Jupiter Icy Moons Explorer

Jupiter Icy Moons Explorer
Sonde spatiale
Description de cette image, également commentée ci-après
Vue d'artiste de la sonde JUICE survolant Ganymède.
Données générales
Organisation Drapeau de l’Union européenne Agence spatiale européenne
Constructeur Drapeau de l’Union européenne Airbus DS
Programme Cosmic Vision
Domaine Exploration des satellites galiléens de Jupiter
Type de mission Orbiteur
Lancement Juin 2022
Lanceur Ariane 5 ECA
Survol de Callisto, Europe, Ganymède
Insertion en orbite Janvier 2030 (Jupiter)
Durée 3,5 ans (mission primaire)
Site Site ESA
Caractéristiques techniques
Masse au lancement ~5 100 kilogrammes
Masse instruments ~285 kg
Propulsion Chimique
Masse ergols ~2900 kg
Δv 2,7 km/s
Source d'énergie Panneaux solaires (85 m²)
Puissance électrique 725 W (au niveau de Jupiter)
Orbite
Satellite de Jupiter, Ganymède
Principaux instruments
UVS Spectromètreimageur ultraviolet
J-MAG Magnétomètre
MAJIS Spectromètre imageur infrarouge et visible
JANUS Caméra
GALA Altimètre laser
PEP Analyse plasma
PRIDE Inteférométrie radio et doppler
RIME Radar sondeur
RPWI Analyse ondes radio et plasma
SWI Spectrographe submillimétrique =

Jupiter Icy Moons Explorer, en abrégé JUICE, est une mission spatiale de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancée en 2022 vers les satellites naturels de Jupiter par une fusée Ariane 5. La sonde spatiale doit étudier en les survolant à plusieurs reprises trois des quatre satellites galiléens de Jupiter — Callisto, Europe et Ganymède — avant de se placer en orbite autour de Ganymède en pour une étude plus approfondie qui doit s'achever en . Pour parvenir jusqu'au système jovien, la sonde utilise à trois reprises l'assistance gravitationnelle de la Terre et une fois celle de Vénus.

L'objectif central de la mission est de déterminer si des conditions propices à l'émergence à la vie sont présentes dans les océans souterrains qui semblent exister sur trois des quatre lunes galiléennes. Il s'agit de déterminer les caractéristiques de ces océans et de reconstituer les modalités de leur formation. Des études plus poussées seront effectuées sur Ganymède qui présente la particularité de comporter d'un champ magnétique notable. La sonde spatiale doit également faire avancer nos connaissances sur l'atmosphère et la magnétosphère de la planète Jupiter.

La sonde a une masse d'environ 5,1 tonnes et utilise des panneaux solaires pour produire son énergie. Elle emporte environ 285 kilogrammes d'instrumentation scientifique. Ceux-ci comprennent des spectromètres pour l'étude de la composition du sol et de l'atmosphère des lunes, une caméra et un altimètre pour réaliser une carte topographique de leur surface, un radar pour étudier les strates superficielles du sous-sol et notamment de la croute de glace et des océans éventuels, une expérience de radio permettant de déduire la structure interne des astres, un magnétomètre et des instruments de mesures des champs et des particules pour déterminer les caractéristiques de l'environnement spatial.

JUICE est la première mission scientifique phare (classe L) du programme spatial scientifique de l'ESA, le programme Cosmic Vision pour la décennie 2015-2025. Le projet est lancé sous l'appellation Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) mais est légèrement remanié et rebaptisé à la suite de l'abandon en 2010 par la NASA de sa mission Jupiter Europa Orbiter (JEO), à destination d'Europe, avec laquelle JGO forme la Europa Jupiter System Mission - Laplace (EJSM - Laplace). JUICE, opposée aux projets d'astronomie spatiale ATHENA et NGO, est sélectionnée par le comité du programme scientifique de l'ESA en . Il s'agit de la première sonde spatiale européenne à destination des planètes externes du Système solaire.

Contexte

Jupiter et les lunes galiléennes

La planète Jupiter avec son cortège de satellites constitue l'archétype des planètes géantes gazeuses présentes dans le Système solaire. Les lunes galiléennes sont les quatre plus grands satellites naturels de Jupiter. Par ordre d'éloignement à la planète, il s'agit de Io, Europe, Ganymède et Callisto. Ces satellites sont parmi les plus grands objets du Système solaire à l'exception du Soleil et des huit planètes, tous étant plus grands que les planètes naines. En particulier, Ganymède est la lune la plus grande et la plus massive du Système solaire, dépassant en taille la planète Mercure.

Les quatre lunes ont une densité décroissante avec la distance de Jupiter, Callisto la plus éloignée étant la moins dense. Alors que cette lune semble dépourvue d'un noyau différencié les trois autres disposent d'un noyau plus dense et d'un manteau constitué de matériaux moins denses.

