L’atterrisseur SERIES-2

L’atterrisseur sur lequel est fixé la plateforme FSS est fourni par la société américaine Draper Laboratories et fabriqué par la société japonaise Ispace.

Il doit transporter différentes charges utiles scientifiques pour effectuer des mesures géophysiques sur la Lune : les sismomètres de la mission FSS, une foreuse pour permettre la mise en place de sondes de flux thermique et de conductivité électrique, et des instruments pour étudier le champ magnétique et l'altération de la surface. 

Le lancement depuis le centre spatial Kennedy aux États-Unis, à bord d'un lanceur Falcon 9, est prévu pour la première moitié de l’année 2026. Cet atterrisseur a la capacité d'amener 300 kg de charge utile sur la surface lunaire et de déployer des satellites relais en orbite pour les communications depuis la face cachée de la Lune.

Il a été spécialement conçu pour que les vibrations propres de la structure et des instruments à bord gênent le moins possible les mesures sismiques lunaires.

L’instrument FSS

Situé sur l’atterrisseur SERIES-2, l’instrument FSS comprend deux types de sismomètres : VBB (Very Broad Band) et SP (Short Period).

Ces instruments sont totalement autonomes et poursuivront les mesures sismiques de la Lune pendant au moins 4 mois, alors que l’atterrisseur sur lequel ils sont fixés sera éteint (il n’est pas prévu qu’il survive à une nuit lunaire).

L’ensemble Farside Seismic Suite (FSS) est contenu dans un cube d’environ 50 cm de côté pour une masse totale proche de 45 kg.

A l’extérieur se trouve un panneau solaire qui alimente un ensemble de batteries internes. Sur le sommet de la structure se trouve une antenne qui, pendant le jour lunaire, pourra communiquer avec deux nanosatellites, mis en orbite avant l’atterrissage et chargés des communications avec la Terre.

Pour survivre à la fois au jour lunaire, où la température peut monter de façon importante et à la nuit, où la température peut être très basse, FSS est constitué de deux cubes imbriqués l’un dans l’autre : un cube extérieur (ci-dessous à gauche) sur lequel sont montés le panneau solaire et l’antenne, et un cube intérieur (ci-dessous à droite), isolé thermiquement du cube extérieur, et dans lequel se trouve toute l’instrumentation.

La plaque supérieure (ci-dessus en marron) est un radiateur. Pendant le jour lunaire, une boucle fluide relie le cube intérieur au radiateur et permet d'évacuer les calories produites par l’instrumentation. Pendant la nuit lunaire, la circulation fluide est coupée et le cube intérieur est isolé thermiquement de l’extérieur. La consommation électrique des composants suffit à maintenir la température interne à un niveau acceptable pour les composants.

Le sismomètre VBB

Le sismomètre à très large bande, ou VBB (Very Broad Band), est le sismomètre le plus sensible jamais construit pour l'exploration spatiale. Il est capable de détecter un mouvement proche de la taille d’un seul atome d'hydrogène. Il mesure les mouvements verticaux du sol à l'aide d'un pendule et est accommodé dans un cylindre d'environ 14 centimètres de diamètre.

Il a été construit à l'origine comme instrument de remplacement (« flight spare ») pour la mission martienne InSight par le CNES, et a dû être adapté pour tenir compte des écarts d’environnement entre Mars et la Lune.
En premier lieu, Mars a une atmosphère, contrairement à la Lune. Sur Mars, il a donc fallu encapsuler l’instrument VBB dans une enceinte à vide hermétique pour que les mouvements du pendule ne soient pas amortis.

Sur la Lune, il n’y a pas d’atmosphère, mais le problème vient du régolithe, une poussière minérale extrêmement abrasive et électrostatique (donc collante).
L’enceinte de l’instrument lunaire a donc été conçue en conséquence. Un filtre (billes de titane frittées) a été placé au sommet de l’enceinte afin que l’air puisse s’en échapper mais que la poussière lunaire n’y pénètre pas. 

De plus, les instruments lunaires peuvent être affectés par les variations locales de champ magnétique (notamment lorsque la Lune passe dans la queue de la magnétosphère terrestre, une fois tous les mois). Il a donc fallu mettre en place un blindage magnétique autour de l’instrument.

Enfin, il a fallu légèrement modifier le pendule mécanique afin de tenir compte de l’écart entre gravité Martienne et Lunaire.

Les sismomètres SP

Les trois sismomètres Short Period (SP) sont des capteurs au design très semblable à ceux qui ont volé sur la mission martienne Insight. 

Ils ont une plage de fréquence de mesure plus large que le VBB tout en ayant des performances moindres. Les deux suites d’instrument sont donc très complémentaires.

Les SP sont, comme le VBB, des pendules mécaniques axiaux, mais d’une conception radicalement différente, puisqu’usinés dans une matrice de silicium.
Ils sont au nombre de trois, positionnés à 120° les uns des autres pour pouvoir avoir accès aux informations sur les ondes sismiques dans toutes les directions.

Les premiers sismomètres SP utilisés sur Mars pour la mission Insight avaient été fournis par l’Université d’Oxford et l’Imperial College de Londres. Pour FSS, les process ont été industrialisés. C’est désormais la société Kinemetrix qui les fournit.

Contexte

Depuis que les missions Apollo (1969 – 1972) ont déposé différents instruments scientifiques à la surface de la Lune, c’est confirmé : notre satellite naturel vibre !

 Les ondes sismiques qui traversent la Lune ont pour principales origines l’impact de météoroïdes ou les « craquements » induits par les forces de marée. Ces phénomènes permettent de mieux comprendre la structure interne de la Lune, son histoire et ses interactions avec la Terre.

