Les équipes de dynamique du vol

Une coopération entre les équipes de mécanique du vol de la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) et du CNES pour la mission MMX a été établie en 2017. Cette contribution permet à la JAXA de s’appuyer sur le savoir-faire du CNES en tant que centre d’expertise pour les phases de proximité des missions d’exploration de petits corps, expérience acquise entre autres lors de la participation aux missions Rosetta/Philae, avec l’ESA, et Hayabusa-2/Mascot, déjà avec la JAXA. 

Cette implication permet au CNES de continuer d’être présent dans le domaine de l’exploration interplanétaire et d’accroître ses compétences en tant que partenaire pour ce type de missions, qui continuera dans les années qui viennent sur des projets comme Hera (ESA). 

La participation des équipes de dynamique du vol du CNES à MMX s’étend dans le temps, depuis les phases préliminaires de conception jusqu’aux opérations. Elle est également transverse en interne : un support sur la thématique mécanique spatiale est apporté aux autres équipes françaises impliquées sur le projet quand il s’avère nécessaire (à savoir : le Rover et MIRS). 

Plus en détail, la contribution porte sur les sujets suivants : 

• La conception de trajectoires autour des lunes martiennes, notamment les QSO (quasi-satellite orbits) pour l’observation de Phobos,
• La restitution de la dynamique de Phobos. En particulier, la détermination précise du champ de gravité de cette lune, ainsi que l’amélioration de la connaissance sur ses éphémérides,
• La navigation et restitution d’orbite de la sonde dans l’environnement de la sphère martienne,
• Le support à l’équipe Rover et la définition de la procédure de choix du site d’atterrissage combiné entre la sonde et le rover,
• Le support à l’équipe MIRS sur des problématiques liées à la mécanique spatiale.

En savoir plus sur l’expertise dynamique de vol au CNES 

Conception de trajectoires de type QSO autour de Phobos

Il est prévu que la sonde MMX passe plusieurs années dans la sphère martienne, en particulier à proximité de la lune Phobos. Pourtant, les caractéristiques physiques du couple Mars-Phobos rendent impossible la mise en orbite képlérienne d’un engin autour de cette lune. C’est pourquoi un type de trajectoires, appelé Quasi-Satellite Orbits, inspiré du mouvement relatif entre deux objets autour d’un corps central (i.e. Mars),  a été identifié comme candidat à orbite pour l’observation de Phobos. 

Bien qu’ayant été mentionnées fréquemment dans la littérature pour répondre aux besoins d’exploration de ce corps et étudiées d’un point de vue mathématique, les familles de QSO issues des modèles dynamiques à 3 corps n’ont toujours pas été utilisées en vol par des missions d’exploration. Elles soulèvent des problèmes, autant de conception que d’implémentation opérationnelle, comme par exemple : 

• génération de candidats de trajectoire stables avec les caractéristiques de distance à la lune et vitesse relative souhaitées,
• adaptation à l’environnement dynamique réaliste et robustesse aux incertitudes des trajectoires choisies,
• conception de stratégies de maintien à poste… 

Le CNES a accompagné la JAXA depuis les phases préliminaires de la mission MMX avec un rôle de support expert, de validation croisée et de proposition de solutions alternatives, afin de répondre au mieux à toutes ces problématiques. Une grande partie de ce travail a été faite en interne, mais aussi à travers la mise en place de contrats de recherche avec d’autres institutions européennes (IMCCE l’Institut de mécanique céleste et calcul d’éphémérides, Surrey Space Center, Politecnico di Milano…). Les résultats de ces travaux ont eu un impact direct sur la mission MMX, puisqu’ils ont donné lieu à quelques changements de scénario opérationnel. Ils ont aussi été présentés dans des conférences internationales et publiés dans des journaux spécialisés.

Détermination précise du champ de gravité de Phobos

Un des objectifs scientifiques de MMX est d’améliorer la connaissance actuelle des caractéristiques de Phobos, notamment sa forme, sa gravité et sa trajectoire exacte autour de Mars (c’est-à-dire ses éphémérides). L’équipe de Géodésie spatiale du CNES est internationalement reconnue pour son excellence dans le domaine de restitution de la gravité des corps célestes, y compris les petits corps. C’est pourquoi la JAXA a sollicité depuis le début de la collaboration le support des experts en géodésie du CNES. 

Dans les phases préliminaires de la mission, ce support s’est traduit par une contribution au choix du scénario de trajectoire afin de maximiser le retour scientifique en termes de restitution de la gravité. Les trajectoires QSO avec une composante hors-plan de l’équateur de Phobos ont alors été proposées. Depuis quelques années, deux agents CNES de cette équipe de Géodésie font partie du Geodesy Sub-Science Team MMX (GSST), avec des scientifiques du Japon et d’autres pays. Le GSST s’occupera de la génération de la mise à jour des modèles de forme et gravité de Phobos, en utilisant les données en vol de la mission MMX. Par ailleurs, le logiciel GINS développé et maintenu par cette équipe française, a été choisi par le GSST pour ces activités essentielles à la mission.

Dans un domaine connexe, la participation de l’IMCCE, coordonnée par le CNES, à la mise à jour des éphémérides de Phobos avant le lancement de la sonde vient aussi compléter la contribution française à la mission.