Principales caractéristiques des lunes galiléennes[1]
Io Europe Ganymède Callisto
Photographie
(par Galileo)
Io highest resolution true color.jpg Europa-moon.jpg Ganymede, moon of Jupiter, NASA.jpg Callisto, moon of Jupiter, NASA.jpg
Structure interne PIA01129 Interior of Io (cropped).jpg PIA01130 Interior of Europa (cropped).jpg PIA00519 Interior of Ganymede (cropped).jpg PIA01478 Interior of Callisto (cropped).jpg
Rayon moyen
(km)
1 821,5 1 560,8 2 631,2 2 410,3
Densité
(g/cm3)
3,530 3,010 1,940 1,830
Demi-grand axe
(km)
421 800 671 100 1 070 400 1 882 700
Période orbitale
(jours terrestres)
1,769 138 3,551 181 7,154 553 16,689 017
Inclinaison de l'axe
(degrés)
0,04 0,47 0,44 0,19
Excentricité orbitale 0,004 0,009 0,001 0,007
Principales caractéristiques Surface très jeune
400 volcans actifs
Noyau métallique
Absence d'eau
Radioactivité très élevée (3600 rem/jour)
Surface très jeune
Croûte de glace flottant sur un manteau de glace plus chaud
Océan subglaciaire ?
Noyau métallique (à confirmer)
Radioactivité très élevée (500 rem/jour)
Surface ancienne
Croûte de glace flottant sur un manteau de glace plus chaud
Océan subglaciaire ?
Noyau métallique liquide
Présence d'un champ magnétique
Radioactivité élevée (8 rem/jour)
Surface très ancienne
Mélange de glace et de roche non différencié
Présence d'un océan subglaciaire ?
Pas de noyau
Radioactivité négligeable (0,01 rem/jour)

Exploration des lunes galiléennes

La sonde spatiale Galileo découvre en 1995 que trois des quatre lunes dites galiléennes de Jupiter (Europe, Ganymède et Callisto) pourraient posséder un océan sous leur croûte glacée. Ce dernier pourrait constituer un environnement habitable permettant l'émergence d'une vie organisée. Si les géantes gazeuses, très fréquentes dans les autres systèmes planétaires, sont similaires à Jupiter, alors les satellites recouverts de glace pourraient constituer l'habitat le plus fréquent dans l'Univers, plus fréquent que les planètes analogues à la Terre qui nécessitent que des conditions très précises soient réunies pour que leurs océans à l'air libre puissent exister[2].

La sonde Galileo découvre également que Ganymède comporte un champ magnétique, une caractéristique unique parmi les satellites naturels du Système solaire. Par ailleurs Ganymède et Europe sont le siège d'une activité interne due aux forces de marée créées par Jupiter ainsi que par d'autres sources d'énergie. L'étude des environnements très différents de ces quatre lunes doit permettre d'identifier les mécanismes physiques et chimiques qui conditionnent l'évolution du système jovien[2].

Historique du projet JUICE

Présélection de la mission JGO et coopération avec la NASA (2009-2011)

La première version du projet en collaboration avec la NASA : la mission américaine JEO (en haut) et la sonde européenne JGO (en bas).

La mission, sous l'appellation JGO (Jupiter Ganymede Orbiter), s'inscrit initialement dans le cadre du programme d'exploration américano-européen du système jovien Europa Jupiter System Mission (EJSM) qui comprend également la mission de la NASA Jupiter Europa Orbiter (JEO). Cette dernière doit se placer en orbite autour d'Europe, satellite de Jupiter, pour l'étudier. La coordination entre les deux missions doit porter à la fois sur le développement de l'instrumentation scientifique et sur les objectifs scientifiques.

L'abandon de la mission JEO par la NASA et la refonte du projet européen (2011-2012)

À la suite de l'abandon de la mission JEO par la NASA pour des raisons budgétaires, l'Agence spatiale européenne décide en de refondre le programme de la mission JGO pour tenir compte de ce nouveau contexte. Le nouveau projet est baptisé JUICE. La participation américaine dans le projet de départ ne constitue pas une contrainte. La réflexion porte essentiellement sur la capacité du projet à prendre en charge l'objectif assigné à la sonde américaine c'est-à-dire l'étude de la lune Europe. L'étude conclut que la collecte des données prévue sur Europe nécessite d'effectuer 50 à 100 survols de cette lune ce qui implique de sacrifier l'étude des autres lunes et de Jupiter. Par ailleurs, les survols d'Europe doivent s'effectuer dans un environnement radiatif beaucoup plus sévère qui nécessite un budget qui n'entre peut-être pas dans l'enveloppe assignée à la mission européenne[3]. Compte tenu de ces conclusions, l'ESA décide de modifier son projet JGO pour y inclure deux survols d'Europe ainsi qu'une phase d'exploration de Jupiter sur une orbite à forte inclinaison[4],[5].

