Pioneer Venus Orbiter

La sonde atmosphérique emporte 12 instruments scientifiques représentant une masse totale de 45 kg [6] :

• le photo-polarimètre OCPP chargé de mesurer la distribution verticale des nuages et des particules présentes dans les couches brumeuses de l'atmosphère. Le détecteur est constitué par un télescope de 3,7 cm d'ouverture équipé d'une roue à filtres ;
• le radar ORAD destiné à cartographier les parties de Vénus qui ne peuvent être observées depuis la Terre. L'instrument a une résolution maximale de 150 mètres ;
• le radiomètre infrarouge OIR chargé de mesurer les émissions en infrarouge de l'atmosphère à différentes altitudes. L'instrument doit déterminer quelles sont les régions de l'atmosphère qui absorbent l'essentiel de l'énergie solaire ;
• le spectromètre ultraviolet OUVS mesure les caractéristiques du rayonnement ultraviolet émis et diffusé par les nuages reflétant la composition de ceux-ci ;
• le spectromètre de masse neutre ONMS mesure la densité des atomes et molécules neutres dans les dimensions horizontale et verticale ;
• le détecteur de plasma OPA mesure les caractéristiques du vent solaire à proximité de Vénus (densité, vitesse, direction et température) à l'aide d'un analyseur d'énergie électrostatique ;
• le magnétomètre OMAG est destiné à mesurer le champ magnétique faible de Vénus qui joue un rôle important en interagissant avec le vent solaire ;
• l'instrument de mesure des champs électriques OEFD mesure les ondes de plasma et les émissions radio dans les fréquences 50-50 000 hertz. Cet instrument doit contribuer à déterminer comment le vent solaire est dévié par Vénus ;
• la sonde de températures OETP mesure les caractéristiques thermiques de l'ionosphère ;
• le spectromètre de masse OIMS mesure la distribution des ions dans l'atmosphère, en particulier des charges positives et leurs concentrations ;
• l'analyseur d'énergie des ions ORPA mesure l'énergie des ions dans l'ionosphère : vitesse, température et concentration des ions les plus abondants ;
• le détecteur de sursauts gamma OGBD mesure les émissions gamma en provenance de l'extérieur du système solaire dont l'énergie est comprise entre 0,2 MeV et 2 MeV ;
• l'expérience de radio science mesure les caractéristiques de l'atmosphère à l'aide d'occultations radio en bande X et S ainsi que les variations du champ gravitationnel de Vénus à travers l'effet Doppler résultant des accélérations de la sonde spatiale.

La fenêtre de lancement de Pioneer Venus Orbiter s'ouvre le 20 mai 1978 et se referme le 10 juin 1978. La sonde spatiale est lancée dès le premier jour par une fusée Atlas SLV-3D Centaur. Alors que Pioneer Venus Multiprobe suivra une trajectoire interplanétaire de type I (la sonde spatiale parcourt moins d'une demi-orbite autour du Soleil), Pioneer Venus Orbiter suit une trajectoire de type II qui lui permet d'arriver à vitesse réduite en vue de la planète Vénus et de limiter ainsi la quantité d'ergols nécessaire à l'insertion en orbite. Le 1^er juin, une manœuvre de correction de trajectoire de 3,3 m/s doit être effectuée mais un système de sécurité trop sensible arrête la manœuvre. Les opérateurs au sol doivent temporairement désactiver celui-ci avant de donner l'instruction à la sonde spatiale de réitérer la manœuvre qui doit la placer sur une trajectoire frôlant l'hémisphère nord de Vénus à 348 km d'altitude. Début juin, le détecteur de rayons gamma de la sonde spatiale est mis à contribution pour une opération de triangulation conjointe avec les satellites Vela et Helios 2. Le but est de localiser l'origine d'un sursaut gamma, phénomène inexpliqué à l'époque. Ces mesures et d'autres effectuées par la suite permettront de situer l'origine du phénomène dans la région des Nuages de Magellan. Le 2 décembre, l'orientation de la sonde spatiale est modifiée pour préparer la manœuvre d'insertion en orbite. Après un séjour de 7 mois dans l'espace, le 4 décembre, le moteur à propergol solide est automatiquement mis à feu et fonctionne durant 28 secondes alors que la sonde spatiale, passée derrière la planète, est hors de portée des communications avec la Terre. Le système de propulsion qui doit fournir un changement de vitesse de 1 060 m/s est plus efficace que prévu et Pioneer Venus Orbiter se trouve placée sur une orbite de 23 heures 11 minutes au lieu des 24 heures visées avec un périgée de 378 km au lieu de 392 km. Les deux autres paramètre de l'orbite - l'apogée de 66 900 km et l'inclinaison de 105° - sont proches des valeurs prévues. Durant les jours suivants, plusieurs manœuvres orbitales sont effectuées pour placer la sonde spatiale sur son orbite cible puis la vitesse de rotation est abaissée de 15 tours à 5 tours par minute. C'était la première fois qu'un moteur à propergol solide était utilisé pour insérer une sonde spatiale en orbite autour d'une autre planète. Cette technique plus économique et plus sure présente l'inconvénient de nécessiter des corrections d'orbite postérieures importantes[Note 1]. Pioneer Venus Orbiter est la troisième sonde spatiale à se placer en orbite autour de Vénus mais le premier engin américain[5]^,[8].

