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SMART-1
par Nicolas Rosseels
publié le 18 octobre 2004, mis à jour le 14 mars 2005


SMART-1 (Small Missions for Advanced Research in Technology 1) est une sonde orbitale lunaire. C’est la première mission européenne à destination de la Lune. Bien qu’il s’agisse aussi d’une mission scientifique, SMART-1 est avant tout une mission technologique. Elle doit tester différentes innovations technologiques qui pourront servir pour d’autres missions plus lointaines.

Son objectif principal est de tester un nouveau système de propulsion, la propulsion ionique. La mission doit démontrer qu’avec un moteur ionique il est possible pour une sonde de vaincre l’attraction terrestre pour ensuite se satelliser autour de la Lune. De nouvelles méthodes de communications sont également testées lors de cette mission.

La sonde a également de nombreux objectifs scientifiques. Bien que la Lune ait été la cible de plusieurs missions, principalement dans les années 1960 et au début des années 1970, elle est encore largement inconnue. SMART-1 devrait apporter des éléments permettant de mieux comprendre la formation et l’évolution de la Lune.

SMART-1 est la première sonde du programme Small Missions for Advanced Research in Technology de l'Agence Spatiale Européenne (ESA). Les missions de ce programme auront toutes pour objectif de tester de nouvelles technologies qui pourront ensuite être utilisées lors de missions plus importantes.

En septembre 2004, SMART-1 a fêté son premier anniversaire dans l'espace. Après un an de navigation, une partie importante de la première partie de la mission est déjà un succès. Le moteur ionique se comporte très bien. En un an, la sonde a parcouru 78 millions de kilomètres et son moteur a fonctionné 3300 heures avec seulement 52 kg de carburant. Les systèmes de communication sur des ondes de haute fréquence semblent également fonctionner comme prévu.


Masse: 367 kg (dont 82 kg de carburant)
Développement: ESA
Programme: Small Missions for Advanced Research in Technology
Date de lancement: 27 septembre 2003
Lieu de lancement: Kourou (Guyane Française)
Lanceur: Ariane 5G - Vol 162


Objectifs

Objectifs pour le trajet Terre-Lune
- Tester un système de navigation qui permettra à de futures sondes de voyager de manière autonome dans le Système Solaire.
- Tenter de communiquer avec la Terre en utilisant un rayon laser plutôt que des ondes radio.
- Surveiller en permanence les performances du moteur ionique

Objectifs en orbite autour de la Lune
- Étudier la théorie selon laquelle la Lune serait issue d'une collision entre la Terre et un autre objet de la taille de la planète Mars.
- Étudier les processus de formation d'astres rocheux, leur volcanisme, leur tectonique et leur géochimie.
- Faire une étude chronologique du bombardement du système Terre-Lune par des astéroïdes et des comètes.
- Identifier des sites d'atterrissage potentiels pour de futures missions.
- Chercher des signes d'eau sous forme de glace dans les cratères proches des pôles de la Lune.


Dimensions

En excluant les panneaux solaires, la sonde est un cube d'un mètre de côté. Une fois les panneaux solaires déployés, SMART-1 a une envergure de 14 mètres.


Coût

SMART-1 devrait coûter environ 110 millions d'euros. Ce coût inclut le lancement, la sonde, la charge scientifique et les opérations au sol pendant la mission.


Trajectoire

SMART-1 a été lancée depuis Kourou en Guyane Française le 27 septembre 2003 à bord d'une fusée Ariane 5 (Vol 162).

La trajectoire de SMART-1 vers la Lune n'est pas directe. La sonde a d'abord été placée sur une orbite elliptique autour de la Terre par le lanceur Ariane 5. Elle a, ensuite, allumé son moteur ionique à certains moments précis pour agrandir progressivement l'orbite et se rapprocher de la Lune en suivant une spirale. Lors des 2-3 premiers mois, la sonde a traversé les ceintures de radiations qui entourent la Terre (ceintures de Van Allen). Lors de la conception de la sonde, il a fallu renforcer les instruments pour qu'ils puissent traverser ces ceintures sans problème.