Calendrier et contenu de la mission avant et après refonte de 2011[6]
Jalon JUICE Projet JGO (projet initial)
Lancement
Nombre assistances gravitationnelles 4 3
En orbite autour de Jupiter
En orbite autour de Ganymède 2028
Fin de la mission 2029
Survols 2 survols d'Europe
3 + 9 survols de Callisto
Orbite autour de Ganymède
9 survols de Callisto
Orbite autour de Ganymède
Étude de Ganymède Orbite elliptique haute (5 mois)
Orbite circulaire 500 km (3 mois)
Orbite circulaire 200 km (1 mois)
Orbite elliptique haute
puis orbite circulaire 5 000 km (6 mois)
Orbite circulaire 400 km (6 mois)

Sélection de la mission dans le cadre du programme européen Cosmic Vision (2012)

La mission refondue renommée JUICE fait partie des candidats à la mission large (L1) du programme Cosmic Vision qui rassemble les missions scientifiques de l'Agence spatiale européenne. À l'issue d'un processus de présélection, trois projets de mission sont retenus : NGO (anciennement LISA) un observatoire d'ondes gravitationnelles utilisant la technique de l'interférométrie, ATHENA (anciennement IXO) et XEUS un télescope spatial à rayons X développé avec l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) et JUICE. Le projet JUICE est déclaré vainqueur de la sélection le . La mission doit être lancée en par une fuse européenne Ariane 5[7].

De son côté, la NASA se tourne vers une mission centrée sur la lune Europe, avec le programme Europa Clipper, qui après avoir rencontré des problèmes de financement obtient le soutien du Congrès américain. Elle lance en parallèle en la mission Juno qui doit étudier la structure interne de Jupiter, ainsi que sa magnétosphère. Cependant, l'étude des lunes galiléennes et celle du système jovien ne font pas partie de ses objectifs[2].

Conception et construction de la sonde spatiale (2013-2022)

La liste des dix instruments emportés par JUICE est figée en février 2013. Ceux-ci sont développés par des laboratoires de 16 pays européens ainsi que des établissements situés aux Etats-Unis et au Japon en utilisant les budgets des pays concernés. L'Agence spatiale européenne sélectionne en juillet 2015 l'établissement français d'Airbus comme industriel chef de file pour la réalisation de la sonde spatiale proprement dite[Note 1] . Le contrat d'une valeur de 350 millions euros couvre la conception, le développement, l'intégration, les tests et la phase de commissionnement en vol. L'assemblage de la sonde spatiale doit être réalisé en Allemagne dans l'établissement de Friedrichshafen d'Airbus[8]. Le lancement de JUICE par une fusée Ariane 5 ou Ariane 64 est contractualisé en juin 2019[9].

Les installations du CERN (instrument VESPER) sont utilisées pour tester tous les équipements sensibles qui seront soumis aux rayonnements ionisants caractérisant l'orbite jupitérienne. En avril 2017 la NASA qui fournit l'instrument UVS et contribue aux instruments PEP et RIME (budget total 114,4 millions US$) entame la phase de fabrication de ces équipements. Les tests effectués dans les locaux de l'établissement de Toulouse d'Airbus sur le modèle d'ingénierie de la sonde spatiale s'achèvent avec succès en décembre 2018. La construction du modèle de vol démarre après le feu vert reçu en avril 2019 à l'issue de revue des spécifications critiques (CDR). L'établissement de Madrid fabrique tout d'abord la structure de JUICE avec la participation de RUAG (Suisse). En novembre 2019 les derniers panneaux solaires sont livrés par la société Airborne à Airbus Pays-Bas qui est chargée de les assembler. Le système de propulsion, qui comprend principalement les deux réservoirs principaux d'ergols en titane, un moteur-fusée principal et 20 petits propulseurs, est intégré à Lampoldshausen (Allemagne) avec la structure fournie par l'établissement de Madrid. En février 2020 UVS (spectrographe ultraviolet) est le premier instrument livré pour intégration avec la sonde spatiale. L'assemblage final du modèle de vol débute en avril 2020 à Friedrichshafen (Allemagne) où l'engin spatial a été convoyé par un convoi routier exceptionnel. Les différents instruments scientifiques, l'électronique, les ordinateurs de bord, les systèmes de communication et l'isolation thermique sont ajoutés. Après l'achèvement de l'assemblage, JUICE est transporté en mai 2021 dans les locaux de l'ESTEC pour entamer une phase de test dans la chambre à vide que possède cet établissement de l'Agence spatiale européenne. La sonde spatiale doit être livrée en juillet 2020 à Airbus Toulouse pour une dernière phase de tests avant son transport à Kourou d'où elle sera lancée[8],[10].

Objectifs scientifiques

Exploration de la zone habitable des lunes galiléennes

L'objectif scientifique principal de la mission JUICE est de déterminer dans quelle mesure les lunes de Jupiter et en particulier Ganymède sont susceptibles d'accueillir la vie.

