Philae (atterrisseur)

Maquette de l'atterrisseur Philae.

L'atterrisseur Philae s'est posé le 12 novembre 2014 sur le noyau de la comète pour étudier in situ les caractéristiques de celui-ci à l'aide des dix instruments scientifiques dont il dispose. Il se présente sous la forme d'un cylindre polygonal d'un mètre de diamètre pour 80 cm de haut et d'une masse totale de 97,9 kg dont 26,7 kg d'instrumentation scientifique. La structure est réalisée en fibre de carbone avec des panneaux d'aluminium en nid d'abeilles. Il comprend une partie chaude isolée de l'extérieur et une partie froide située à l'arrière dans laquelle se trouvent le système de fixation à l'orbiteur et les instruments déployés une fois Philae au sol : SD2, ROMAP, APXS et MUPUS[6]. L'atterrisseur est fixé à l'orbiteur par un mécanisme qui permet une séparation à une vitesse pré-ajustable entre 0,05 et 0,52 m/s. Philae dispose d'un train d'atterrissage tripode conçu pour amortir sa vitesse d'arrivée. Le corps de Philae peut pivoter et s'incliner (via une suspension à cardan) sur son train d'atterrissage. Ce mécanisme permet de compenser l'inclinaison du terrain, optimiser l'incidence des rayons lumineux sur les panneaux solaires et effectuer des prélèvements d'échantillon du sol à différents emplacements. L'atterrisseur dispose d'une roue de réaction qui est mise en rotation à 9 600 tr/s, fournissant un moment cinétique de 6,2 N m s. Celle-ci est utilisée pour stabiliser l'orientation de Philae durant sa descente vers le sol. L'atterrisseur ne dispose d'aucun système de propulsion pour corriger sa trajectoire ou son orientation. Son trajet jusqu'au sol de la comète dépend uniquement du point où se produit la séparation avec l'orbiteur ainsi que de la vitesse et de l'orientation acquises à ce moment-là[7].

En raison du manque d'informations sur la consistance de la surface au lancement de la sonde, trois dispositifs d'atterrissage complémentaires sont prévus. Les pieds du train d'atterrissage sont munis de surfaces de contact suffisamment larges pour éviter à la sonde de s'enfoncer dans un sol mou. Pour éviter un rebond Philae est muni d'un système propulsif à gaz froid (de l'azote) qui plaque au sol l'engin immédiatement après le contact avec la surface de la comète. Enfin deux harpons tirés depuis la partie inférieure de l'atterrisseur et des vis situées au niveau des pieds doivent lui permettre de se fixer solidement au sol[8]. Pour éviter que l'atterrisseur ne rebondisse, les trois pieds du train d'atterrissage sont équipés d'absorbeurs de chocs.

Le contrôle thermique constitue un des aspects les plus complexes de l'atterrisseur : celui-ci doit pouvoir fonctionner lorsque la comète se situe entre deux et trois unités astronomiques (UA). Par ailleurs, à la conception, il y a de nombreuses incertitudes sur l'ensoleillement de la zone d'atterrissage (lié à la rotation). Philae ne dispose pas de suffisamment d'énergie pour utiliser des résistances chauffantes. Les couches d'isolant sont donc conçues de manière que l'atterrisseur survive à la période la plus froide (à 3 UA), avec un système de stockage et de récupération de chaleur durant les moments d'ensoleillement. Lorsque le Soleil se rapproche à moins de deux UA, la température, devenue trop importante pour l'électronique, entraîne la fin des opérations[9].

L'énergie électrique est fournie par des batteries (une primaire et une secondaire) ainsi que des panneaux solaires. La batterie primaire non rechargeable, d'une masse de 3 kg, a pour rôle de fournir de l'énergie durant les 5 premiers jours d'opération, de manière à garantir que les principales mesures scientifiques seront réalisées quel que soit l'ensoleillement du site d'atterrissage. Cet accumulateur au lithium comprend 32 cellules LSH20 (8S4P = 4 groupes en parallèle de 8 cellules en série) utilisant le couple lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl₂) qui ont fourni, au moment du déploiement de Philae, 835 watts.heures[10] (environ 1 500 Wh au lancement[11]). La batterie secondaire rechargeable, de type lithium-ion et d'une capacité de 130 Wh (150 Wh au lancement), permet de poursuivre la mission une fois la batterie primaire épuisée. Elle est alimentée par des panneaux solaires qui recouvrent une grande partie de l'atterrisseur et qui fournissent 10 W de puissance (à 3 UA)[12].

Les données acquises sont stockées dans une mémoire de masse d'une capacité de deux fois douze méga-octets et transmises à l'orbiteur lorsque celui-ci est visible à l'aide d'un émetteur radio bande S d'une puissance d'un watt permettant un débit d'environ 16 kilobits par seconde. L'orbiteur transmet à son tour les données vers la Terre lorsque celle-ci est située dans l'axe de son antenne orientable et que les antennes de réception sont disponibles[13].

