La complexité de la tâche et la spécificité de la mission de retour d'échantillons martiens ont contraint l'ESA, Airbus et Thales Alenia Space à élaborer le satellite ERO, qui rapportera les échantillons sur Terre, dans une architecture inhabituelle. Plutôt que de construire un satellite qui emportera tout le carburant indispensable à sa mission, il a été nécessaire d'en concevoir un qui sera composé de deux modules, dont un servira uniquement à mettre en orbite le satellite ERO autour de Mars. Voici les explications de Mauro Patroncini, responsable du programme ERO-IOM chez Thales Alenia Space.
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On l'a vu dans un article précédent, ERO, le satellite de capture et de retour, dédié à la mission de retour d'échantillons martiensretour d'échantillons martiens sera conçu de façon différente par rapport aux satellites utilisés lors des missions précédentes. En effet, il sera composé de deux modules. Un module de retour vers la Terre et un module d'insertion en orbite.
Ce module d'insertion, Orbit Insertion Module (OIM) sera réalisé par Thales Alenia Space sous la maîtrise d'œuvre d'Airbus. Pour comprendre la nécessité d'un module d'insertion alors que jusqu'à présent les satellites se placent en orbite autour de Mars à l'aide de leur propre système de propulsion, il faut savoir qu'Ariane 64, qui sera utilisée pour lancer le satellite ERO, n'est pas capable de lancer directement vers Mars un satellite embarquant avec lui tout le carburant nécessaire à sa mission !
ERO emportera ce module d'insertion en orbite (OIM) conçu pour freiner le satellite après le long voyage de la Terre à Mars. Cette architecture étagée avec propulsion combinée est le meilleur compromis trouvé par l'ESA et Airbus pour optimiser le ratio masse structurelle / carburant afin de limiter l'emport d'ergols liquides sur ERO, et donc de masse. Une fois cette manœuvre réalisée avec succès, le module d'insertion en orbite sera séparé du module de retour afin de réduire la masse du vaisseau en vue de son retour sur Terre.
Massimo Claudio Comparini, directeur des Activités Observation, Exploration et Navigation de Thales Alenia Space résume pour Futura la mission et le rôle de ce module d'insertion en orbite. Celui-ci « est un étage à propulsion chimique supplémentaire, destiné à introduire le vaisseau spatial en orbite autour de Mars. Ce module joue un rôle clef car il permettra de réduire la vitessevitesse du vaisseau spatial ERO afin qu'il soit capturé par la gravitégravité martienne sur une orbite stable ».
La parole à Mauro Patroncini, responsable du programme ERO-IOM chez Thales Alenia Space
Futura : Tirez-vous parti d'un héritage antérieur pour concevoir le module OIM ?
Mauro Patroncini : L'OIM est un élément unique, conçu pour contrôler l'orbiteur MSR-ERO en le freinant après le long voyage de la Terre à Mars. Dans les deux missions Exomars, Thales Alenia Space avait acquis une expérience spécifique pour cette fonction. Sur la mission TGO (Trace Gas OrbiterOrbiter, 2016), le système de propulsion faisait partie du module d'insertion en orbite martienne et la même technologie bi-propulseurpropulseur a été utilisée. Pour la mission Exomars 2022, le module Carrier remplit une fonction similaire mais sans héberger le carburant nécessaire à l'insertion car il sera libéré avant le module d'insertion. Sur la mission MSR-ERO, l'OIM devra être libéré après l'insertion en l'orbite de Mars afin d'économiser de la masse pour le retour sur Terre.
Même s'il est conçu sur mesure pour cette mission spécifique et particulière, l'OIM s'appuie sur des technologies bien connues et sur la longue expérience de Thales Alenia Space dans le domaine des systèmes de propulsion, de l'électronique de commande, de la structure, du contrôle thermique, et de la conception et la fabrication d'éléments de câblage.
Quelles sont les contraintes imposées par l'ESA et la Nasa concernant les caractéristiques et les performances ? Sont-elles difficiles à mettre en œuvre ?
Mauro Patroncini : La masse de l'orbiteur MSR-ERO est plus élevée que lors des précédentes missions sur Mars. L'OIM doit donc fournir plus de deux fois la force de poussée que pour la mission Exomars 2016Exomars 2016 TGO par exemple, et pour une duréedurée plus longue. Pour cette raison, l'OIM sera équipé d'un certain nombre de propulseurs qui expulseront plus d'une tonne et demie de carburant.
De plus, la structure de l'OIM supportera l'ensemble de la structure de l'engin spatial et aidera à supporter les grands panneaux solaires pendant le lancement. Une contrainte non technique est le calendrier serré et les délais de livraison difficiles compte tenu de la complexité du système de propulsion complet, ce qui entraîne la sélection de technologies bien connues et déjà qualifiées.