Plusieurs sismomètres ont pu travailler en réseau (Apollo 14, 15 et 16), améliorant notablement la qualité des données sismiques transmises à la Terre. Ces données très précieuses sont toujours analysées aujourd’hui.
Malheureusement, tous ces sismomètres ont été déposés sur la face visible de la Lune, dans une région globalement centrée sur l’équateur, ne permettant pas d’étudier notre satellite à l’échelle globale.

L’instrument Farside Seismic Suite (FSS) a été développé au Jet Propulsion Laboratory (JPL) sous l’égide de la NASA dans le cadre du programme « Commercial Lunar Payload Services » (CLPS). Le CNES fournit le sismomètre VBB en collaboration avec l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP).

L’instrument FSS est composé de 2 sismomètres : un français VBB (Very Broad Band seismometer) et un anglais SP (Short Period). Il sera placé sur l’atterrisseur lunaire SERIES-2 dont la date de lancement est prévue mi-2026. 

L’atterrissage est prévu dans le cratère de Schrödinger (créé par un impact d’astéroïde) proche du pôle Sud, sur la face cachée de la Lune.

La mission FSS renverra les premières données sismiques de la Lune depuis que les sismomètres du programme Apollo ont été opérés il y a près de 50 ans. Il fournira en outre les premières mesures sismiques de la face cachée de la Lune.

Les objectifs de la mission FSS se divisent en 2 partie : les objectifs scientifiques et les objectifs d’exploration.

Objectifs scientifiques

Presque tous les séismes qui ont pu être localisés lors des missions Apollo semblent avoir pour origine la face visible de la Lune. 

Une question demeure : cette particularité est-elle due au fait que tous les sismomètres étaient placés du côté de la face visible de la Lune, l'atténuation des signaux ne permettant pas de détecter ceux générés du côté de la face cachée ? Ou y a-t-il une réelle asymétrie sismique entre les deux faces de la Lune ?

La mission FSS doit permettre de répondre à ces questions puisqu’elle sera posée dans le cratère d’impact de Schrödinger, sur la face cachée de la Lune.

En outre, sa sensibilité grandement améliorée par rapport aux instruments utilisés il y a un demi-siècle par les missions Apollo devrait permettre, cette fois-ci, de détecter des évènements sismiques en provenance de la face visible. FSS pourra ainsi mesurer l’atténuation des ondes sismiques dans le manteau lunaire et préciser les modèles de composition internes de la Lune.

Enfin, le cratère de Schrödinger est un immense bassin d’impact de plus de 300 km de diamètre, provoqué par la collision d’un corps d’environ 35 km de large. L’âge de cet impact a pu être estimé à 3,8 millions d’années. C’est donc un cratère assez récent. En outre, Schrödinger est un des rares endroits sur la Lune où ont pu être observées des traces d’activité volcaniques géologiquement récentes.

La mission FSS a aussi pour objectif d’étudier la manière dont ce gigantesque impact cosmique a pu transformer la structure de la croûte lunaire sous-jacente.

Objectifs d’exploration

Dans le contexte actuel de retour de l’Homme sur la Lune, il est important de connaître précisément l’environnement dans lequel ils seront amenés à évoluer et dans lequel il est d’ores et déjà prévu de construire des bases de vie pérennes. 

L’instrument FSS permettra d’évaluer deux des principaux risques à la présence humaine sur la Lune. 

FSS devra tout d’abord quantifier la fréquence et l’intensité des impacts de (micro)météoroïdes sur cette zone du pôle Sud.
Le 13 octobre 2014, le choc d’un micrométéoroïde sur l’orbiteur Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) lors d’une capture de la surface lunaire avait laissé une image zébrée et inexploitable, tant le satellite avait vibré sous un impact estimé plus tard à une vitesse de 7 km/s. Il est important de connaître le nombre et l’énergie de ces impacts pour évaluer les risques et améliorer les mesures de sécurité pour les humains et les infrastructures.

Composé de sismomètres, FSS aura bien sûr comme objectif d’évaluer aussi le risque sismique près du pôle Sud lunaire. Sur Terre, les séismes sont dus principalement à la tectonique des plaques. Rien de tel sur la Lune, où l’on continue d’étudier leur origine potentielle : 

• contraction de la croûte lunaire causée par son lent refroidissement,
• effets de marée de la Terre sur la Lune,
• séismes « thermiques » causés par les contraintes provenant des grands écarts de température sur cet astre entre le jour et la nuit…

Déroulé du projet

La technologie des deux sismomètres qui composent l’instrument Farside Seismic Suite a été développée à partir d’instruments conçus à l’origine pour l’atterrisseur martien InSight, qui a enregistré plus de 1 300 séismes martiens avant la fin de la mission en 2022. 

Ces instruments ont été adaptés pour fonctionner dans des conditions de gravité lunaire (moins de la moitié de celle de Mars) mais avec l’avantage, sur la Lune, de ne pas être perturbé par les vibrations et les perturbations causés par les vents martiens. C’est d’ailleurs pour cela que FSS n’aura pas besoin d’être déposé directement sur la surface de la Lune mais restera sur l’atterrisseur lunaire SERIES-2. Les vibrations sismiques seront directement transmises à l’instrument FSS par le châssis de l’engin.

Il n’est pas prévu que cet atterrisseur (sur lequel sera fixé FSS mais qui contient aussi d’autres expériences scientifiques) survive à la nuit lunaire de 2 semaines qui suivra son atterrissage. C’est pourquoi FSS dispose de tous les systèmes (panneau solaire, batteries, antenne communicant avec 2 nanosatellites en orbite…) pour pouvoir fonctionner en toute autonomie pendant au moins 3 à 4 mois après que l’atterrisseur soit éteint (avantage : plus aucun autre appareil n’émettra de vibrations parasites).