Navigation et restitution d’orbite de MMX pour les phases de proximité des lunes

Un des points communs entre toutes les missions d’exploration visant des petits corps est le haut degré d’incertitude vis-à-vis des conditions d’environnement dynamique que la sonde rencontrera lors de sa mission. Cette incertitude vient des inconnues sur les caractéristiques physiques détaillées du corps cible, comme le champ de gravité. Dans le meilleur des cas, le corps cible a été survolé par d’autres missions (c’est le cas de Phobos) mais dans d’autres cas il a simplement été observé depuis des distances très grandes (c’est le cas des comètes ou astéroïdes visités par Rosetta et Hayabusa-2). Aussi, il est difficile d’estimer précisément l’ordre de magnitude des différences entre la position réelle de la sonde et la position qui est calculée au sol avec les modélisations existantes. 

Les analyses de covariance menées par le CNES visent à prédire au mieux ces écarts entre le monde réel et les modèles. Ces études deviennent une des clés de la préparation de la phase en vol, puisqu’elles peuvent avoir un fort impact sur la planification des observations par les instruments ou sur les créneaux de communication entre la sonde et la Terre. Les ingénieurs de la JAXA, bien conscients de cette problématique, échangent régulièrement avec les experts en orbitographie du CNES afin de consolider les résultats de leurs études de navigation.

Définition de la procédure de choix du site d’atterrissage

La sonde MMX prévoit de réaliser plusieurs atterrissages sur Phobos dans le but de récupérer des échantillons. Lors d’une des répétitions pour l’atterrissage de MMX, le Rover franco-allemand IDEFIX® sera séparé à basse altitude et commencera la descente afin de se poser et dérouler sa mission à la surface de la lune. L’approche de la surface d’un corps céleste est toujours une opération critique : les conséquences d’une erreur ou d’une mauvaise planification peuvent aller jusqu’à la perte totale de la mission. La sélection réfléchie des sites d’atterrissage est donc une des activités de préparation cruciales pour garantir la réussite de la mission. 

Une grande quantité d’équipes différentes, techniques et scientifiques, responsables de chacun des instruments et sous-systèmes et en provenance de nombreux pays, rentrent dans le jeu, avec des critères et objectifs différents les uns des autres et de fortes contraintes de temps. Pour toutes ces raisons, la définition de la procédure de décision est une activité délicate qui doit être aboutie et répétée bien avant l’arrivée de la sonde dans la sphère martienne. 

Le processus devient encore plus complexe quand il s’agit d’un choix combiné d’un site d’atterrissage pour la sonde et pour le Rover. Les équipes de dynamique du vol du CNES ont été impliquées par le passé dans la sélection du site d’atterrissage de Philae (à bord de la sonde européenne Rosetta) et de Mascot (à bord d’Hayabusa-2, sonde japonaise). C’est pourquoi le savoir-faire et l’expérience du CNES sur ce type d’activité ont été mis à disposition de la JAXA aussi pour MMX. 

Support à l’équipe MIRS

L’équipe de l’instrument MIRS, constituée de membres du CNES et du LESIA, compte parmi ses effectifs des experts en programmation mission, un sujet connexe à la mécanique spatiale. Néanmoins, l’équipe de dynamique du vol est présente pour intervenir quand il s’agit d’études qui demandent des connaissances spécifiques en mécanique spatiale. C’était le cas par exemple pour les premières études de couverture et résolution atteignables à partir des scénarios de QSO ou pour l’analyse de scénarios de survol de la lune Deimos alternatifs à l’option JAXA. Ce support s’étendra jusqu’à la phase opérationnelle, où une instance du logiciel opérationnel de dynamique du vol (FDS) installé sur le segment sol MMX du CNES permettra aux équipes de l’instrument d’ingérer les produits de trajectoire et attitude reçus de la sonde, ainsi que les éphémérides et autres informations sur les corps célestes. Avec ces informations, le FDS MIRS permettra de faire des calculs d’évènements orbitaux et géométriques pouvant avoir un impact sur la planification des observations de l’instrument (éclipses, créneaux de communication avec la Terre, position du point sub-solaire…)

Implication des équipes CNES aux activités opérationnelles de MMX

La participation des équipes de mécanique spatiale du CNES à MMX continue après le lancement: implémentation et exécution de la procédure de choix du site d’atterrissage, support aux opérations de descente et atterrissage, en plus du calcul d’évènements pendant la mission IDEFIX®. Il en sera de même pour MIRS, avec une partie du segment sol CNES dédié au calcul d’évènements orbitaux comme expliquée dans la rubrique dédiée. 

Par ailleurs, la participation des experts CNES en géodésie spatiale au Geodesy subscience team (GSST) de MMX assure aussi une contribution en termes de détermination précise du champ de gravité de Phobos, qui va jusqu’à l’exploitation des données en vol. 

Pour la première fois pour une mission de ce type, une participation de la part du CNES aux activités opérationnelles de la sonde elle-même a récemment été acceptée par la JAXA. Cette contribution portera notamment sur l’analyse des scénarios de trajectoire opérationnels, autant nominaux que de contingence, ainsi que sur la restitution d’orbite opérationnelle. Le rôle du CNES reste, bien entendu, un rôle de support et de validation croisée, sans responsabilité opérationnelle sur la sonde. Néanmoins, cette implication représente un énorme défi et l’opportunité de renforcer notablement la visibilité de nos équipes de dynamique du vol dans le monde de l’exploration interplanétaire.