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Hayabusa - Muses-C
par Catherine Ledent
publié le 5 mars 2005


Hayabusa (Muses-C) est une mission japonaise ayant pour but l'étude et le prélèvement d'échantillons d'un astéroïde. La sonde fut baptisée « Hayabusa » (faucon en japonais) après son lancement à bord d'une fusée M-V. Son ancien nom, Muses-C, provient de la contraction de « Mu Space Engineering Spacecraft » et C signifie qu'Hayabusa est la troisième mission de la série.

Hayabusa fut lancée le 9 mai 2003 et se dirige actuellement vers l'astéroïde 1998SF36 ou « Itokawa » (d'après le nom du Dr. Hideo Itokawa, un des fondateurs du programme spatial japonais). La sonde restera pendant quelques mois à proximité de l'astéroïde et y prélèvera des échantillons, avant de revenir sur Terre.

Jusqu'à présent, la Lune est le seul corps céleste extraterrestre duquel nous avons pu prélever des échantillons. Cependant, la matière qui constitue la Lune a évolué avec le temps et les échantillons prélevés ne permettent pas de déterminer quel était l'état primitif de la Terre, au début de l'existence du Système Solaire. Les astéroïdes, par contre, de par leur petite taille, auraient gardé leur état primitif. Un échantillon provenant de la surface d'un astéroïde peut donc nous apporter des informations essentielles concernant les matériaux de base qui constituent les planètes. En outre, ces informations pourraient être utiles dans le cas où un astéroïde menacerait d'entrer en collision avec la Terre. Elles pourraient nous permettre de trouver un moyen de détruire la menace pesant sur notre planète. Enfin, cette mission nous permettra de déterminer si les astéroïdes constituent ou non des réserves utiles de matières premières que nous pourrions exploiter dans le cadre de missions d'exploration de l'espace lointain.

Masse : 530 kg (dont 50 kg de carburant et 65 kg de xénon)
Développement : JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)
Date de lancement : 9 mai 2003
Lieu de lancement : Centre spatial de Kagoshima près de la ville d'Uchinoura, dans le sud du Japon
Lanceur : Fusée M-V

Objectifs
Tester le nouveau moteur dont est dotée Hayabusa : un moteur à ions. Ce type de moteur étant très efficace, il sera probablement utilisé pour les missions futures d'exploration de l'espace. Un des objectifs d'Hayabusa est donc de démontrer l'efficacité de cette technologie.

Tester le système de navigation autonome qui permet à la sonde d'approcher un astéroïde lointain sans devoir être guidée par un être humain.

Hayabusa va non seulement prélever des échantillons de l'astéroïde mais également étudier celui-ci à l'aide de nombreux appareils scientifiques.

Lors du retour de la sonde, une capsule contenant un échantillon de la surface de l'astéroïde se séparera de la sonde et plongera dans l'atmosphère terrestre. Ceci constitue également une expérience importante pour l'ingénierie spatiale.

L'objectif principal de cette mission est donc de tester les technologies de pointe requises pour le prélèvement et le retour sur Terre d'échantillons extraterrestres.

Lanceur
Hayabusa fut lancée par une fusée M-V à partir du centre spatial Kagoshima près d'Uchinoura. L'agence japonaise a lancé de nombreux engins spatiaux à l'aide de fusées Mu qui ont été développées pour mettre des satellites scientifiques en orbite et ont été engagées dans des missions d'observations de l'espace incluant, entre autres, l'étude des supernovae, des aurores boréales et de la comète de Halley.

Les fusées M-V sont, parmi les fusées japonaises Mu, la génération qui a succédé aux fusées M-3SII. Les fusées M-V permettent non seulement de lancer des satellites qui étudieront les émissions X des corps célestes, la physique des plasmas, etc., mais également de contribuer aux missions scientifiques ayant pour but l'exploration du Système Solaire.

Déroulement prévu de la mission
La sonde Hayabusa, lancée le 9 mai 2003, se dirige vers l'astéroïde Itokawa et l'atteindra durant l'été 2005. L'astéroïde Itokawa fait partie de la famille des géocroiseurs, ceux des astéroïdes qui présentent le plus de risques car leurs trajectoires les amènent à couper celle de la Terre. Les scientifiques estiment que les dimensions d'Itokawa sont d'approximativement 0,3 x 0,7 kilomètres.