Organisation

La mission FSS, financée par la NASA, est sous responsabilité du JPL. Le CNES, avec l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), fournit le sismomètre VBB, envoyé au JPL pour qu’il soit intégré dans l’instrument FSS. En retour, les scientifiques français impliqués dans la mission bénéficient des données qui seront enregistrées tout au long du projet.

Les instruments de DragonFly

Cinq instruments sont embarqués à bord de Dragonfly :

• DragonCam : une suite de caméras pour la navigation et l’imagerie aérienne panoramique ou rapprochée des sites d’intérêts.
• DraGNS : un spectromètre gamma et neutron pour une reconnaissance rapide de la géochimie du site d’atterrissage (carbone, azote, hydrogène, oxygène, sodium, soufre ...)
• DraGMet : une station géophysique (sismomètres) et météorologique japonaise. Des chercheurs français font partie de l’équipe scientifique de DraGMet.
• DraMS : un analyseur de molécules organiques par spectrométrie de masse. Le CNES fournit le sous-système DraMS-GC (Gas Chromatography), de préparation et de séparation moléculaire par chromatographie en phase gazeuse.
• DrACO : un automate de prélèvement et de collecte d’échantillons de sol par abrasion et aspiration.

Les équipes françaises du LATMOS, LESIA et LGPM contribuent au développement de l’instrument clé de la mission, DraMS (Dragonfly Mass Spectrometer), un spectromètre de masse proposé par le Goddard Space Flight Center (GSFC). 

L’instrument dérive pour certains éléments du laboratoire d’analyse SAM (Sample Analysis at Mars) embarqué sur le rover Curiosity ainsi que des développements de l’instrument MOMA (Mars Organic Molecule Analyser) du rover ExoMars, deux analyseurs par spectrométrie de masse auxquels les laboratoires français ont également contribué.
La contribution instrumentale française concerne uniquement l’instrument DraMS. Elle est fondée sur des accords de coopération entre le CNES et la NASA.

DraMS est alimenté en échantillons de sol par le système de prélèvement DrACO. Pour l’analyse des échantillons solides, DraMS couple en amont du spectromètre de masse (MS), deux voies d’analyse :

• La première par désorption laser (LD-MS) pour l’étude de la composition des matériaux de surface, y compris les matières organiques réfractaires
• La seconde par chromatographie en phase gazeuse (GC-MS) pour séparer et identifier des molécules prébiotiques clés et mesurer d’éventuels excès enantiomériques, c’est-à-dire des formes miroir d’une même molécule (énantiomères droit et gauche).

Liens externes

Pour aller plus loin, voici des liens vers des sites externes que vous pouvez consulter :

• Page mission de DragonFly du APL
• Annonce de la mission par la NASA
• Page de la mission DragonFly sur le site la NASA
• Annonce de la mission par le CNRS

Contexte

Dragonfly, un drone spatial d’une demi-tonne, poursuivra l’exploration scientifique de la surface de Titan, une des lunes de Saturne, initiée le 14 janvier 2005 par l’atterrissage de la sonde européenne Huygens.

Le lancement est prévu en juillet 2028. Dragonfly arrivera sur Titan en 2034 et se posera dans le cratère de Selk, pour une exploitation nominale d’au moins deux ans et demi.

DragonFly est la quatrième mission New Frontiers de la NASA. Les trois premières étaient New Horizons avec un survol de Pluton en 2015, Juno en orbite autour de Jupiter depuis 2016 et Osiris-Rex autour de l’astéroïde Bennu en 2021 .

Objectifs de la mission Dragonfly

L’exploration de Titan doit pouvoir permettre de répondre aux questions fondamentales suivantes :

Pour aider à répondre à ces questions, la mission Dragonfly va mener les actions suivantes grâce à ses instruments embarqués :

• analyser les composants chimiques et les processus à l'œuvre qui produisent des composés biologiquement pertinents
• mesurer les conditions atmosphériques, identifier les réservoirs de méthane et déterminer les taux de transport
• contrôler les processus qui mélangent les matières organiques avec les anciens réservoirs d'eau liquide de surface ou les océans souterrains.
• rechercher des biosignatures
• rechercher des preuves chimiques d'une vie basée sur l'eau ou les hydrocarbures

L’intérêt scientifique de Titan pour la connaissance du système solaire et l’exobiologie n’est plus à démontrer, surtout depuis la moisson de données collectées par la mission Cassini/Huygens (2004-2017). La descente de la sonde européenne Huygens dans les brumes très opaques entourant Titan a révélé des paysages finalement assez différents de ceux observés sur d’autres satellites du système solaire : la surface de Titan est peu cratérisée, ses reliefs sont modérés, et la glace d’eau semble en être presque absente. 

Des océans d’hydrocarbures

Titan est un corps actif avec un cycle d’hydrocarbures comparable à celui de l’eau sur Terre. Les réactions photochimiques en haute atmosphère entre le diazote et le méthane seraient à l’origine de molécules organiques variées, présentes sous formes d’aérosols ou de phases condensées à la surface de Titan. Ces processus de synthèse pourraient également produire des espèces chimiques clefs pour l’élaboration de formes de vie. C’est tout l’enjeu de la campagne d’exploration de Titan que mènera DragonFly.

Grâce à sa grande mobilité, Dragonfly aura la possibilité d’explorer des dizaines de sites, dont 12 ont déjà été présélectionnés pour un trajet de 175 km. L’atterrissage se fera sur le sol entre les dunes équatoriales de Shangri-La, près du cratère d’impact Selk. Les autres cibles d’exploration incluent des cratères d’impacts, des cryovolcans et des dunes, mais aucun lac ou rivière.