La durée initiale de la mission Pioneer Venus Orbiter avait été fixée à 243 jours (durée d'une année vénusienne), mais, avant même que la sonde spatiale se mette en orbite autour de Vénus, les responsables de la NASA avaient autorisé un prolongement de la mission pour permettre le recueil de données scientifiques supplémentaires et compléter la cartographie radar. Durant les deux premières années, près de 100 corrections orbitales sont effectuées pour maintenir la sonde spatiale sur son orbite nominale. En juillet 1980, après 660 jours d'opération, ces manœuvres ont pratiquement épuisé l'hydrazine dont il ne reste plus que 4,5 kg. Pour prolonger la durée de la mission, les opérateurs laissent à partir de cette date l'altitude du périgée évoluer sous l'influence des forces gravitationnelles de Vénus et du Soleil ainsi que de la poussée du vent solaire sur le corps de la sonde spatiale. Le périgée va ainsi progressivement se relever de 160 à 2 270 km (atteint en juin 1986) avant de commencer à s'abaisser à nouveau jusqu'à ce que la sonde spatiale pénètre dans les couches denses de l'atmosphère vénusienne en 1992. Durant la phase de périgée élevé, peu influencé par la trainée atmosphérique, les scientifiques ont pu effectuer des mesures plus précises du champ gravitationnel de Vénus. Par contre, pour les mêmes raisons, ils n'ont pu effectuer des mesures in situ de l'atmosphère au moment du minimum du cycle solaire. En 1991, comme prévu, le périgée de l'orbite de la sonde spatiale se situe au-dessus de l'hémisphère sud à une altitude de 700 km. Les opérateurs ne réactivent pas le radar car la sonde Magellan, équipée d'un radar beaucoup plus puissant, s'est placée en orbite autour de Vénus le 10 août 1990. En septembre 1992, la sonde spatiale entame une série de manœuvres pour éviter que son périgée, sous l'influence des différentes forces perturbatrices, ne descende au-dessous de 130 km ce qui déclencherait sa rentrée atmosphérique et sa destruction. Mais en octobre, la sonde spatiale épuise ses dernières réserves d'ergols pour préserver son altitude et le 8 octobre, alors qu'elle boucle sa 5055^e orbite, l'altitude au périgée tombe à 128 km et la sonde est détruite par les forces de trainée[5]^,[9]^,[10].

Les mesures du champ magnétique par le magnétomètre de Pioneer Venus Orbiter confirment que Vénus ne dispose d'aucun magnéto interne. Les surfaces de la Terre et de Vénus sont profondément différentes. Sur Terre, on distingue d'une part des régions proches de l'altitude moyenne (0 km d'altitude soit le niveau des océans) représentant 35 % de la surface totale (correspondant aux surfaces continentales) et d'autre part les bassins océaniques (65 % de la surface) dont l'altitude moyenne est de −5 km par rapport au niveau de référence. Sur Vénus, 60 % de la surface s'écarte de moins de 500 mètres du niveau moyen fixé à 6 051,4 km. Les surfaces au-dessus du niveau moyen ne sont pas plus hautes et ne représentent pas une proportion très différente de ce qui se trouve sur Terre mais les surfaces sous le niveau moyen représentent une proportion marginale de la superficie[12].