Le 19 mai 2004, la sonde est passée près de la Terre. Elle a utilisé l'attraction gravitationnelle de celle-ci pour se placer sur une nouvelle orbite elliptique la menant vers Itokawa. Lors de son passage à proximité de notre planète, Hayabusa a testé son système de navigation optique (ONC et LIDAR) qui lui permet de calculer sa position relative par rapport à un corps céleste. Les photos de la Terre et de la Lune prises par la sonde sont disponibles sur :
JAXA (1)
(ou JAXA (2))

La sonde atteindra son objectif durant l'été 2005. Une fois sur place, Hayabusa ne se mettra pas en orbite autour de l'astéroïde mais parcourra une orbite héliocentrique proche de celui-ci. Dans un premier temps, Hayabusa restera à plus de dix kilomètres de l'astéroïde et effectuera de nombreuses observations scientifiques (dont des mesures du champ gravitationnel, de la topographie…). Ces informations, intéressantes en elles-mêmes, vont également servir à repérer les sites adéquats pour le prélèvement d'échantillons.
Dans un deuxième temps, la sonde se rapprochera doucement de l'astéroïde afin d'y prélever quelques échantillons. Ceux-ci, prélevés en trois endroits différents, pèseront approximativement 1 gramme au total.
Un rover fourni par la NASA devait initialement être déposé sur l'astéroïde. Ce projet a cependant été annulé suite à des restrictions budgétaires. Un autre robot, appelé Minerva et développé par la JAXA, sera lâché sur l'astéroïde afin d'en étudier la surface. Toutes les opérations effectuées sur Itokawa doivent tenir compte de la gravité extrêmement faible régnant autour de celui-ci.

Finalement, après avoir passé quelques mois supplémentaires à étudier Itokawa, la sonde redémarrera ses moteurs afin de revenir vers la Terre qu'elle atteindra durant l'été 2007. La capsule contenant les échantillons se séparera de la sonde à une distance de plus de 200 000 kilomètres de la Terre et rentrera dans l'atmosphère terrestre, encaissant une chaleur extrême (3000°C) et des décélérations brutales. Un parachute freinera la chute de la capsule.

Coût de la mission
Le coût de la sonde Hayabusa est d'approximativement 12 milliards de yens.

Caractéristiques techniques
Description de la sonde
La sonde Hayabusa a la forme d'une boîte de 1,5 mètre de largeur comme de longueur et de 1,05 mètre de haut. Son poids lors du lancement était de 530 kg, dont 50 kg de carburant et 65 kg de gaz xénon. Deux panneaux solaires d'une aire totale de 12 mètres carrés se déploient de chaque côté de la sonde et une antenne parabolique de haut gain, de 1,5 mètre de diamètre, est fixée sur le dessus.

Hayabusa est propulsée pendant les phases de mouvement par deux moteurs ioniques. Ce type de moteur fonctionne schématiquement de la manière suivante : dans le moteur ionique, le xénon est ionisé par micro-ondes, puis les ions sont accélérés dans un champ électrique intense. Enfin, les ions sont éjectés par la tuyère fournissant une poussée maximale de 20 mN.

La sonde est dotée d'un autre système de propulsion, fonctionnant au tétroxyde d'azote/hydrazine, qui fournit la poussée supplémentaire de 22 N nécessaire pour les manœuvres.

L'énergie de la sonde est fournie par des cellules solaires en arséniure de gallium et par une batterie rechargeable en nickel-métal hybride (Ni-MH) de 15 ampères heures.

Les communications seront assurées grâce à deux antennes de bas gain et grâce à l'antenne parabolique, avec une puissance transmise de 20 W.

La capsule qui contiendra les échantillons mesure 40 cm de diamètre et 25 cm de profondeur avec une masse d'environ 20 kg. Elle est attachée sur la sonde à côté du cornet qui permettra le prélèvement des échantillons. La capsule a un nez convexe recouvert d'un bouclier thermique de 3 centimètres d'épaisseur pour protéger son contenu lors de la rentrée dans l'atmosphère terrestre à une vitesse de 12 km/s.

Propulsion électrique
Comme cité dans les objectifs de la mission, Hayabusa est dotée de moteurs ioniques. On appelle également ce mode de propulsion "propulsion électrique". Comparés aux moteurs chimiques conventionnels (combustion de carburant), les moteurs à propulsion électrique sont connus pour leur rendement plus important. Par contre, la poussée fournie étant relativement faible, les moteurs à propulsion électrique doivent donc fonctionner, de manière continue, plus longtemps pour effectuer les mêmes manœuvres orbitales que les moteurs conventionnels. Quoi qu'il en soit, les moteurs à propulsion électrique fournissent un tel rendement qu'ils seront probablement utilisés pour les missions futures d'exploration de l'espace.

Approche de l'astéroïde
Après la phase d'étude de l'astéroïde, la sonde s'approchera de celui-ci en mode automatique. En effet, les liaisons radio avec la Terre prendront plusieurs minutes aller-retour. Même si la station de contrôle sur Terre ne peut manœuvrer la sonde, elle peut lui ordonner de suspendre la descente en cas de danger. A 100 mètres d'altitude environ, la sonde enverra un repère (Target Marker) de 10 cm sur l'astéroïde qui, en réfléchissant un rayon lumineux envoyé par Hayabusa, lui permettra de calculer plus précisément la distance la séparant du « sol ». Une fois que la sonde sera suffisamment proche de la surface, elle arrêtera son moteur afin de ne pas la contaminer. Le reste de la descente se fera en « chute » libre (la gravité étant faible, de l'ordre de 1/100 000 de celle régnant sur Terre).

