La sonde Hera

Le maître d’œuvre du consortium Hera est la société allemande OHB.

La plateforme Hera est composée de :

• un satellite de 1,5m x 1,5m x 1,7m pour une masse de 1081 kg au lancement
• deux ailes composées chacune de 3 panneaux solaires totalisant 13m² de superficie
• quatre roues de réactions, des gyroscopes, des viseurs d’étoiles et des caméras qui guident et maintiennent le satellite dans sa trajectoire

Les principaux instruments à bord :

• deux caméras panchromatiques AFC (Asteroid Framing Cameras)
• un imageur hyperspectral (Hyperscout-H)
• un microLidar (PALT)
• un imageur thermique infrarouge (TIRI)
• deux instruments dans le domaine radio : une liaison inter-satellite (ISL) et un transpondeur à bande-X (X-DST) 

Le satellite transporte en plus deux CubeSats qui seront déployés à proximité de Dimorphos afin de faire des mesures complémentaires (détection de poussières, imageur multispectral, radar basse fréquence pour un sondage interne, gravimètre, etc.) et pourront communiquer avec le vaisseau-mère via la liaison ISL :

• Juventas, dont le principal instrument est un radar basse fréquence (JuRa) qui délivrera les premières mesures directes de l’intérieur d’un astéroïde. L’expertise scientifique de cette technique dans laquelle la France excelle sera fournie par l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble avec le soutien du CNES. Il transporte également un gravimètre (GRASS), un accéléromètre et une liaison ISL.
• Milani, dont le principal instrument est un imageur du proche infrarouge (ASPECT), est également doté d’un thermogravimètre (VISTA) et d’une liaison ISL. 

Ils seront déployés hors du satellite principal pour se rapprocher de leur cible Dimorphos. Une petite caméra appelée Small Monitoring Camera fournira des images du déploiement de ces CubeSats. Ils permettront d’une part de recueillir des données complémentaires sur l’astéroïde et son environnement (dont la première mesure de structure interne) et d’autre part, de tester une nouvelle technique de communication inter-satellite. 

Un CubeSat 6U est composé de six cubes de 10cm d’arête pesant chacun environ 1,3kg. Les deux CubeSats occuperont donc l’espace d’une boîte à chaussures de 30cm x 20cm x 10cm.

Compte tenu de la très faible gravité de Dimorphos, les CubeSats seront éjectés à seulement quelques cm/s, soit beaucoup plus délicatement qu’ils ne le sont habituellement (2m/s). Moins coûteux que la sonde principale, ces CubeSats permettent de prendre plus de risques, notamment en atterrissant sur l’astéroïde en fin de mission, tandis que la sonde principale restera à plus grande distance. 

Instruments à bord de la sonde Hera

Les caméras AFC (Asteroid Framing Camera) 

Elles permettront d’acquérir des images détaillées de la surface des astéroïdes ainsi que du résultat de l’impact de DART (cratère ou déformation globale de l’astéroïde). Avec un champ d’observation de 5,5 degrés par 5,5 degrés, elles permettront de cartographier les deux astéroïdes à une échelle de 2-3 m.pixel^-1 dans la phase d’approche, à 1-2 m.pixel^-1 durant la phase détaillée et à 0,5-2 m.pixel^-1 lorsqu’elles seront au plus proche des cibles. Lors de survols spécifiques au-dessus de zones d’intérêt, la résolution pourra descendre en-dessous de 10 cm.pixel^-1. Ces données permettront d’obtenir des informations détaillées sur les propriétés de surface, de mesurer la topographie des astéroïdes, d’en déduire leur volume et, in fine, leur densité - en combinaison avec l’estimation de la masse.  Les AFC serviront aussi à guider et à contrôler le déplacement du satellite. De la taille d’un vase, chaque caméra pèse 1,3 kg et a été fabriquée par la société allemande Jena-Optronik.