Les objectifs scientifiques de la mission sont les suivants[11] :

Déterminer les caractéristiques de Ganymède en tant que planète et qu'habitat potentiel
  • Déterminer l'étendue de l'océan et ses interactions avec le noyau rocheux de la lune.
  • Déterminer les caractéristiques de sa croûte glacée.
  • Comprendre le processus de formation des structures présentes en surface et rechercher les indices d'activités passées et présentes.
  • Déterminer les caractéristiques de l'environnement local et ses interactions avec la magnétosphère de Jupiter.
Explorer les régions d'Europe sièges d'une activité récente
  • Déterminer la composition des matériaux autres que la glace en particulier lorsqu'ils peuvent concerner l'habitabilité de la lune.
  • Rechercher de l'eau sous forme liquide dans les régions les plus actives.
  • Étudier les processus ayant laissé des traces récentes.
Étudier Callisto en tant que vestige du système jovien initial
  • Déterminer les caractéristiques des couches externes y compris les océans.
  • Étudier l'activité passée.

Étude du système jovien

Déterminer les caractéristiques de l'atmosphère de Jupiter
  • Dynamique et circulation de l'atmosphère.
  • Déterminer la composition de l'atmosphère et les processus chimiques.
  • Déterminer la structure verticale de l'atmosphère.
Explorer la magnétosphère de Jupiter
  • Étudier les propriétés du magnéto disque jovien et son rôle d'accélérateur de particules.
  • Comprendre le rôle des lunes en tant que source et puits du plasma magnétosphérique.
Étudier les satellites de Jupiter et le système d'anneaux
  • Étudier l'activité d'Io et la composition de sa surface.
  • Déterminer les caractéristiques principales des anneaux de Jupiter et des petits satellites de la planète géante.

Instrumentation scientifique

Pour atteindre ces objectifs la sonde spatiale emporte 10 instruments ou suites instrumentales. La charge utile représente une masse de 285 kg[12],[13].

Imagerie et composition de la surface et de l'atmosphère de Jupiter et ses lunes

Quatre instruments sont chargés de réaliser des images de Jupiter et ses lunes et de le composition de la surface et de l'atmosphère :

Spectromètre MAJIS

Le spectromètre MAJIS (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer) en lumière visible et infrarouge (VIRHIS).

Spectrographe ultraviolet UVS

Le spectrographe ultraviolet UVS (UV Imaging Spectrograph).

Sondeur millimétrique SWI

Le télescope millimétrique SWI (Sub-millimetre Wave Instrument) est un instrument équipé d'un miroir primaire de 29 centimètres qui comprend des spectromètres/radiomètres fonctionnant dans deux canaux de 530 à 625 GHz et de 1080 à 1275 GHz. La résolution spectrale des spectromètres est comprise entre 106 à 107. Un mécanisme de balayage permet de pointer à ± 72 degrés du point visé par la sonde dans la direction du déplacement durant les survols de Jupiter et perpendiculairement à cette direction durant les survols de Ganymède et de ± 4.3 degrés dans la direction orthogonale[14].

L'instrument SWI étudie la composition et la dynamique de la stratosphère de Jupiter et son couplage avec les couches atmosphériques basse et haute (détermination de la température et des caractéristiques des vents stratosphériques). Il doit caractériser l'atmosphère ténue des lunes galiléennes (détermination des contraintes concernant l'abondance de l'eau, pour Io rapport SO/SO2). L'instrument détermine les rapports isotopiques des principaux composants des atmosphères de Jupiter et de ses lunes (principalement H2O, CO, HCN, CS, NH3, SO, SO2). Il mesure les propriétés de la surface et des couches superficielles des satellites de Jupiter (présence de points chauds et de cryovolcanisme)[14].

Caméras JANUS

Les caméras JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator, camera system) comprennent une caméra à haute résolution (HRC) et une caméra grand angle munie de 12 filtres (WAC).

Topographie de la surface et structure interne

Modèle de test du magnétomètre à l'ESA.
Modèle de vol du capteur scalaire MAGSCA du magnétomètre.

Trois instruments reconstituent la topographie de la surface, la structure du sous-sol et le champ de gravité :

Altimètre laser GALA

L'altimètre laser GALA (Ganymede Laser Altimeter) est un lidar bi-statique (1064 nanomètres) qui contribue à reconstituer la topographie des lunes. Cet instrument de 15 kg développé par des laboratoires allemand (laser) et japonais (récepteur) dérive de BELA embarqué à bord de la sonde spatiale européenne BepiColombo (2018) et des altimètres des sondes spatiales japonaises Hayabusa (2009), Hayabusa 2 (2015) et Kaguya (2007). Lors des survols de Ganymède il est utilisé pour déterminer la forme générale de la Lune, sa topographie globale à différentes échelles (avec une résolution horizontale maximale de un degré), la rugosité de sa surface, l'inclinaison du sol, sa rigidité (nombre de Love h2) avec une précision de 1% qui doit permettre de déterminer l'épaisseur de la couche de glace à la surface et l'épaisseur de l'océan souterrain avec une précision de 10 kilomètres. Lors des survols d'Europe l'instrument doit permettre d'identifier des dépressions topographiques régionales en particulier dans les terrains chaotiques et les zones qui qui peuvent contenir de l'eau liquide à faible profondeur. Durant les survols de Callisto l'instrument doit permettre de déterminer la forme globale de la lune, identifier les dépressions régionales en particulier les bassins en anneau et les grands cratères, obtenir des profils de différents types de terrains fournir la corrélation entre la rugosité de la surface et la dégradation et l'érosion des cratères[15].