L'OIM complique-t-il la mission ?
Mauro Patroncini : Au contraire, la présence de l'OIM permet de réduire la complexité de la mission. Comme pour un lanceurlanceur, une approche par étape permet une économie notable de carburant après la séparationséparation d'un étage. L'OIM fournit des fonctions similaires à un étage de lanceur, mais avec une double interface de séparation (avec le lanceur et avec le module de retour), supportant une partie des panneaux solaires lors du lancement et assurant le contrôle de la propulsion. À la différence d'un lanceur, il devra fonctionner après un long voyage de la Terre à Mars et survivre aux différents types d'environnement spatial.
Quels sont les risques opérationnels propres à l’OIM ?
Mauro Patroncini : L'insertion en orbite de Mars est l'une des opérations critiques nécessaires au succès de la mission, elle doit être effectuée au bon moment, de la bonne manière et c'est celle qui utilise une énergieénergie incroyablement élevée.
L'OIM est nécessaire pour permettre à ERO d'être capturé par la gravité martienne pour continuer sa mission. ERO seul arriverait trop vite pour être capturé ainsi et sans le frein puissant garanti par l'OIM, l'ERO ne pourrait pas entrer dans l'orbite martienne. La réduction de vitesse effectuée par l'OIM est un facteur clé pour le succès de la mission globale.
L'OIM n'est-il qu'un simple module propulsif qui sera abandonné après avoir réalisé sa mission ?
Mauro Patroncini : À première vue, l'OIM peut sembler être un système simple, mais ce n'est pas le cas. Il comprendra de nombreuses fonctionnalités et contribuera au contrôle d'attitude du vaisseau spatial. Mais, en effet, il sera séparé une fois sa mission terminée, afin de permettre un module de retour plus léger.
Quels types de moteur utilisera l’OIM ? Chimique, électrique ou un mixte des deux ?
Mauro Patroncini : L'OIM est uniquement basé sur un système de propulsion chimique bi-ergol commandé par une unité électronique en charge de contrôler les sous-systèmes thermiques de l'OIM et de commander les soupapes de propulseur. Le module de retour ERO lui aussi utilisera également la propulsion électrique en complément d'un système de propulsion chimique plus petit (en matièrematière de forces).
De quel type de moteur chimique s’agit-il ?
Mauro Patroncini : Une impulsion spécifiqueimpulsion spécifique élevée est nécessaire pour réduire la masse globale, et donc un système bi-ergol (MON : Mixed Oxides of Nitrogen et MMH : monométhylhydrazine) est le choix le plus évident.
La propulsion de l'OIM fournira non seulement près de 1 kN de poussée pendant la phase d'insertion en orbite de Mars mais, à travers le propulseur 22N, elle contribuera au contrôle d'attitude de l'orbiteur ERO pendant les manœuvres de croisière et d'insertion en orbite de Mars.
Si l’OIM rate sa mission, par exemple s’il ne parvient pas à allumer son moteur pour freiner ERO, la mission MSR est-elle perdue ?
Mauro Patroncini : Si la fonction OIM est totalement perdue, la mission échoue car la génération de poussée est un élément critique de la mission. Par conséquent, l'OIM est conçu de manière à pallier les points de panne unique. L'OIM comprendra donc toutes les redondances nécessaires pour permettre une reconfiguration du système de propulsion et assurer les performances nécessaires au bon moment.
Quelles sont les difficultés technologiques recensées et quelles sont les solutions à envisager ?
Mauro Patroncini : L'OIM utilise des technologies bien connues, mais dans une configuration très spécifique, avec des performances de pointe exigées pour ce type de module martien et avec un calendrier extrêmement tendu. L'engagement principal de Thales Alenia Space est de maîtriser la complexité du module afin de pouvoir le livrer dans les temps pour intégration dans ERO.
Une difficulté particulière dans la construction de l’OIM ?
Mauro Patroncini : L'architecture mécanique de OIM doit pouvoir supporter le poids de tout le composite MSR-ERO pendant le lancement, dont la masse sera de plusieurs tonnes, et également loger le grand système de propulsion. En ce qui concerne le contrôle thermique, l'architecture associée devra assurer le maintien des températures appropriées, y compris pendant les très longues périodes de combustioncombustion et cela, dans le froid de l'environnement orbital martien.
Dans ce contexte, les aspects thermiques et mécaniques doivent fonctionner ensemble car la complexité mécanique (poids, surfaces exposées, tubes, etc.) pilote la conception du contrôle thermique d'une part, et d'autre part, les performances thermiques minimisant la distorsion thermique et la masse des éléments thermiques, aident à la conception mécanique. Cette forte relation entre les deux disciplines est généralement reconnue sous la dénomination d'architecture thermomécanique.