HyperScout H 

C’est une caméra hyperspectrale capable d’observer dans les longueurs d’ondes comprises entre 665 et 975 nm (visible et proche infra-rouge). Elle a été développée par la société néerlandaise Cosine Research afin de mesurer la composition minéralogiqueet les propriétés géologiques de l’astéroïde binaire. 

TIRI (Thermal Infrared Imager) 

C’est un imageur dans l’infrarouge thermique dont l’objectif est d’identifier les propriétés thermophysiques de Dimorphos : la distribution des températures de surface, l’inertie thermique et certaines propriétés géophysiques telles que la granularité de surface afin d’évaluer la porosité de Dimorphos. Il est fourni par l’agence spatiale japonaise, la JAXA.

PALT (Planetary ALTimeter) 

C’est un lidar (altimètre laser) qui participera à la prise en charge de la navigation des engins spatiaux, du survol jusqu’à l’atterrissage. Il fournira également des données scientifiques, notamment les vitesses relatives de deux astéroïdes et pourra contribuer à l’estimation de la masse de Dimorphos. L’ensemble des données qu’il va recueillir contribuera à réaliser une topographie de surface de Dimorphos. Il a été développé par la société EFACEC (Portugal et Roumanie), Synopsis Planet (Portugal) et INOE (Roumanie). 

X-DST 

C’est un transpondeur à bande-X qui permettra de communiquer avec le segment sol. Il sera utilisé pour l’expérience de radio science qui contribuera à la détermination de la masse de Dimorphos, du champ de gravité de l’astéroïde binaire, de l’état de rotation et des orbites en exploitant les mesures Doppler, les mesures de distances ainsi que les images optiques. L’expérience comprend également : 

• des mesures radiométriques classiques depuis la Terre (entre la sonde et les stations au sol) au moyen du lien standard bidirectionnel à bande X,
• des images de Didymos prises par les caméras AFC
• la liaison inter-satellite entre Hera et ses deux CubeSats. Cette liaison ISL est une première dans ce type de missions. Elle représente un atout crucial pour l’estimation de la gravité présente sur des corps de faible gravité près desquels les grosses sondes ne peuvent s’approcher. 

La proximité des CubeSats avec l’astéroïde binaire permettra d’obtenir des informations très précises telles que les masses et le champ de gravité des deux objets. L’ISL se chargera de transmettre ces données au vaisseau mère, resté à distance.

Instruments à bord du CubeSat Juventas

Développé par GomSpace Luxembourg SARL, ce CubeSat doit enregistrer des données géophysiques de Dimorphos, en particulier sa structure interne. Cette mesure est une première dans l’histoire des missions consacrées aux astéroïdes. Pour cela, Juventas va déployer quatre antennes grâce auxquelles l’instrument JuRa pourra effectuer un sondage radar de la structure interne et fournir des informations sur le degré d’hétérogénéité interne. 

Dès lors, il sera possible de déterminer si Dimorphos est un agrégat dont l’intérieur est homogène, un monolithe ou un cœur rocheux entouré d’une couche de roches plus petites. Cela a des implications fortes sur la réponse de l’objet à l’impact de DART et sur les modèles de formation d’astéroïdes binaires. 

En outre, les antennes de longueur adaptable permettront de calibrer le radar et des sonder l’intérieur de Didymos et Dimorphos à des altitudes progressives de 3km à 2km.

Les objectifs de Juventas sont de déterminer :

• le champ de gravité (gravimètre GRASS)
• la structure intérieure (radar JuRa)
• les propriétés de surface (radar JuRa)

Le gravimètre GRASS 

Il doit mesurer la gravité du plus petit objet céleste jamais visité par nos instruments, elle est estimée un million de fois moins élevée que celle de la Terre.  Pour ce faire, Juventas doit se poser sur la surface de Dimorphos. C’est la première fois qu’un CubeSat va atterrir sur un corps aussi petit. De la taille de deux smartphones accolés en forme de L, GRASS pèse 330g et nécessite moins d’un demi-     watt pour fonctionner. Il est développé par l’Observatoire royal de Belgique (ROB) et l’entreprise espagnole EMXYS. 