Radar RIME

Le radar RIME (Radar for Icy Moons Exploration) détermine la structure du sous-sol jusqu'à une profondeur de quelques kilomètres en émettant en basse fréquence (9 MHz). Il doit en particulier collecter des données sur la glace de surface et les océans subglaciaires. Il comporte une antenne dipole de 16 mètres de long.

Spectromètre MAJIS

  • L'expérience 3GM (Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons).

Étude de l'environnement du système jupitérien : magnétosphère, plasmas et champs

Trois instruments mesurent in situ les différences caractéristiques de l'environnement spatial de Jupiter et ses lunes galiléennes :

Magnétomètre J-MAG

Le magnétomètre J-MAG (Magnetometer for JUICE) comprend deux capteurs fluxgate et un capteur scalaire fixés au bout d'une antenne de 5 mètres de long permettant de limiter les perturbations créées par le champ magnétique produit par la sonde spatiale.

Mesure des particules et plasma PEP

L'instrument de mesure des particules et du plasma PEP (Particle Environment Package) comprend six types de capteurs répartis en quatre sous-ensemble qui couvrent tout le périmètre de la sonde spatiale. Ils étudient les ions et électrons du plasma, les atomes neutres dans une vaste gamme d'énergie avec une certaine résolution angulaire et spectrale. L'objectif de ces mesures est de comprendre les interactions entre le plasma et la magnétosphère et l'évolution des particules[16].

Mesure des ondes radio et plasma RPWI

L'instrument de mesure des ondes radio et plasma RPWI (Radio & Plasma Wave Investigation) réalise trois types d'observation : mesure électrique des ondes du plasma (LP-PWI), mesure des émissions radio (RWI) et mesure des champs magnétiques alternés (SCM). Il dispose de plusieurs antennes de 2 à 3 mètres de long.

Principales caractéristiques des instruments scientifiques[12]
Instrument Responsable (s) scientifique(s) Masse et Consommation Description Principaux objectifs Performances Laboratoires
JANUS Drapeau de l'Italie Pasquale Palumbo
adj. : Drapeau de l'Allemagne Ralf Jaumann
Caméra en lumière visible Géologie des lunes glacées, dynamique atmosphère de Jupiter, activité Io Longueurs d'ondes : 380-1080 nm
Résolution spatiale ≥7,5 m.
Drapeau de l'Italie Université de Naples - Parthénope
MAJIS Drapeau de la France Yves Langevin
adj. : Drapeau de l'Italie Guiseppe Piccioni
Spectrographe imageur visible, proche infrarouge Composition de la surface, chimie de l'atmosphère de Jupiter Longueurs d'ondes : 0,9_1,9 et 1,5-5,7 microns
Résolution spatiale ≥62,5 m.
Drapeau de la France Institut d'astrophysique spatiale
UVS Drapeau des États-Unis Randy Gladstone Spectrographe imageur ultraviolet Aurores, albedo des surfaces, atmosphère des lunes et de Jupiter Longueurs d'ondes : 55-210 nm
Résolution anglulaire 0,04-0,16°
Drapeau des États-Unis SwRI
SWI Drapeau de l'Allemagne Paul Artogh Spectrographe submillimétrique Vents de Jupiter, température et composition des atmosphère des lunes Drapeau de l'Allemagne MPS
GALA Drapeau de l'Allemagne Auke Hussman 15 kg ; 52 Watts Altimètre laser Forme et toppographie des lunes Drapeau de l'Allemagne DLR
RIME Drapeau de l'Italie Lorenzo Brizzone
adj. : Drapeau des États-Unis Jeff Plaute
Radar Analyse du sous-sol des lunes Longueur d'ondes : 9 Hz
Profondeur max : 9 km
Résolution verticale : 50 m.
Drapeau de l'Italie Université de Trente
3GM Drapeau de l'Italie Luciano Iess
adj. : Drapeau des États-Unis David J. Stevenson
Exploitation émissions radio Mesure champ gravitationnel, structure interne des lunes Distance : 2 cm
Vitesse : 2 microns/s.
Drapeau de l'Italie Université La Sapienza
JMAG Drapeau du Royaume-Uni Michele Dougherty Magnétomètres scalaire et fluxgate Mesure du champ magnétique, détection présence océan de Ganymède Amplitude : ±8000 nT
Résolution : 0,2 nT.
Drapeau du Royaume-Uni Imperial College
RPWI Drapeau de la Suède Jan-Erik Wahlund Sonde de Langmuir, magnétomètre et antenne dipole Caractéristiques du plasma Amplitude : ±8000 nT
Résolution : 0,2 nT.
Drapeau de la Suède Institut suédois de physique spatiale
PRIDE Drapeau des Pays-Bas Leonid Gurvits Interférométrie et Doppler Éphémérides Drapeau des Pays-Bas JIVE
PEP Drapeau de la Suède Stas Barabash
adj. : Drapeau de la Suisse Peter Würz
JDC : Mesure du plasma d'ions et d'électrons • Énergie : 1 eV - 41 keV
• Résolution énergétique : 12%
• Résolution masse atomique 1/30
• Résolution spatiale 5,5 x 19,5°
Drapeau de la Suède Institut suédois de physique spatiale
JEI : Mesure du plasma d'ions et d'électrons • Énergie : 1-50 keV
• Résolution énergétique : 4,9%
• Résolution spatiale : 20 x 10 °
Drapeau de l'Allemagne Institut Max Planck
NIM : Spectromètre de masse à temps de vol Mesure des ions et des gaz neutres Drapeau de la Suisse Université de Berne
JENI : caméra atomes neutres et spectromètre imageur ions et électrons Analyse des processus de la ceinture de radiation Drapeau des États-Unis APL
JoEE : Spectromètre électrons à haute énergie • Énergie : 25 keV - 1 MeV
• Résolution énergétique : 20%
• Résolution spatiale : 12x22 °
Drapeau des États-Unis APL
JNA : Analyseur atomes neutres Mesure des flux d'atomes neutres produits par la surface de Ganymède • Énergie : 10 eV-3 keV
• Résolution spatiale : 7° x 25°
Drapeau de la Suède Institut suédois de physique spatiale

