établir le cap pour un survol historique Terre-Lune

Le 17 novembre 2023, la sonde spatiale Juice de l’ESA a effectué l’une des manœuvres les plus importantes de son voyage de huit ans vers Jupiter.

À l’aide de son moteur principal, Juice a modifié son orbite autour du Soleil pour se mettre sur la bonne trajectoire pour la double assistance gravitationnelle Terre-Lune de l’été prochain – la première du genre.

La manœuvre a duré 43 minutes et a consommé près de 10 % de la totalité de la réserve de carburant du vaisseau spatial. Il s’agit de la première partie d’une manœuvre en deux parties qui pourrait marquer la dernière utilisation du moteur principal de Juice jusqu’à son arrivée dans le système Jupiter en 2031.

La mission vers Jupiter s’accélère

Le Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) de l’ESA a été lancé depuis le port spatial européen en Guyane française le 14 avril 2023.

Sa mission consiste à effectuer des observations détaillées de la planète géante gazeuse et de ses trois grandes lunes océaniques : Ganymède, Callisto et Europe.

Mais Juice ne commencera ses investigations sur la nature et l’habitabilité possible du système Jupiter qu’à son arrivée en 2031.

Pourquoi faut-il si longtemps pour atteindre Jupiter ? Eh bien, la réponse courte est que cela a moins à voir avec la distance entre la Terre et Jupiter qu’avec la lutte contre l’attraction gravitationnelle massive du Soleil lorsque vous vous aventurez vers l’extérieur à travers le système solaire.

Les missions vers les planètes gazeuses géantes, telles que Juice, Europa Clipper, Galileo ou Juno, ne seraient guère plus que des réservoirs de carburant géants si elles devaient stocker seules toute l’énergie nécessaire pour vaincre la gravité du Soleil.

Au lieu de cela, ils utilisent des manœuvres « d’assistance gravitationnelle » ou de « survol » pour gagner de l’énergie en se balançant à travers les forts champs gravitationnels de diverses planètes sur leur chemin.

Tirer sur la Lune

Le premier coup de pouce de Juice viendra de sa planète d’origine, lors de son retour sur Terre en août 2024, plus d’un an après son lancement.

En fait, lors d’un survol unique en son genre, Juice passera d’abord par la Lune pour lui donner un coup de pied supplémentaire et rendre le survol de la Terre qui a lieu 1,5 jour plus tard encore plus efficace.

Mais même avec ce coup de pouce supplémentaire, pour tirer le meilleur parti de l’assistance gravitationnelle, Juice doit arriver au système Terre-Lune précisément au bon moment, à la bonne vitesse et en voyageant dans la bonne direction.

C’est là qu’intervient la manœuvre d’aujourd’hui.

Le 17 novembre, à 16h10 (CET), le moteur principal de Juice a effectué un brûlage qui a duré environ 43 minutes.

« Cette manœuvre a consommé environ 363 kg de carburant, soit presque exactement 10 % des 3 650 kg de carburant avec lesquels Juice a été lancé », explique Julia Schwartz, ingénieure en dynamique de vol au centre de contrôle de mission ESOC de l’ESA en Allemagne.

Il s’agit jusqu’à présent de la plus grande manœuvre de Juice. Jusqu’à aujourd’hui, Juice n’avait utilisé qu’environ 10 kg de carburant, principalement dans le cadre d’une série de courtes combustions utilisées pour aider à libérer son antenne RIME coincée.

«C’était la première partie d’une manœuvre en deux parties visant à mettre Juice sur la bonne trajectoire pour la rencontre de l’été prochain avec la Terre et la Lune. Cette première combustion a fait 95 % du travail, modifiant la vitesse de Juice de près de 200 m/s », ajoute Julia.

« Juice est l’un des vaisseaux spatiaux interplanétaires les plus lourds jamais lancés, avec une masse totale d’environ 6 000 kg, il a donc fallu beaucoup de force et beaucoup de carburant pour y parvenir. »

« Dans quelques semaines, une fois que nous aurons analysé la nouvelle orbite de Juice, nous réaliserons la deuxième partie de la manœuvre, beaucoup plus petite. Diviser la manœuvre en deux parties nous permet d’utiliser le deuxième allumage du moteur pour aplanir les imprécisions du premier.

Une manœuvre supplémentaire, beaucoup plus petite, utilisant les plus petits propulseurs de Juice pourrait être effectuée en mai 2024 pour la mise au point finale lors de l’approche de la Terre.

Dernière utilisation du moteur principal jusqu’en 2031

Pour une mission sur un voyage de huit ans, brûler 10 % de votre réserve de carburant en seulement 43 minutes peut paraître fou. Mais investir tout ce carburant maintenant sera rentable pour les années à venir.