Le radar JuRa 

C’est le plus petit radar basse fréquence de l’histoire spatiale et le premier à explorer la structure interne et la sous-surface d’un astéroïde. Son architecture minimaliste (un transmetteur, un filtre, un amplificateur pour la réception) lui permet de tenir dans une boîte cubique de 10cm de côté. 

JuRa identifiera les structures géologiques internes de l’astéroïde telles que ses couches, les blocs rocheux les plus grands ou les zones vides, les variations significatives de densité ou de porosité. Il est développé par l’IPAG (Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble) et l’Université technique de Dresde en collaboration avec la société luxembourgeoise Emtronix. Ces travaux sont soutenus par le CNES au niveau financier et opérationnel.

Instruments secondaires

• des gyroscopes et des accéléromètres qui fourniront des indications précieuses sur la réponse de la surface lors de l’atterrissage du CubeSat
• une antenne ISL (pour assurer le lien inter-satellite avec Hera et contribuer à la détermination du champ de gravité)
• une caméra dans le visible et des viseurs d’étoiles
• un altimètre Laser

Instruments à bord du CubeSat Milani

Développé par la société italienne Tyvak International, ce CubeSat doit enregistrer des images de l’astéroïde binaire Didymos (proche infrarouge et visible) et effectuer la détection et l’analyse des poussières qui pourraient être présentes dans l’environnement de l’astéroïde. 

Les objectifs de Milani sont de :

• détecter et analyser les grains de poussières autour du couple d’astéroïdes (VISTA)
• réaliser des images et effectuer des mesures de composition minéralogique de la surface des astéroïdes, en particulier sur la zone d’impact où seront révélés l’effet de l’exposition à l’espace et la présence éventuelle d’une hétérogénéité de composition (ASPECT)

Le spectromètre ASPECT 

Il pourra analyser la lumière réfléchie par les astéroïdes dans le proche infrarouge et le visible, avec une résolution proche du mètre. Il permettra d’identifier la composition minérale des astéroïdes grâce une couverture spectrale allant de 500 à 2500 nm (raie d’absorption pour Fe2+, Fe3+ ou encore H2O). Il est développé par VTT TEchnical Research Centre of Finland.

Le détecteur de poussières VISTA (Volatile In Situ Thermogravimeter Anlyser) 

Il est capable de détecter la présence de particules inférieures à 10 micromètres, d’identifier des composés volatiles (eau) ou de la matière organique légère (chaines carbonées) et de surveiller la contamination moléculaire de l’environnement liée au dégazage du satellite ou de la mise en route des instruments. VISTA est développé par un consortium italien : INAF-IAPS (National Institute of Astrophysics Institute for Space Astrophysics and Planetology), CNR-IIA (National Council of Research - Institute of Atmospheric Pollution) et Politecnico di Milanodetect.

Instruments secondaires

• un LIDAR une NavCam (caméra de navigation)
• un pico-réflecteur laser (INFN)
• un antenne ISL (pour assurer le lien inter-satellite avec Hera et contribuer à la détermination du champ de gravité) 

Dynamique du vol et pilotage des Cubesats

Le CNES sera impliqué dans les opérations des deux Cubesats à travers deux activités fortement liées mettant en œuvre des études de trajectoires et d’optimisation de programmation des instruments, du développement des logiciels opérationnels du Segment Sol d’Opérations : 

• les opérations de dynamique du vol, qui s’appuient sur la conception des trajectoires de deux Cubesats autour du système binaire d’astéroïdes de faible gravité, dans le but de réaliser la programmation des manœuvres d’orbite nécessaires à l’observation complète de Didymos et Dimorphos
• la planification des acquisitions des instruments scientifiques, qui va contribuer à l’enregistrement de mesures et d’images nécessaires à la caractérisation géophysiques des deux astéroïdes et à l’identification de l’impact de la sonde DART sur Dimorphos.

Le CNES aura ainsi la responsabilité du pilotage des deux Cubesats, depuis Toulouse, en collaboration avec les autres centres d’opérations de l’ESA en Belgique et en Allemagne.