Caractéristiques techniques de la sonde spatiale

Contraintes et choix d'architecture

La conception de la sonde est dictée par les contraintes suivantes[17] :

  • Du fait de l'éloignement du Soleil au niveau de l'orbite de Jupiter, l'énergie disponible est 25 fois moins importante qu'au niveau de l'orbite terrestre.
  • L'Agence spatiale européenne ne disposant pas de RTG, la sonde spatiale doit recourir aux panneaux solaires pour produire l'énergie électrique. Ce choix pénalisant au niveau de la masse et du contrôle d'attitude est également celui de la sonde américaine Europa Clipper qui a la même destination pour des raisons de coûts.
  • L'environnement radiatif sévère dans lequel la sonde doit circuler à compter de son arrivée dans le système jovien.
  • Le nombre important de manœuvres (plus de 25) utilisant la propulsion principale d'une part pour l'assistance gravitationnelle durant la phase de transit entre la Terre et le système jovien d'autre part pour effectuer les survols programmés durant la phase scientifique. Ces manœuvres nécessitent d'emporter une quantité importante de carburant (ratio de 2,6 à 1 entre la masse totale et la masse sèche).
  • L'éloignement de la Terre : le temps mis par le signal radio pour faire un aller-retour est de 1 h 46 ; la sonde doit donc disposer d'une grande autonomie pour exécuter sa mission.

Caractéristiques de la plate-forme

La sonde spatiale est construite autour d'une structure cylindrique centrale de 1,4 mètres de diamètre qui s'interface avec l'adaptateur du lanceur de 1,666 mètres de diamètre via un cône de faible hauteur. Le cylindre central contient les deux principaux réservoirs d'ergols. Autour de ce cylindre s'articulent six cloisons structurelles et quatre parois externes légères[18]. Juice a une masse totale de 5 100 kg dont environ 2 900 kg de carburant qui doivent permettre de produire un delta-v d'environ 2,7 km/s. La sonde spatiale emporte 285 kg d'instrumentation scientifique.

Le corps de la sonde spatiale a une forme parallélépipédique. L'axe du cylindre +Z/-Z est perpendiculaire à la surface des astres lors de leur survol. L'axe +X/-X est orienté vers le Soleil : l'antenne parabolique grand gain se situe sur la face -X qui fait face au Soleil (et à la Terre lorsque la sonde spatiale se trouve proche de Jupiter). L'axe des panneaux solaires coïncide avec l'axe +Y/-Y. Les capteurs des instruments qui sont pointés vers les astres pour leurs observations (caméra JANUS, spectromètres MAJIS, UVS, SWI et altimètre GALA) et qui doivent être co-alignés sont installés sur un banc optique fixé sur la face -Z au sommet du cylindre et à l'opposé de la face (+Z) où se situent la propulsion principale et l'adaptateur qui sert d'interface avec le lanceur. Sur la face -Z sont également installés les instruments ayant besoin d'un large champ de vue : certains capteurs de PEP (NIM, JEI, JNA, JENI) et l'antenne radar de RIME. Les capteurs de RPWI et du magnétomètre JMAG sont installés à l'extrémité de perches pour les éloigner des sources de perturbation produites par l'électronique de la sonde spatiale. Deux capteurs de PEP (JDC et JoEE) sont fixés sur la face au zénith (+Z)[19].