Les instruments de la sonde spatiale démontrent que les ions et atomes d'hydrogène s'échappaient de l'atmosphère de Vénus ce qui, sur la durée, pouvait expliquer l'absence de vapeur d'eau. La mesure du ratio deutérium/hydrogène à l'aide du spectromètre de masse apporte une confirmation à la théorie de l'échappement atmosphérique. Le spectromètre ultraviolet identifie les composants dans l'atmosphère supérieure permettant de comprendre le rôle du dioxyde du soufre, de la vapeur d'eau et de l'acide sulfurique dans le "cycle du soufre". Une diminution de la concentration en dioxyde de soufre est observée au fil de la mission qui reste inexpliquée mais qui pourrait être attribuée à un déclin du volcanisme ou plus simplement à des changements dans la circulation atmosphérique. Le photo polarimètre permet de documenter la super-rotation de l'atmosphère de la planète (4 jours) mais également d'observer les modifications de la structure de l'atmosphère en particulier la persistance des structures en Y[13]^,[14].

Les instruments de Pioneer Venus Orbiter montrent que dans l'ionosphère, le dioxyde de carbone se dissocie en atomes et molécules d'oxygène dont les ions du coup prédominent. Le vent solaire en se heurtant à l'ionosphère de Vénus donne naissance à une onde de choc qui se situe à 1,3 rayon de Vénus (pour la Terre 14 à 16 rayons terrestres)[15].

Les instruments de la sonde spatiale recueillent au cours de la mission des données sur plusieurs comètes qui passent non loin de Vénus. En avril 1984, la sonde effectue des mesures des émissions en ultraviolet de la comète Encke et évalue la quantité d'eau éjectée alors que celle-ci atteint le périgée de son orbite autour du Soleil. En septembre 1985, des relevés sont effectués au passage de la comète Giacobini-Zinner. Lors du passage de la comète de Halley, début 1986, la sonde spatiale est idéalement placée pour effectuer des observations de la comète à son périgée. Les observations depuis la Terre sont difficiles car le Soleil s'interpose alors que la sonde spatiale se trouve à ce moment à 0,27 Unité Astronomique de la comète. Les observations qui s'étalent durant 2 mois permettent de calculer que la comète expulse environ 40 tonnes d'eau par seconde lorsqu'elle passe au plus près du Soleil. D'autres passages de comètes, moins fructueux sur le plan scientifique, sont observés par la suite[16].

Synthèse

• (en) Paolo Ulivi et David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 1 The Golden Age 1957-1982, Chichester, Springer Praxis, 2007, 534 p. (ISBN 978-0-387-49326-8)

Description de la mission

• (en) Pioneer Venus Press kit, NASA, 1978 (lire en ligne)
• (en) Lawrence Colin et Charles F. Hall, « The Pioneer Venus Program », Space Science Reviews, vol. 20,‎ 1977, p. 283-306
  Description des deux missions du programme Pioneer Venus
• (en) T. Donahue, « Why explore Venus ? », Space Science Reviews, vol. 20,‎ 1977, p. 259-263
  Pourquoi doit on envoyer une mission vers Vénus
• (en) Lawrence Colin, « The exploration of Venus », Space Science Reviews, vol. 20,‎ 1977, p. 249-258
  Histoire du programme Pioneer Venus
• (en) Lawrence Colin et D.M. Hunten, « Pioneer Venus Experiment Description », Space Science Reviews, vol. 20,‎ 1977, p. 451-525
  Description des expériences scientifiques embarquées à bord des sondes Pioneer Venus
• (en) D.M. Hunten, « Current knowledge of Venus », Space Science Reviews, vol. 20,‎ 1977, p. 265-282
  Les éléments dont disposent les scientifiques sur Vénus à l'époque de la conception de la mission

Résultats scientifiques

• (en) W.T. Kasprzak, The Pioneer Venus Orbiter : 11 years of data, NASA, 1990 (lire en ligne)
  Synthèse des résultats obtenus par la mission
• (en) Lawrence Colin et al., « The Pioneer Venus Program », Journal of Geophysical Research, vol. 85, n^o A13,‎ 30 décembre 1980, p. 7575-7598 (lire en ligne)
  Résultats intermédiaires du programme Pioneer Venus (1980)

• Vénus
• Exploration de Vénus
• Pioneer Venus
• Pioneer Venus Multiprobe
• Magellan

• (en) Site Astronautix : la sonde Pioneer Venus Orbiter
• (en) NASA : Page dédiée au projet Pioneer Venus
• (de) Site Bernd-Leitenberger : La sonde Pioneer Venus Orbiter
• (en) Présentation synthétique de la mission

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