Voler dans une autre atmosphère

La possibilité de réaliser des vols autonomes dans une atmosphère autre que celle de la Terre a été confirmée en 2021 sur Mars par l’hélicoptère Ingenuity, compagnon du rover Perseverance. Quant au choix d’utiliser un aérodyne sur Titan, il est rendu possible par plusieurs facteurs : la faible pesanteur (1,35 m/s2 soit 14% de celle de la Terre), une atmosphère dense et une pression atmosphérique élevée (1,5 bar). 

Les performances maximales du drone dans cet environnement sont une vitesse de 36 km/h et une altitude plafond de 4 km. Pour les atteindre malgré ses presque 900 kg, il est pourvu d’une pile nucléaire MMRTG (Multi Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) et de 8 rotors d’1 m de diamètre placés par paires à chaque coin de la structure.

Déroulé du projet

Le projet Dragonfly a été initié en 2019 par la NASA. En 2022, un accord de coopération  a été signé entre la NASA et le CNES pour la mission DragonFly.

Dragonfly devrait embarquer en 2028 à bord du lanceur Falcon Heavy de SpaceX, dont le choix a été confirmé en novembre 2024. 

Pour arriver jusqu’à Titan, une seule assistance gravitationnelle de la Terre est prévue.

Organisation

Dragonfly est une mission de la NASA proposée par le Applied Physics Laboratory (APL) de la John Hopkins University (JHU). 
Le développement de l’instrument DraMS est sous la responsabilité du NASA GSFC (Goddard Space Flight Center).

Le chromatographe en phase gazeuse DraMS-GC, sous-système de DraMS, est fourni par la France. Le CNES est responsable de cette fourniture, développée sous maitrise d’œuvre du LATMOS sous la responsabilité de l’investigatrice principale, Caroline Freissinet.

Acronymes des partenaires

LATMOS : Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales, UMR CNRS 8190
LPGM : Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux, EA 4032
GSFC : Goddard Space Flight Center
APL : Applied Physics Laboratory - Johns Hopkins University

Le système Argos

Le système Argos est composé de :

• balises Argos qui émettent des signaux vers les satellites
• satellites équipés d'instruments pour recevoir les émissions des balises
• stations de réception au sol des signaux collectés par les satellites
• deux centres de traitement mondiaux qui traitent et redistribuent les données collectées vers les utilisateurs.

Le principe de fonctionnement du système Argos est le suivant :

• Environ 14 000 balises fonctionnent dans le monde. Chaque balise, alimentée par piles ou par énergie solaire, envoie à intervalle régulier des données aux instruments Argos embarqués sur neuf satellites.
• Les informations collectées par les satellites sont ensuite renvoyées à une soixantaine de stations de réception au sol.
• Les stations de réception transmettent à leur tour les informations collectées à deux centres de traitement mondiaux.
• Situés à Toulouse (France) et à Wood Hole (États-Unis), ces centres analysent ces données et les livrent aux utilisateurs (communauté scientifique, gouvernements, industriels...).

Les balises Argos

Les balises sont des équipements intégrant un émetteur certifié Argos. Chaque balise est caractérisée par un numéro d'identification qui est propre à son électronique de transmission. Une balise émet périodiquement un message caractérisé par les paramètres suivants :

• la fréquence d'émission (autour de 401.650 MHz), qui doit être stable, car le calcul de la localisation est basé sur la mesure de l'effet Doppler
• ka période de répétition est l'intervalle de temps entre deux envois de message consécutifs. Elle varie de 90 à 200 secondes selon l'utilisation de la balise
• le numéro d'identification de la balise
• les données transmises
• la durée de transmission de chaque message est inférieure à une seconde

A l'heure actuelle, neuf satellites sont équipés d'instruments Argos pour recevoir les signaux émis par les balises. Les messages Argos sont reçus par le satellite puis sont simultanément :

• stockés sur l'enregistreur embarqué du satellite, et retransmis vers le sol chaque fois qu'il passe au-dessus d’une des stations de réception à haute latitude (vidage des données reçues tout au long de l’orbite)
• retransmis en temps réel vers le sol, et peuvent être ainsi reçus par les stations de réception du réseau Argos en bande-L en visibilité du satellite.

Les satellites impliqués dans le système Argos

Les satellites décrivent une orbite polaire entre 650 et 850 km d'altitude (500 km pour ANGELS) : ils passent au-dessus des pôles Nord et Sud à chaque révolution. Les plans d'orbites tournent autour de l'axe des pôles à la même vitesse que la Terre autour du Soleil. Chaque satellite voit simultanément et à tout moment toutes les balises situées à l'intérieur d'un cercle d'un diamètre de 5 000 km. Avec le déplacement du satellite, la trace au sol de ce cercle forme une bande de 5 000 km de large qui s'enroule autour de la Terre en passant par les pôles Nord et Sud.

Les satellites actuellement équipés pour recevoir les signaux des balises Argos sont les suivants :

• NOAA-15, lancé le 13 mai 1998, équipé d'un instrument Argos-2
• NOAA-18, lancé le 20 mai 2005, équipé d'un instrument Argos-2
• NOAA-19, lancé le 6 février 2009, équipé d'un instrument Argos-3
• METOP-B, lancé le 17 septembre 2012, équipé d'un instrument Argos-3
• SARAL, lancé le 25 février 2013, équipé d'un instrument Argos-3
• METOP-C, lancé le 7 novembre 2018, équipé d’un instrument Argos-3
• Angels, lancé le 18 décembre 2019 – fin de la mission le 18 décembre 2024, équipé d’un instrument Argos-Néo
• GAzelle, lancé le 7 octobre 2022, équipé d’un instrument Argos-4
• OceanSat-3/EOS-6 lancé le 26 novembre 2022, équipé d’un instrument Argos-4

Les prochains instruments de quatrième génération (Argos-4) seront lancés via les satellites MetOp-SG 1B et MetOp-SG 2B (EUMETSAT) fin 2025 et 2030. Ces instruments offrent des performances accrues grâce notamment à des bandes de fréquence largement étendues et une augmentation significative de la capacité de traitement.