Schéma de la sonde avec ses panneaux solaires et diffrentes perches déployés et la position des capteurs des instruments scientifiques.

Blindage

Pour affronter le champ magnétique intense de Jupiter, les organes les plus sensibles de la sonde sont abrités dans deux caissons fixés de part et d'autre de l'axe +X/-X le long du cylindre central. Ces caissons sont constitués d'un blindage d'environ 10 mm d'aluminium qui représente une masse totale de 80 kg. La sonde doit recevoir une dose de radiations ionisantes derrière son bouclier de 850 grays mais est conçue pour résister à 1 500 grays.

Propulsion

La propulsion principale, qui est chargée des principales manœuvres (insertion en orbite autour de Jupiter puis de Ganymède), est réalisée à l'aide d'un moteur-fusée à ergols liquides d'une poussée de 425 Newtons. Elle est assistée par 2 groupes de quatre petits moteurs-fusées de 20 Newtons qui sont utilisés pour le contrôle d'attitude et peuvent se substituer au moteur principal en cas de défaillance de celui-ci. Enfin 2 groupes de 6 petits moteurs-fusées de 10 Newtons sont utilisés pour désaturer les roues de réaction. Tous les moteurs utilisent la même combinaison d'ergols hypergoliques ((NTO/MMH) qui sont mis sous pression par de l'hélium avant injection dans la chambre de combustion. Les ergols NTO/MMH sont stockés dans deux réservoirs en titane d'une capacité de 3650 kg[20],[21].

Énergie

L'énergie électrique est fournie par des panneaux solaires orientables de très grande taille (85 m2) pour compenser l'éloignement du Soleil qui fournissent 725 Watts au niveau de Jupiter.

Contrôle d'attitude

La sonde est stabilisée sur 3 axes ; lorsqu'elle est en orbite autour de Ganymède, elle est mise en rotation autour d'un de ses axes pour stabiliser son orientation.

Télécommunications

Le système de télécommunications fonctionne en bande X et Ka ; il utilise une antenne fixe grand gain de plus de 2,54 mètres de diamètre et une antenne à gain moyen orientable. Des antennes à faible gain sont utilisées lorsque la sonde spatiale se trouve en mode survie[6].

Contrôle thermique

Le système de régulation thermique de JUICE doit lui permettre de maintenir une température compatible avec la plage de fonctionnement des équipements aussi bien près du Soleil au niveau de l'orbite de Vénus (flux solaire de 3300 W/m²) qu'au niveau de Jupiter (flux solaire de 46 W/m²). Il doit rejeter ou, au contraire, produire de la chaleur en tenant compte à la fois de la phase de vol (éloignement du Soleil), de l'orientation de la sonde spatiale (face exposée à la chaleur), du type d'équipement (degré de tolérance aux variations thermiques, producteur ou non de chaleur) et de son utilisation (lorsqu'un instrument fonctionne, il génère de la chaleur, mais lorsqu'il est au repos il doit être éventuellement réchauffé). La sonde spatiale doit pouvoir faire face aux longues éclipses (jusqu'à 4,8 heures) une fois en orbite autour de Jupiter. Les capteurs des instruments ont des contraintes de température très variables. Les composants électroniques des instruments et les équipements assurant le support (télécommunications, ordinateurs embarqués,...) qui sont placés dans les deux caissons blindés doivent quand à eux être maintenus dans une plage de température comprise entre -20 °C et +50 °C. Différentes stratégies sont mis en oeuvre pour satisfaire ces différentes contraintes thermiques. La face de la sonde spatiale généralement tournée vers le Soleil (-X) est protégée des flux solaires élevés par l'antenne parabolique grand gain. Des tissus isolants multicouches entourent la plupart des équipements exposés dans l'espace ainsi que le corps de la sonde spatiale. Des résistances chauffantes sont installées un peu partout pour remonter si nécessaire la température. Certains instruments sont reliés via un matériau conducteur thermique à des radiateurs individuels pour dissiper la chaleur de leur électronique ou au contraire à des doigts de refroidissement. Dans les deux caissons blindés un fluide caloporteur circule dans un réseau de tubulures pour évacuer la chaleur excédentaire vers un radiateur placé sur une face de la sonde spatiale non exposée au Soleil[22]

Déroulement de la mission

Calendrier de la mission[23]
Date Orbite Événement
Lancement depuis Kourou Mai 2022
Survol Terre Mai 2023
Survol Vénus Octobre 2023
Survol Terre Septembre 2024
Survol Mars Février 2025
Survol Terre Novembre 2026
Insertion en orbite
autour de Jupiter
Octobre 2029
Deux survols d'Europe Octobre 2030
Survols Callisto 8/2030-10/2031
Insertion en orbite
autour de Ganymède
12/2032
Etude de Ganymède
depuis l'orbite
12/2032 - 9/2033
Fin de mission Juin 2033

La sonde spatiale est lancée par un lanceur Ariane 5 en . Pour rejoindre le système jovien, JUICE utilise à quatre reprises l'assistance gravitationnelle des planètes intérieures : la Terre, puis Vénus et de nouveau à deux reprises la Terre.

