radioactif pour le vol dans l’espace lointain. Ils perdent environ 10 mW de puissance calorifique par an en raison de la décomposition du combustible Pu-238. Source : RPS de la NASA

Ce n’est pas parce que les RTG n’ont pas été choisis pour la source d’alimentation Rosalinde Franklin n’a toujours pas de problèmes de désintégration radioactive à régler. Les nuits martiennes sont brutalement froides, et les jours ne sont pas beaucoup mieux, donc les appareils électroniques sensibles doivent être réchauffés pour fonctionner correctement. Pour garder les choses au chaud, le rover est équipé d’unités de chauffage à radio-isotopes (RHU) de fabrication russe, qui sont essentiellement des RTG sans les bits générateurs d’électricité. Les RHU de la NASA utilisent le Pu-238 comme source de chaleur ; quel que soit l’isotope utilisé sur les RHU fournis par Roscosmos à bord Rosalinde Franklinil y a de fortes chances que la décomposition de la source de combustible pendant le stockage doive être prise en compte.

Mais le coup de chance dans le choix des panneaux solaires pour alimenter ces engins spatiaux est quelque peu confondu par le besoin de batteries pour stocker l’énergie. Le rover utilise une banque de batteries lithium-ion de 1 142 Wh, ce qui nécessitera une gestion minutieuse du stockage. Les batteries lithium-ion ne réagissent pas bien au stockage à long terme, qu’elles soient complètement chargées ou déchargées, l’objectif serait donc probablement de maintenir les batteries à quelque chose comme 50 % d’état de charge (SOC). Même avec un stockage optimal, il peut être prudent de simplement remplacer les batteries du rover par des neuves avant de voler, car les enjeux sont si importants. Par exemple, sur le japonais Hayabusa atterrisseur d’astéroïdes et mission de retour d’échantillons en 2005, un dysfonctionnement du propulseur a empêché les panneaux solaires de l’engin spatial de s’aligner sur le Soleil et a surdéchargé certaines des batteries lithium-ion, ce qui a provoqué des moments de tension pour ramener les échantillons sur Terre. Une mission sur Mars n’a pas besoin d’un tel drame ajouté à ses enjeux.

Pyrotechnie

Depuis les premiers jours de la course à l’espace, le lancement de chaque vaisseau spatial a été une série soigneusement orchestrée d’explosions contrôlées. Des séparations d’étages sur le lanceur et de l’ouverture des carénages de charge utile au largage des boucliers thermiques et au déploiement des parachutes, les dispositifs pyrotechniques sont impliqués dans presque toutes les étapes du chemin vers l’espace.

Initiateur standard de la NASA, similaire à ce qui est utilisé pour les dispositifs pyrotechniques sur les engins spatiaux de l’ESA. Source : Nasa

Les ingénieurs aérospatiaux ont une grande expérience de la pyrotechnie et ont même standardisé dans une certaine mesure ces « dispositifs énergétiques ». La NASA, par exemple, a son « NASA Standard Detonator », qui est un bouchon en acier inoxydable usiné rempli de moins d’un demi-gramme d’azide de plomb et du RDX hautement explosif pressé dedans. Le NSD a un raccord dans lequel un autre dispositif pyrotechnique, le « NASA Standard Initiator », est attaché.

Le NSI est rempli de ZPP, un mélange de zirconium, de perchlorate de potassium et du caoutchouc synthétique Viton B comme liant. Un petit filament intégré dans le ZPP se réchauffe lorsqu’un courant le traverse, ce qui provoque l’allumage du carburant au zirconium en présence de l’oxydant au perchlorate de potassium, produisant suffisamment de chaleur et de pression pour déclencher les explosifs dans le NSD.

Construit par l’ESA Rosalinde Franklin est susceptible d’avoir des dispositifs pyrotechniques similaires, qui auront des caractéristiques de stockage similaires. Des études sur les effets de la chaleur et de l’humidité sur les initiateurs à base de ZPP montrent que, bien que généralement stables, l’humidité joue un rôle majeur dans la dégradation des performances de l’initiateur, principalement en dégradant le liant Viton et en permettant l’accès au carburant et à l’oxydant à l’eau atmosphérique. Le résultat de tout cela est que, comme à peu près tout le reste, les pièces pyrotechniques sont mieux stockées dans un endroit frais et sec.

Lubrifiants

La plupart des engins spatiaux, même ceux qui ne sont jamais destinés à se poser sur un corps planétaire, ont au moins quelques joints mécaniques, pour déployer toutes les antennes, panneaux solaires et capteurs qui doivent être repliés pour que la machine puisse tenir dans son carénage de lancement. Les rovers ont des ordres de grandeur plus complexes sur le plan mécanique que les engins orbitaux et sont jonchés de joints de tous les types imaginables. Et tous ces joints nécessitent une gamme de lubrifiants, qui sont tous sujets à dégradation lors d’un stockage prolongé.

Le stockage peut nuire : Galilée avec son antenne à gain élevé sans lubrifiant. Source : Nasa

La perte de performance des lubrifiants sur les engins spatiaux entreposés n’est pas une blague et a presque coûté à la NASA le Galilée mission de survol de Jupiter dans les années 1990. Galilée avait été stocké pendant quatre ans et demi avant son lancement, en partie grâce à la Challenger catastrophe. Au moment où le déploiement de l’antenne a été tenté pendant le transit vers Jupiter, les lubrifiants destinés à assurer une libération en douceur des nervures de l’antenne étaient en place depuis plus d’une décennie et étaient gravement dégradés. Cela a laissé l’antenne partiellement déployée et a eu un impact considérable sur le débit de données.

À la suite de cet accident, les effets du stockage avant vol sur les lubrifiants critiques ont été largement étudiés, la conclusion étant que les graisses au bisulfure de molybdène sont mieux stockées dans des conditions «d’azote sec», avec l’exercice occasionnel de mécanismes critiques pour assurer que les graisses ne se stratifient pas ou que leur huile de base soit séparée du savon utilisé pour les épaissir. Les ingénieurs doivent également faire attention aux joints et autres composants non métalliques en contact avec les lubrifiants, qui peuvent absorber une quantité importante d’huile de base et épaissir le réservoir de graisse jusqu’au point de rupture éventuelle du joint.

Bien que ce soient les points forts, il y a de fortes chances qu’une mission aussi complexe qu’ExoMars ait mille autres détails qui devront être pris en compte afin de s’assurer que Rosalinde Franklin et Kazachok sont maintenus en bon état et prêts à voler, espérons-le lors de la prochaine fenêtre de lancement.