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  Vue du dessus de l'atterrisseur.
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  Deux harpons destinés à ancrer l'appareil au sol sont installés sous l'atterrisseur.
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  Détail du harpon.

Les instruments CIVA, SD2, ROMAP, MUPUS ainsi que le système de largage sont visibles sur cette maquette de Philae.

La charge utile de l'atterrisseur Philae est composée de dix instruments scientifiques qui représentent une masse de 26,7 kg[14] :

1. APXS (Alpha particle X-ray spectrometer) est un spectromètre à rayons X, alpha et protons chargé de déterminer la composition chimique du site d’atterrissage et ses variations potentielles lors de l'approche du soleil[15] ;
2. CIVA (Comet Infrared & Visible Analyser), d'origine franco-suisse, comprend cinq caméras panoramiques, un couple de caméras stéréoscopiques fournissant des images en relief, un spectromètre infrarouge ainsi qu'un microscope optique analysant des échantillons avec une résolution de 7 μm. Chaque caméra pèse 100 g et a une résolution d'un mégapixel. Les composants peuvent résister à des températures comprises entre −100 °C et 50 °C[16]^,[17] ;
3. CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission) est un sondeur radar qui sera utilisé en parallèle avec le même équipement embarqué sur l'orbiteur[18] ;
4. COSAC (Cometary Sampling and Composition experiment) est un pyrolyseur et analyseur (spectromètre de masse et chromatographe) qui doit analyser les gaz et les molécules organiques complexes prélevés dans le sol par SD2. Des échantillons prélevés sur le sol et dans le sous-sol seront portés à 800 °C dans le pyrolyseur puis analysés[19] ;
5. PTOLEMY mesure la composition isotopique des éléments légers (hydrogène, carbone, azote et oxygène) dans les échantillons de sol prélevés par SD2[20] ;
6. MUPUS (Multi-Purpose Sensors for Surface and Subsurface Science) est un ensemble de détecteurs mesurant la densité, les propriétés thermiques et mécaniques de la surface[21] ;
7. ROLIS (Rosetta Lander Imaging System) est une caméra CCD à haute définition située sous l'atterrisseur qui enregistrera des images de la zone d'atterrissage avant que Philae se pose puis des images de la structure du sol après cet événement[22] ;
8. ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor) est un magnétomètre qui doit mesurer l'intensité du champ magnétique de la comète et les interactions avec le vent solaire[23] ;
9. SD2 (Sample and Distribution Device) comprend un instrument de forage capable d'atteindre une profondeur de 25 cm et de préparer un échantillon qui est ensuite transmis aux mini-laboratoires PTOLEMY et COSAC[24] ;
10. SESAME (Surface Electrical, Seismic and Acoustic Monitoring Experiments) est composé de trois instruments qui étudient la propagation des ondes sonores à travers la surface, les propriétés électriques et les poussières retombant à la surface[25].

Structure de Philae et implantation des instruments scientifiques ou de leurs capteurs.

Rosetta et Philae.

La mission de Philae consiste à atterrir en douceur et sans dommage à la surface de la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko, à s'y cramponner et à transmettre des données scientifiques concernant la composition de cet objet céleste. Un milliard de simulations ont été réalisées concernant l'atterrissage de Philae[26]. Une fusée Ariane 5G+ portant la sonde Rosetta et l'atterrisseur Philae est partie de la Guyane la 2 mars 2004 à 7 h 17 UTC, et a voyagé pendant 3 907 jours (10,7 ans) jusqu'à la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Contrairement à la sonde Deep Impact, créée pour frapper le noyau de la comète 9P/Tempel le 4 juillet 2005, Philae n'est pas un impacteur. Certains de ses instruments sont utilisés pour la première fois de manière autonome durant le survol de Mars le 25 février 2009. CIVA, le système de caméra, a renvoyé des images alors que les instruments de Rosetta étaient éteints ; ROMAP a pris des mesures de la magnétosphère martienne. La plupart des autres instruments ayant besoin d'un contact avec une surface pour procéder aux analyses sont donc restés éteints durant ce survol. Une estimation optimiste de la durée de la mission après le contact était de quatre à cinq mois[27].

Le 12 novembre 2014, la page d'accueil du moteur de recherche Google Search a arboré un Google Doodle évoquant Philae[46]^,[47]

Vangelis a composé la musique de trois vidéos produites par l'Agence spatiale européenne pour célébrer le premier essai fructueux d'atterrissage sur une comète[48]^,[49]^,[50].

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  Atterrissage de Philae
  (vue d'artiste).
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  Les pieds réglables de Philae
  (vue d'artiste).
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  Signal de Rosetta reçu à l'ESOC (Darmstadt, Allemagne, 20 janvier 2014).

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  Agilkia : site prévu pour l'atterrissage de Philae

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Philae (spacecraft) » (voir la liste des auteurs).