L’instrument Argos-Néo

En parallèle, a été développé un modèle miniaturisé de l’instrument Argos-4, appelé Argos-Néo, qui dans un premier temps ne comprendra que la partie récepteur/processeur (pas d’émetteur donc) et sans faire de haut-débit (traitement limité aux balises de 124 et 400 bits/sec).

Cette miniaturisation permettra un gain proche de 10 en volume et masse et supérieur à 3 en termes de puissance consommée. Un modèle de vol  Argos-Néo a été lancé sur le nanosatellite ANGELS (de taille 12U) le 18 décembre 2019, il est le précurseur de la constellation Kineis dont 20 nanosatellites (sur les 25 prévus) volent depuis 2024.

Stations de réception Argos

Près de 60 stations reçoivent les données envoyées par les satellites en temps réel et les retransmettent vers des centres de traitement.

Ces stations sont divisées en deux catégories :

• Pour le mode dit régional, un réseau de stations en bande-L couvrant une grande partie du globe terrestre et recevant en temps réel les données provenant des balises qui sont reçues par le satellite lorsque celui-ci est en visibilité de la station. Ce réseau permet d'accélérer l'acheminement des données reçues à bord vers les utilisateurs mais n'assure pas une couverture totale du globe.
• Pour le mode dit global, les stations de réception principales (en général en bande-X) qui récupèrent la totalité des messages enregistrés par les satellites tout au long d'une orbite et confèrent donc au système sa couverture mondiale. Ces trois stations sont Wallops Island, Fairbanks aux États-Unis et Svalbard en Norvège. Ces stations reçoivent également des données en temps réel.

Deux centres de traitement redondants, l'un à Woods Hole (MA), aux États-Unis, et l'autre à Toulouse en France, reçoivent et traitent la totalité des données reçues. Les calculateurs procèdent alors au calcul des localisations et au traitement des données reçues. Les traitements réalisés dans un centre de traitement global sont les suivants :

• le contrôle de la qualité des messages, du niveau de la réception, de la datation (time-tag), du numéro d'identification de l'émetteur, des longueurs de message capteurs et de la valeur de la fréquence reçue (pour le calcul de la localisation) ;
• la datation des messages en temps universel (UTC) ;
• la localisation des balises à partir des mesures de temps/fréquence effectuées par l'instrument (principe de l'effet Doppler) ;
• le classement des messages par balise et par ordre chronologique ;
• le traitement des données.

Tous ces résultats sont archivés et mis à la disposition des utilisateurs.

Comprendre les changements climatiques

À travers le monde, des milliers de bouées et de flotteurs sont équipés d'émetteurs Argos, envoyant des informations via le système satellitaire Argos afin d'aider les scientifiques à comprendre et prévoir les changements climatiques. Près de 1 000 bouées de tout type (dérivantes, ancrées, flottantes...) parcourent les océans en recueillant des données transmises via Argos sur les courants, la température, la salinité. Ces données issues de zones reculées voire inaccessibles constituent une source d'information précieuse pour comprendre l'environnement et les changements climatiques. 

La plupart de ces données contribuent aux composantes du Programme Mondial de Recherche sur le Climat (PMRCWCRP) et au programme Variabilité et Prédictibilité du Climat (CLIVAR), GOOS/GCOS et GODAE.. Elles ont également contribué par le passé, aux programmes Tropical Ocean and Global Atmosphere (TOGA) etExpérience Mondiale de Circulation des Océans (WOCE). 

Améliorer les prévisions météorologiques et océaniques

En plus des applications de recherche, Argos est utilisé tous les jours par des océanographes et météorologues afin de collecter des observations in situ. Celles-ci sont ensuite utilisées pour l'océanographie et la météorologie opérationnelle. Dans tous les océans du globe, les bouées, flotteurs et stations fixes Argos collectent des données pour les programmes opérationnels, tel le World Weather Watch (WWW) de l'Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM). 

Plus de 70 % des données Argos sont partagées par la communauté océanographique et météorologique pour assimilation dans des modèles de prévision numérique via le Système Mondial de Télécommunication (SMT) de l'OMM. En outre, Argos propose des services de télémesure océanique pour une panoplie d'applications, telle que la modélisation océanique, la surveillance des bouées fixes, etc.

Protéger la faune

Des milliers d'animaux sont suivis en permanence grâce à des balises Argos : oiseaux, mammifères marins et terrestres... Cette technique associant localisation et acquisition de données permet aux biologistes d'améliorer leur compréhension des comportements des animaux, leurs stratégies alimentaires, leur reproduction et leur adaptation au milieu. Les résultats de ces observations sont à l'origine des mesures de protection dont bénéficient un grand nombre d'espèces menacées. À l'intérêt écologique s'ajoute le besoin pour l'humanité d'approfondir sa connaissance de la biodiversité et des ressources qui constituent son environnement.

Contexte

Argos est un système unique de localisation et de collecte de données par satellite dédié à l’étude et à la protection de l’environnement. C'est une collaboration franco-américaine créée en 1978 entre le CNES, la NASA, et la NOAA (agence américaine d'observation océanique et atmosphérique).

L’organisation européenne pour l’exploitation des satellites météorologiques EUMETSAT a ensuite rejoint le programme en 2006, suivie par l’agence spatiale indienne ISRO en 2007. Aujourd’hui, le CNES est toujours l’architecte du système et le maître d’œuvre pour les équipements spatiaux et les stations au sol.

En 1986, le CNES a créé une filiale, CLS, qui assure depuis l’exploitation opérationnelle du système Argos pour ses utilisateurs.