Prélèvement d'échantillons
L'astéroïde Itokawa est si petit et sa gravité est si faible que la sonde ne va pas vraiment atterrir… Elle va plutôt « accoster ». A priori, nous ne savons pas de quoi est constitué l'astéroïde. De même, nous ignorons si sa surface est faite de roche dure ou de sable fin … Toute pression ou force qu'on appliquerait à l'astéroïde, afin d'en creuser la surface, propulserait la sonde dans l'espace. Une autre méthode a été développée afin d'en prélever des échantillons : détruire la surface à distance. Comme mentionné plus haut, la sonde est dotée d'un cornet de 40 centimètres de diamètre à son extrémité. Dès que ce cornet de prélèvement touchera le sol, un projectile de quelques grammes sera tiré à une vitesse de 300 m/s. L'impact de ce projectile avec la surface provoquera l'émission de fragments et de poussières qui seront récupérés et transférés dans une capsule via le cornet. Les scientifiques espèrent récupérer approximativement 1 gramme de poussières, provenant de 3 endroits différents. Le temps de contact sur l'astéroïde est estimé à 1 seconde par prélèvement.

Notons que cette méthode de prélèvement d'échantillons est à l'origine du surnom donné à la sonde. En effet, un faucon (Hayabusa) plonge sur sa proie, l'attrape dans ses serres et reprend son envol sans atterrir.

Etude de la surface de l'astéroïde
Le robot japonais Minerva, accroché à la sonde Hayabusa, atterrira sur l'astéroïde afin d'en étudier la surface. Se mouvoir sur des roues, à la surface d'un corps, nécessite un minimum de gravité. Celle-ci étant insuffisante sur Itokawa, un autre mode de déplacement a dû être développé. Le robot se déplacera en bondissant comme l'illustre l'animation disponible sur le site de la JAXA.

Minerva prendra des photos de la surface d'Itokawa et mesurera sa température.

Instruments scientifiques
ONC – Optical Navigation Camera & LIDAR – Light Detection And Ranging
Ce système est utilisé pour faire de l'imagerie, pour des mesures de polarimétrie et enfin, pour la navigation, lors du processus d'approche de l'astéroïde. Il permet, en effet, de calculer une position relative à un astéroïde (ou à un corps céleste en général) en utilisant la détection et télémétrie par la lumière (LIDAR : Light Detection And Ranging).

X-Ray Fluorescence Spectrometer
Ce spectromètre a été conçu pour étudier les rayons X émis par l'astéroïde. Il permettra d'en identifier les constituants chimiques principaux.

Near-IR Spectrometer
Cet appareil fonctionne dans le proche infrarouge (longueurs d'onde de 800 à 2500 nm). Il peut détecter les différents matériaux qui composent la surface de l'astéroïde.

STT – Star Tracker
Cet instrument permet de déterminer avec précision la position d'une sonde dans l'espace en observant et en identifiant la position des étoiles. Il est composé de deux parties : un appareil photo digital et un ordinateur.

FBS - Fan Beam Sensor
Ce capteur de faisceau électromagnétique sert à détecter d'éventuels obstacles sur le site d'atterrissage de la sonde.

LRF – Laser Range Finder
Lorsque que le cornet de prélèvement touchera la surface de l'astéroïde, sa longueur en sera légèrement modifiée. Ce capteur LRF détectera cette variation et déclenchera l'envoi du projectile à travers le cornet.






Sources :

http://www.isas.jaxa.jp/e/enterp/missions/hayabusa/index.shtml
Japan Aerospace Exploration Agency

http://www.jaxa.jp (1)
Japan Aerospace Exploration Agency

http://www.jaxa.jp (2)
Japan Aerospace Exploration Agency

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/database/MasterCatalog?sc=2003-019A
National Space Science Data Center

http://planetary.org/news/2004/hayabusa_earth-swingby_preview.html
The Planetary Society

http://www.jaxa.jp/missions/projects/rockets/m_v/index_e.html
Page de la JAXA sur les fusées M-V

http://www.spacedaily.com/news/asteroid-04b.html
Space Daily : informations sur Itokawa

http://www-curator.jsc.nasa.gov/curator/muses-c/
NASA : mission overview

http://www.spacenewsfeed.co.uk/2004/23May2004_11.html
Space Newsfeed : Hayabusa Earth Swing-by

http://jcboulay.free.fr
Page sur les astéroïdes




Vue d'artiste de la sonde Hayabusa. Source : JAXA




Prototype du cornet de prélèvement. Source : JAXA




Méthode de prélèvement des échantillons sur Itokawa. Source : NASA



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