Contexte

LISA Pathfinder était le démonstrateur des technologies clés pour la mission LISA, collaboration ESA/NASA. Dans cet objectif, LISA Pathfinder a emporté un instrument LTP (LISA Technology Package), un ensemble de moteurs à micro-propulsion et un logiciel de contrôle de compensation de traînée fournis par les instituts européens et l'industrie, ainsi qu'un instrument DRS (Disturbance Reduction System) composé de moteurs à micro-propulsion et un logiciel de contrôle de compensation de traînée fournis par la NASA.

Les objectifs de la mission pour LTP étaient de :

• Démontrer la compensation de traînée et le contrôle d'attitude d'un satellite avec deux masses d'épreuve de manière à isoler les masses des perturbations inertielles :
  • Performances requises : 3x10^-14 ms^-2 Hz^-1/2, augmentant avec le carré de la fréquence (f²) au-dessus de 3 mHz, pour toute la bande de mesure de 1-30 mHz.
  • Performances requises pour LISA : 3x10^-15 ms^-2 Hz^-1/2, augmentant avec le carré de la fréquence (f²) au-dessus de 3 mHz, pour toute la bande de mesure de 0.1 mHz - 1 Hz.
• Démontrer la faisabilité d'utiliser l'interférométrie laser dans les régimes basses fréquences requis avec des performances aussi proches que possible de 10^-12 m Hz^-1/2 dans la bande de fréquence 1-30 mHz, requise pour la mission LISA.
• Évaluer la longévité et la fiabilité des capacités des capteurs, des moteurs, des lasers et des optiques dans l'espace.

Déroulé du projet

Lancement

LISA Pathfinder a été mis en orbite depuis le port spatial de l'Europe en Guyane française par un lanceur Vega de l'ESA le 3 décembre 2015. Vega a mis le satellite sur une orbite elliptique de parking autour de la Terre avec un périgée à 200 km, un apogée à 1620 km et avec une inclinaison de 5,3°, aligné afin que le satellite puisse ensuite utiliser son propre système de propulsions éjectable pour faire la transition vers son orbite finale opérationnelle à L1.

L'accroissement de la vitesse requis pour atteindre l'apogée et l'injection en orbite opérationnelle est d'environ 3100 m/s. Lorsque le satellite était en transfert vers son orbite opérationnelle, le module de propulsion s'est séparé du module  scientifique avant les opérations de compensation de traînée, pour éviter les perturbations qui seraient générées par les propergols résiduels agissants sur les capteurs inertiels.

Orbite opérationnelle

L'orbite opérationnelle de LISA Pathfinder était une orbite Lissajous à 500 000 km x 800 000 km autour du premier Point de Lagrange (L1) du système Soleil-Terre. L'orbite Lissajous L1 a été choisie car c'est un endroit intrinsèquement 'calme' dans l'espace, loin des corps massifs, qui induisent des forces de marées sur les vaisseaux ; elle reçoit une illumination quasi-constante du Soleil ; et elle est à une distance quasi-constante de la Terre pour les communications. Cette orbite répondait aux exigences strictes de LISA Pathfinder sur la stabilité thermique et gravitationnelle.

Cette orbite Lissajous, d'une période de 180 jours, a nécessité des manœuvres périodiques de maintien à poste - revenant à 1,8 m/s par an - ce qui a été fait en utilisant les propulseurs à gaz froid qui constituaient le système de micro-propulsion du satellite.

Organisation

Origine

Le projet LISA Pathfinder a été approuvé par le Science Programme Committee de l’ESA en novembre 2000, puis reconfirmé en mai 2002 pour faire partie du programme scientifique Cosmic Vision.

L’idée de cette mission de démonstration est venue lors de la préparation par les chercheurs européens et américains, soutenus par l’ESA et la NASA, de la mission LISA, ayant pour objectif de détecter des ondes gravitationnelles depuis l’espace. Les deux agences ont donc coopéré sur ce projet dès son initiation.

Le projet était anciennement appelé SMART-2 pour Small Missions for Advanced Research in Technology.

Réalisation

LISA Pathfinder a été construit par une équipe industrielle, avec des contributions d’une quarantaine de partenaires publics et privés issus de 14 pays, menée par le maître d'œuvre, ADS (Astrium Defence and Space). Astrium GmbH était responsable de la fourniture de la charge utile LPT (LISA Technology Package) intégrée. Les sous-systèmes du LTP ont été fournis par un consortium de compagnies Européennes et d'instituts de recherche français et européens menés par le laboratoire français APC (Astrophysique, Particules et Cosmologie), avec le CNES et l'ESA.

Traitement des données

Le laboratoire français APC (Astrophysique, Particules et Cosmologie), avec le CNES au sein d’un consortium français a été fortement impliqué dans l’analyse des données pendant la phase opérationnelle du satellite.

Segment sol

Le contrôle et le suivi de la mission a été assuré par deux centres d’opérations européens, l’un à Darmstadt en Allemagne (ESOC), l’autre à Madrid en Espagne (ESAC). Le segment sol de la mission LISA Pathfinder est détaillé dans l’onglet Segment sol.