Créé en 2018, par la volonté de CLS et avec le soutien du CNES, Kinéis a repris l’exploitation opérationnelle du système Argos.

Les balises Argos ont plusieurs applications :

• Comprendre les changements climatiques
• Améliorer les prévisions océaniques et météorologiques
• Protéger la biodiversité
• Assurer la santé publique et le bien-être des populations
• Superviser les ressources en eau
• Gérer et protéger les ressources marines
• Suivre les courses de randonneurs et de voiliers
• Améliorer la sécurité maritime

Fonctionnement des balises

14 000 balises sont aujourd’hui déployées dans le monde entier. Alimentées par une batterie ou par énergie solaire, elles envoient des données à intervalles réguliers aux instruments d’Argos, à bord de neuf satellites qui orbitent entre 650 et 850 kilomètres d’altitude (500 km pour ANGELS).

L’information collectée par les satellites est ensuite téléchargée par environ soixante stations qui transmettent aux deux centres de traitement. Localisés à Toulouse et à Washington DC, ces centres analysent les données et les livrent à leurs utilisateurs (communauté scientifique, gouvernements, industries, etc.).

Déroulé du projet

Les instruments Argos, permettant de collecter des données en temps réel via des satellites, sont des systèmes qui ont évolué au fil du temps, chacun offrant des améliorations par rapport au précédent. 

Argos 2 a été introduit dans les années 1990 et utilisé pour la surveillance des animaux marins, des balises météo et dans le cadre d’études environnementales. 

Argos 3 a été déployé au début des années 2000. Il a permis d’améliorer la précision dans la localisation des balises et dans les capacités de gestion des données pour diverses applications (recherche sur le climat, gestion des ressources naturelles).

Argos Neo a été déployé en 2019. Ce système récent bénéficie des dernières avancées en matière de transmission de données, offrant une encore plus grande flexibilité dans le suivi en temps réel. Il est particulièrement adapté à des applications complexes (surveillance des océans ou des écosystèmes), et pour les balises utilisées dans des conditions extrêmes. 

Enfin, Argos 4 a été lancé en 2022. Il représente un saut technologique important avec des capacités de communication améliorées ainsi qu’une plus grande précision pour la localisation. Conçu pour des applications environnementales avancées comme le suivi d'animaux, il offre une couverture plus large et des transmissions plus rapides.

Organisation

Organisation générale

Le CNES est maître d'œuvre système et le maître d'ouvrage pour les composantes bord et sol. Il est chargé de la définition du segment spatial et du segment solIl a la responsabilité technique du développement de l'instrument embarqué, du support à l'intégration sur satellite et aux opérations après le lancement.

Kinéis est l'opérateur du système par délégation du CNES. Il est responsable de la distribution des données collectées en provenance des balises vers les différents utilisateurs mais aussi de l'envoi de directives ou messages vers les balises. Il assure l'exploitation opérationnelle en routine des instruments embarqués. Il assure également la responsabilité du développement du segment sol de mission Argos-4.

Le partenaire (ISRO, NOAA ou EUMETSAT) a la responsabilité du développement de la plateforme d'emport, des activités d'intégration de l'instrument Argos sur la plateforme, du lancement, du segment sol de commande/contrôle du satellite et de la diffusion des données vers le segment sol de mission Argos.

Le CNES conserve la responsabilité de l'équipement bord jusqu'à la phase de recette en vol avec Kinéis en support technique. Le transfert de responsabilité s'effectue lorsque le CNES déclare l'équipement bord opérationnel.

À compter de cette échéance, Kinéis est alors responsable du suivi en orbite et de la surveillance de l'instrument bord avec l'assistance technique du CNES.

Coopération

La mission Argos est soumise à plusieurs accords de coopération entre le CNES et ses 3 partenaires actuels, la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) pour les USA, EUMETSAT pour l'Europe et l'ISRO (Indian Space and Research Organisation) pour l'Inde.

Ces accords sont ceux applicables dans le cas d'emport d'Argos-3 sur respectivement les satellites POES, Metop et SARAL. Pour Argos-4, les accords formalisés avec la NOAA et EUMETSAT ont permis d’embarquer les instruments du CNES sur les satellites GAzelle de la NOAA et MetOp-SG d'EUMETSAT.

Comité des opérations

Le Comité des Opérations Argos (OPSCOM) a pour vocation de :

• Superviser le développement et l'exploitation du système de collecte de données Argos
• Examiner et approuver les demandes d'applications émises par les opérateurs potentiels des plates-formes pour l'utilisation du système Argos
• Revoir et approuver la grille des tarifs pour le traitement des données scientifiques par le système de traitement de données Argos ;
• Résoudre les problèmes susceptibles de se poser en rapport avec la mise en œuvre et l'exploitation du système Argos.

Les agences contribuant au segment spatial du système de collecte de données Argos sont considérées comme des "agences participantes" (actuellement, le CNES, la NOAA, EUMETSAT et l'ISRO) et désignent un co-président au Comité des Opérations Argos. Les agences qui préparent une future contribution au segment spatial du système Argos sont considérées comme des membres observateurs (cela était le cas de l'ISRO jusqu'au lancement de SARAL).

Les décisions prises par l'OPSCOM sont recensées dans le rapport consolidé de l'OPSCOM.

Un nouvel ensemble de lancement au Centre Spatial Guyanais

Baptisé ELA4 (pour Ensemble de Lancement Ariane n°4), le pas de tir d'Ariane 6 a une superficie totale de 170 ha et est situé à 4 km au nord-ouest de l’ensemble de lancement d'Ariane 5 (ELA3).