« Si tout se passe bien dans les deux parties de cette manœuvre, nous n’aurons probablement plus besoin d’utiliser le moteur principal avant d’entrer en orbite autour de Jupiter en 2031 », déclare Ignacio Tanco, responsable des opérations de Juice Spacecraft. « Pour de petites corrections de trajectoire d’ici là, nous utiliserons les plus petits propulseurs de Juice. »

Mais cela ne veut pas dire que rien d’intéressant ne se passera d’ici l’arrivée de Juice sur Jupiter. Bien au contraire, le voyage est intéressant parce que il permet à Juice d’atteindre Jupiter sans allumer à nouveau son moteur principal, réduisant ainsi la quantité de carburant dont le vaisseau spatial a besoin et lui permettant de se remplir d’instruments scientifiques.

Juice commencera sa mission scientifique environ six mois avant d’entrer en orbite autour de Jupiter en 2031, effectuant des observations à l’approche de sa destination. Il effectue un premier survol de Ganymède quelques heures avant son insertion sur l’orbite de Jupiter. Une fois dans le système jovien et en orbite autour de Jupiter, une série de survols supplémentaires assistés par gravité de Ganymède aideront Juice à réduire son énergie orbitale si nécessaire. Crédit : ESA/Lightcurve Films/R. Andrés

Après le double survol Terre-Lune de 2024 (connu sous le nom d’assistance gravitationnelle Lunaire-Terre ; LEGA), Juice effectuera d’abord un survol de Vénus en 2025 et deux autres survols de la Terre en 2026 et 2029 (tous deux sans l’impulsion supplémentaire de la Lune).

« La manœuvre d’aujourd’hui garantira que Juice arrivera sur le système Terre-Lune au bon moment l’année prochaine pour le double survol », ajoute Ignacio.

« Et, grâce à la trajectoire intelligente conçue par notre équipe d’analyse de mission, ce survol l’alignera presque parfaitement sur tous les autres, sans que nous ayons à relancer le moteur principal. »

À chaque survol, le vaisseau spatial gagnera plus d’énergie que ce qui pourrait être obtenu en brûlant une quantité raisonnable de carburant – une énergie qui l’aidera à grimper vers Jupiter contre l’attraction de la gravité du Soleil.

« Il était très important que nous effectuions cette manœuvre aujourd’hui. Sinon, le coût – la quantité de carburant que nous aurions besoin de brûler pour atteindre la nouvelle orbite dont nous avons besoin – commencerait à augmenter considérablement », explique Ignacio.

Le burn d’aujourd’hui a également donné aux équipes l’occasion de s’assurer que le moteur principal de Juice fonctionne correctement. Il a été testé pour la première fois peu de temps après le lancement, mais jusqu’à aujourd’hui, il n’avait pas été utilisé pour une manœuvre d’une telle envergure dans l’espace lointain.

« Il y avait certaines choses que nous ne pouvions pas tester auparavant. Par exemple, nous n’avions qu’une estimation de la façon dont le liquide contenu dans les réservoirs de carburant se déplacerait à mesure que le vaisseau spatial accélère. Il est très important de le savoir précisément, car si le carburant se comporte différemment de ce à quoi nous nous attendons, le vaisseau spatial pourrait dévier de sa trajectoire pendant la combustion. Nous suivons donc de près.

Prochain arrêt : Jupiter !

La prochaine fois que Juice devra absolument allumer son moteur principal, ce sera lors de sa « Jupiter Orbit Insertion » en 2031. Il s’agit de la manœuvre la plus importante que les équipes de l’ESOC superviseront.

À peine 13 heures après avoir survolé Ganymède et être entré dans le système Jupiter, le vaisseau spatial devra ralentir d’environ 1 km/s, soit cinq fois le changement de vitesse obtenu aujourd’hui.

« Cela fait de la manœuvre d’aujourd’hui également un test important pour l’insertion de Jupiter : plus tôt nous saurons si nous avons des problèmes avec le moteur principal, mieux ce sera », explique Ignacio.

Une fois en orbite autour de la géante gazeuse, Juice peut commencer son exploration du système Jupiter. Les équipes de l’ESOC dirigeront Juice à travers une série de 35 survols des lunes océaniques. Là où autrefois les survols étaient annuels, à Jupiter, ils seront effectués aussi souvent qu’une fois toutes les deux semaines.

Ces gros plans des lunes glacées permettront aux vaisseaux spatiaux et aux scientifiques sur Terre de rassembler les données nécessaires pour mieux comprendre ces mystérieux mondes extraterrestres.