En novembre 2004, SMART-1 est arrivée à une importante étape de son voyage. La sonde est passée par le point de Lagrange L1 (point où les forces gravitationnelles de la Terre et de la Lune s'équilibrent). Elle a alors pu être capturée par la gravité de la Lune et commencer à orbiter sur une orbite elliptique autour de la Lune plutôt qu'autour de la Terre. Cette orbite passait au-dessus des pôles Nord et Sud de la Lune avec une altitude allant de 300 kilomètres à 10.000 kilomètres au-dessus de la surface lunaire. Le moteur ionique a alors été utilisé pour réduire la taille de l'orbite et permettre à SMART-1 de passer de plus en plus près de la Lune.

Le trajet jusqu'à la Lune aura pris 16 mois environ.

L'orbite finale de SMART-1 devrait être une orbite polaire de 300 kilomètres d'altitude au point le plus proche de la Lune et de 3000 kilomètres au point le plus éloigné.


Caractéristiques techniques


Alimentation électrique
SMART-1 est équipée de deux panneaux solaires qui fournissent une puissance de 1900 Watts. Cette puissance est largement supérieure à ce qu’on rencontre habituellement sur les sondes de ce type (la puissance électrique générée par les panneaux solaires de Mars Express est de 650 Watts et de 400 Watts pour Rosetta). Contrairement à ces autres sondes, l’énergie électrique ne sert pas uniquement aux instruments mais aussi pour la propulsion. Environ 75% de l’énergie produite par les panneaux solaires sont destinés au système de propulsion.


Propulsion ionique
SMART-1 est propulsée à l’aide d’un moteur ionique fonctionnant avec du xénon. Ces moteurs ont, en théorie, un rendement 10 fois plus élevé que les systèmes de propulsion classiques. Ils fournissent, cependant, une poussée beaucoup plus faible que les moteurs chimiques (le moteur de SMART-1 fournit une poussée de 0,07 Newton ; à titre de comparaison, le moteur chimique de Mars Global Surveyor fournit plus de 500 Newtons).

Dans un moteur ionique, le carburant n'est pas brûlé comme dans un moteur chimique. Les particules de gaz chargées électriquement sont accélérées par un champ électrique avant d'être expulsées de la sonde. Ce faisceau de gaz éjecté donne une accélération lente mais continue sur de longues périodes.

Grâce à l'utilisation de l'énergie électrique en plus du carburant, les moteurs ioniques consomment beaucoup moins celui-ci que les moteurs chimiques. Ils peuvent donc être utilisés beaucoup plus longtemps avec une quantité de carburant moindre. L’énergie électrique pour le moteur ionique de SMART-1 est générée par les panneaux solaires (on parle alors de propulsion hélio-électrique).

Dans le cas de SMART-1, l’utilisation de la propulsion ionique n’était pas indispensable. Elle a été choisie afin de démontrer que cette méthode de propulsion peut être utilisée pour des missions plus lointaines. L’utilisation de ce type de propulsion permettrait de diminuer la taille et le coût des systèmes de propulsion tout en diminuant également la quantité de carburant nécessaire.


Communications
SMART-1 doit tester de nouvelles techniques de communications avec la Terre.

La sonde peut notamment communiquer à l’aide d’un rayon laser pointé sur une station de réception dans les Iles Canaries. L’ESA avait déjà utilisé cette technique pour communiquer avec des satellites en orbite autour de la Terre. La difficulté ici est de pouvoir diriger le rayon vers la station de réception de manière précise alors que la sonde est beaucoup plus éloignée de la Terre. A l’aide de photos prises par un des instruments (AMIE), la sonde peut déterminer la position des Iles Canaries et pointer son rayon laser.

La sonde a également montré qu’il était possible de communiquer sur des fréquences beaucoup plus élevées que les fréquences utilisées habituellement.


Instruments

AMIE - Asteroid-Moon Micro-Imager Experiment
AMIE est un petit appareil photo capable de prendre des photos en couleurs. Cet instrument est sensible à la lumière visible et aux longueurs d'ondes proches de l'infrarouge. Il doit prendre des photos de la Lune, de la Terre et d'astéroïdes. Cet appareil est également capable de traiter les images automatiquement.
Développement : Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM), Neuchâtel, Suisse.