Préparation des propulseurs

Voici comment se déroule l’assemblage des segments des boosters et chargement de leur propergol solide pour Ariane 6 :

Les propulseurs P120C sont des étages communs aux lanceurs Ariane 6 et Vega C. Leurs moyens de production sont donc mutualisés dans la zone de production des propulseurs au CSG. Cette zone est composée de :

• une usine de propergol (UPG, visite virtuelle) : sur une étendue de 300 hectares, 40 bâtiments permettent la fabrication et le chargement du propergol solide coulé à la verticale, les contrôles non destructifs et le stockage des segments chargés.
• un bâtiment Basculement Propulseur (BBP) : ce bâtiment permet de basculer le propulseur de la position verticale à la position horizontale pour son intégration.
• un bâtiment d’intégration des propulseurs (BIP, visite virtuelle et photo ci-contre) : les boosters P120C d’Ariane 6 sont intégrés à l’horizontal et sont constitués d’un seul segment, contrairement aux trois segments des EAP d’Ariane 5 qui sont intégrés à la verticale. La tuyère du propulseur est installée dans une des deux cellules de préparation construites pour Ariane 6 et Vega C.
• un bâtiment de finition du propulseur (EFF) : ce bâtiment spécifique à la configuration Ariane 6 du P120C permet en particulier de finaliser la chaîne de pilotage du P120C. Il y est remis à la verticale en vue de son stockage.
• un bâtiment de stockage des boosters (BSB) : ce bâtiment sert à stocker les P120C pour permettre à Ariane 6 et Vega C d’atteindre une plus grande cadence de lancement.

Les satellites

Voici comment se déroule la préparation des satellites et chargement de leur carburant pour Ariane 6 :

L’ensemble de préparation des charges utiles (EPCU) est le lieu où sont préparés les satellites. Il comprend 3 ailes distinctes, reliées par des corridors de transfert entre les salles de préparation et de remplissage :

• S5A : opérations de remplissage des petits satellites (4 tonnes de capacité).
• S5B : peut accueillir des satellites à la fois en cours d’intégration ou de remplissage (10 tonnes de capacité).
• S5C : 700 m2 de salles blanches pour la préparation des plusieurs satellites en même temps, tout en respectant les standards de qualité et de sécurité entre satellites.

Le bâtiment d’assemblage final (BAF) : les satellites sont ensuite transportés dans le hall d’encapsulation du BAF (BAF HE). Ils sont installés sous la coiffe du lanceur grâce à un portique spécifique d’Ariane 6. Enfin, lorsque le composite supérieur (satellites + structures porteuses + coiffe) est prêt, il est positionné sur un camion spécifique appelé Upper Composite Trailer (UCT) qui assure sa ventilation et son transport entre le BAF HE et la zone de lancement n°4.

Campagne de lancement

Voici comment se déroulent l’intégration et la vérification du lanceur jusqu’à son lancement (environ 2 semaines) :

• Le bâtiment d’assemblage lanceur (BAL) : assemblage des deux étages du corps central d’Ariane 6. L’étage inférieur LLPM (Lower Liquid Propulsion Module) est intégré en France sur le site des Mureaux d’ArianeGroup. L’étage supérieur ULPM (Upper Liquid Propulsion Module) est intégré en Allemagne sur le site de Brême d’ArianeGroup. Les deux étages sont assemblés entre eux et stockés à l’horizontal au BAL, ils y passent au minimum quelques jours mais peuvent y être stockés plus longtemps.
• La zone de lancement (ZL) : la campagne de lancement en zone de lancement dure environ 1 semaine. Le corps central (LLPM et ULPM) est acheminé depuis le bâtiment d’assemblage lanceur BAL à l’horizontal sur un transporteur. Il est dressé à la verticale sur la table de lancement grâce au pont roulant du portique.
• Le portique mobile : ce bâtiment est l’ouvrage le plus haut avec 90 mètres de haut, et il pèse 8 000 tonnes. Les P120C y sont intégrés au corps central. Ils sont au nombre de 2 pour Ariane 62 et de 4 pour Ariane 64.
• L’assemblage de la partie haute (satellite sous la coiffe) se fait dans les quelques jours qui précèdent le lancement, toujours grâce au portique.

• Les remplissages : le portique mobile se retire 4 à 5h avant le décollage pour le début des remplissages en ergols cryotechniques : les ergols sont à -183°C pour le dioxygène liquide, et -253°C pour le dihydrogène liquide. Le portique est retiré à environ 120 mètres du pas de tir. Après les remplissages débute la séquence synchronisée (compte à rebours de 6 minutes durant lequel tout est automatique). Et si le lancement est reporté, le lanceur est vidangé de ses ergols et le portique est ramené pour l’accès des personnels autour du lanceur.
• Le château d’eau : l’arrosage du pas de tir au moment du décollage sert à protéger les installations et le lanceur des agressions dues aux jets des moteurs : température, acidité, et effets acoustiques et vibratoires. Là où l’eau s’accumulait sur l’ELA3 au fond des carneaux avant d’être traitée sur place et évacuée, pour ELA4 elle est immédiatement évacuée vers de grandes cuves. L’avantage est de ne pas laisser l’eau polluée et acide dans les carneaux en zone de lancement. De plus, le traitement de l’eau est automatisé ce qui permet de garantir une bonne qualité des eaux avant leur rejet dans la Roche Nicole. Le château d’eau est rempli à partir de ce réservoir naturel. Il s’agit donc d’un circuit fermé qui permet de limiter les impacts environnementaux d’un lancement.
• Le carneau : cet ouvrage permet l’évacuation des gaz des moteurs en limitant les effets acoustiques sur le lanceur. Le carneau d’ELA 4 est plus grand que les trois carneaux d’ELA 3 (2 pour les boosters et 1 pour le corps central). Désormais il n’y en a qu’un seul, commun à tous les moteurs, beaucoup plus grand, comprenant 2 évacuations des gaz moteurs. Il a été étudié pour avoir très peu voire pas de maintenance, là où ceux d’ELA 3 nécessitaient de gros travaux d’entretien tous les 15-20 lancements.

Lancement

Voici comment se déroule le suivi de la mission :

• Centre de lancement n°3 (CDL3, visite virtuelle et photo ci-contre) : la salle de contrôle permet de mener la campagne de lancement Ariane 6. Les progrès de l’informatique et la simplification de la mise en œuvre du lanceur Ariane 6 ont permis de passer de 4 bancs de contrôle (ordinateurs) pour ELA 3 à 1 seul pour ELA4.
• Centre technique (visite virtuelle et photo ci-dessous) : la salle Jupiter permet de coordonner toutes les opérations de la chronologie finale et le suivi en vol du lanceur.
• Le suivi du lanceur en vol est effectué grâce aux stations aval qui assurent la localisation et l’acquisition de la télémesure du lanceur. Elles sont situées à Kourou, dans l’Atlantique et dans le monde entier sous la trajectoire du lanceur selon l’orbite à atteindre (géostationnaire, polaire ou autre). Ces stations aval ont été rendues compatibles avec le lanceur Ariane 6.

Vol inaugural

Le vol inaugural d’Ariane 6 s’est déroulé avec succès le 9 juillet 2024 à 21h. Il a permis de réaliser une mission complète avec notamment le rallumage du moteur cryogénique Vinci, une première en Europe, jusqu’à la séparation des satellites.

Deux versions pour Ariane 6

Avec ses 62 mètres, Ariane 6 est plus haute qu'Ariane 5 (55 mètres). Elle se décline en deux versions : A62 et A64. 

D'une masse de 530 tonnes, A62 est dotée de 2 boosters et d'une poussée de 800 tonnes au décollage. 

D'une masse de 860 tonnes, A64 est dotée 4 boosters et une poussée au décollage de 1 500 tonnes. 

La masse du satellite emporté dépendra de la version du lanceur utilisée et des orbites visées (basse, moyenne, de transfert géostationnaire ou de libération de la Terre pour de l'exploration lointaine).

L’étage d’accélération à poudre ESR (Equipped Solid Rocket)

L'essentiel de la poussée au décollage d'Ariane 6 est fourni par 2 étages d’accélération (boosters) pour l’A62 et 4 boosters pour l’A64. Appelés P120C, les boosters d'Ariane 6 sont dérivés du premier étage du lanceur Vega. Ils contiennent 142 tonnes de propergols solides générant une poussée au décollage de 350 tonnes durant une durée de 130 secondes. Contrairement aux boosters P230 d’Ariane 5 qui sont segmentés (c’est-à-dire constitués de différents tronçons) et à structure métallique, ils sont monoblocs dans une enveloppe composite.

L’étage inférieur cryotechnique LLPM (Lower Liquid Propulsion Module)

L'étage inférieur cryotechnique héberge les réservoirs à ergols liquides et, à sa base, le moteur Vulcain 2.1. Les ergols sont l'hydrogène et l'oxygène : 150 tonnes en tout. Ces composés sont très froids à l’état liquide, l’oxygène étant liquide à -182°C et l’hydrogène à -253°C ; cela induit de nombreuses complexités de production, de stockage et de transfert, et les réservoirs de ces ergols cryotechniques doivent être protégés par des matériaux isolants.

Le moteur Vulcain 2.1

Le moteur Vulcain 2.1 mesure 3,7 mètres de haut, 2,5 mètres de large et pèse 1 650 kg. Alimenté en ergols par les réservoirs situés au-dessus de lui, il délivre une poussée au décollage de 135 tonnes et participe à propulser Ariane 6 dans les 10 premières minutes de vol jusqu'à une altitude d’environ 160 km. 

Vulcain 2.1 est une version améliorée du moteur Vulcain 2 qui équipait Ariane 5. Les différences principales portent sur le divergent, le générateur de gaz réalisé en fabrication additive, ou encore l’allumage du moteur à partir du sol et non plus par des dispositifs pyrotechniques internes au moteur

L’étage supérieur cryotechnique ULPM (Upper Liquid Propulsion Module)

Allumé en-dehors de l'atmosphère, l'étage supérieur apporte le complément d’énergie nécessaire à la satellisation des charges utiles. Il renferme des réservoirs d'oxygène et hydrogène liquides d'un poids total de 30 tonnes. À la base de cet étage se trouve le moteur Vinci, plus puissant (18 tonnes de poussée) que le moteur HM-7B d'Ariane 5 (6,5 tonnes de poussée). 

Vinci est capable de se ré-allumer ce qui assure plus de souplesse dans les trajectoires possibles pour placer les satellites sur leur orbite et répond ainsi aux besoins des satellites actuels. De plus, la rentrée atmosphérique de l’étage supérieur sera assurée par le Vinci réallumable ou sur certaines trajectoires par l’APU (Auxiliary Power Unit), un moteur de faible poussée qui assure également la pressurisation des réservoirs. Cela limitera ainsi les risques de créer des débris en orbite et d'éventuelles collisions.

L’étage composite supérieur

Ariane 6 peut être dotée d'une structure porteuse DLS (Dual Launch System) permettant l’emport de deux satellites distincts et offrant plus de volume que le Sylda d’Ariane 5. Un système de lancement multiple, baptisé Microsat Launch Share, est en cours de conception. Il permettra d’envoyer des micro-satellites pour compléter la performance offerte par Ariane 6.

La coiffe d’Ariane 6 qui protège les charges utiles pendant la traversée de l’atmosphère est disponible en 2 versions : une longue de 20 mètres, plus grande que celle d‘Ariane 5 (17 m) et une courte de 14 mètres.