SIR - Infrared exploration of the lunar surface
SIR est un spectromètre infrarouge. Cet instrument fera une étude détaillée de la composition de la surface lunaire. Il établira une carte des minéraux présents. Il devrait entre autres apporter des informations sur la formation des cratères.
Développement : Max Planck Institute für Aeronomie, Allemagne.

D-CIXS - Demonstration of a Compact Imaging X-ray Spectrometer
Ce spectromètre à rayons X doit identifier les principaux éléments chimiques qui composent la surface de la Lune. Ses observations devraient permettre de confirmer les théories de l'évolution de la surface lunaire. Elles pourraient également apporter de nouveaux indices pour expliquer l'origine de la Lune. Cet instrument doit servir de test pour un instrument semblable qui pourra étudier la surface de Mercure.
Développement : Rutherford Appleton Laboratory, Royaume-Uni.

XSM - X-ray Solar Monitor
XSM surveille les rayons X émis par le Soleil (afin, notamment, que ceux-ci ne perturbent pas les observations du D-CIXS). Cet instrument a commencé ses observations lors du trajet vers la Lune.
Développement : University of Helsinki Observatory, Finlande.

SPEDE - Spacecraft Potential, Electron and Dust Experiment
Les deux capteurs électriques du SPEDE sont montés sur deux bras de 60 centimètres. Ils surveillent les effets du moteur ionique sur la sonde. Ces deux capteurs peuvent également mesurer le champ magnétique associé au vent solaire. Cet instrument permettra d'étudier comment les vents solaires affectent la Lune.
Développement : Finnish Meteorological Institute Helsinki, Finlande.

KaTE - X/Ka-band Telemetry and Telecommand Experiment
En utilisant des récepteurs extrêmement sensibles, KaTE teste un nouveau moyen de communication radio. Il démontre qu'il est possible, lors de missions spatiales, d'utiliser des fréquences dans la bande X (8 GHz) et dans la bande Ka (32-34 GHz) pour les communications entre la sonde et la Terre. Cet instrument permet également de tester de nouvelles techniques d'encodage plus rapides et de valider les infrastructures terrestres nécessaires pour recevoir de tels signaux.
Développement : ESA et Astrium GmbH, Allemagne.

RSIS - Radio Science Investigations with SMART-1
Grâce à l'effet Doppler, le RSIS analyse comment la vitesse déforme les longueurs d'ondes d'impulsions d'ondes radio. Il utilise pour cela l'émetteur à très haute fréquence de KaTE. Il étudiera également de manière très précise les petites oscillations de la Lune. Ce sera la première fois qu'un instrument réalisera une telle expérience depuis une sonde en orbite. Les résultats serviront à des missions futures telles que BepiColombo qui étudiera la Théorie de la Relativité d'Einstein.
Développement : Université de Rome, Italie.

EPDP - Electric Propulsion Diagnostic Package
Cet instrument est composé d'une série de capteurs placés sur la surface de la sonde. Ils étudient les effets du moteur ionique sur SMART-1. Ces capteurs surveillent notamment la température extérieure de la sonde et les courants électriques qui pourraient être induits sur sa surface par la propulsion ionique.
Développement : ESA's Electric Propulsion Unit at ESTEC, Noordwijk, Pays-Bas.

OBAN - On-board Autonomous Navigation
Cet instrument utilise AMIE pour prendre des photographies de la Lune, de la Terre et d'astéroïdes afin de déterminer de manière exacte où la sonde se trouve dans l'espace. C'est la première étape nécessaire pour pouvoir concevoir une sonde qui naviguerait de manière autonome.
Développement : Guidance, Navigation and Control analyst at ESTEC, Noordwijk, Pays-Bas.




Vue d'artiste de SMART-1
ESA




Vue d'artiste du moteur ionique
ESA




Trajectoire de SMART-1
ESA




Capture de SMART-1 par la Lune
ESA




Cartographie de la Lune avec les instruments AMIE, SIR, D-CIXS
ESA




Communication laser avec la Terre
ESA




AMIE
ESA



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