La sonde utilise l'assistance gravitationnelle de Ganymède pour s'insérer sur une orbite elliptique initiale de 11 mois autour de Jupiter. L'excentricité de l'orbite est fortement réduite après avoir bouclé un premier tour en utilisant une nouvelle fois l'assistance gravitationnelle de Ganymède, et ce à 3 reprises. La mission scientifique démarre dès l'entrée dans le système jovien. La sonde effectue d'abord 2 survols d'Europe. Elle utilise ensuite l'assistance gravitationnelle de Callisto pour incliner son orbite autour de Jupiter, et en même temps survoler au moins une dizaine de fois Callisto. Le transfert vers Ganymède se fera en 11 mois car il utilise la résonance orbitale entre Callisto et Ganymède, méthode économique mais lente. Ces mois seront mis à profit pour étudier le plasma et la magnétosphère entre les lunes.

Enfin la sonde se place sur différentes orbites polaires autour de Ganymède. Durant une première phase de 30 jours, la sonde circule sur une orbite elliptique de 10 000 x 200 km puis 90 jours sur une orbite circulaire de 5 000 km. Ensuite de nouveau 30 jours sur une orbite elliptique de 10 000 x 200 km puis 102 jours sur une orbite circulaire de 500 km. Enfin la sonde descend sur une orbite circulaire de 200 km durant 30 jours. La mission principale s'achève en [24].

Il est prévu que 1,4 gigabits de données soient transmis quotidiennement à la station terrienne de Malargüe. Les données collectées durant l'ensemble de la mission primaire se répartissent de la manière suivante en volume : étude de Ganymède avant l'insertion de JUICE en orbite autour de la lune (6%) et après son insertion en orbite (24%), étude des zones actives de la lune Europe (10%), étude de Callisto en tant représentant des formes primitives du système jovien (14%), caractéristiques de l'atmosphère de Jupiter (21%), étude de la magnétosphère de Jupiter (21%) et étude du système de satellites et des anneaux de Jupiter (4%)[12].

Notes et références

Notes

  1. L'autre proposant était Thales Alenia.

Références

  1. (en) « Jovian Satellite Fact Sheet », sur National Space Science Data Center (consulté le 16 novembre 2020).
  2. a b et c Rapport d'évaluation de la mission JUICE décembre 2011, p. 1 op. cit.
  3. Rapport d'évaluation de la mission JUICE décembre 2011, p. 5 op. cit.
  4. http://www.lesia.obspm.fr/Participation-du-LESIA-a-la.html
  5. (en)Étude d'impact de la modification du programme de la mission JGO
  6. a et b (en) Christian Erd, « EJSM/JGO Mission Overview EJSM, Instrument Workshop, July 27 – 29, 2010 » [PDF],
  7. (en) « JUICE is Europe’s next large science mission », sur ESA,
  8. a et b (en) « JUICE », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le 16 juin 2021)
  9. « ARIANESPACE ET L'ESA ANNONCENT LA SIGNATURE DU CONTRAT DE LANCEMENT POUR LA MISSION JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) », Arianespace (consulté le 17 juin 2019)
  10. « Intégration finale de la sonde JUICE - Airbus a débuté l’intégration de la sonde JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) de l’ESA à Friedrichshafen », Airbus DS,
  11. Rapport d'évaluation de la mission JUICE décembre 2011, p. 3 op. cit.
  12. a b et c  (en) C. Vallat et Witasse, « JUpiter Icy Moons Explorer (JUICE) Status report for OPAG » [PDF],
  13. (en) « ESA chooses instruments for its Jupiter icy moons explorer »,
  14. a et b « JUICE/SWI », Observatoire de Paris (consulté le 19 juin 2021)
  15. (en) K. Lingenauber et H. Hussmann, « The Ganymede Laser Altimeter (GALA) on ESA’s JUICE mission: Overview of the instrument design », DLR,
  16. (en) Torgeir Paulsen, « Radiation Measurements with JUICE », ESTEC,
  17. Rapport d'évaluation de la mission JUICE décembre 2011, p. 96 op. cit.
  18. JUICE thermal architecture and performance, p. 7
  19. (en) Romain Peyrou-Lauga et Patrick Rouchit (juillet 2017) « JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer) Instruments Thermal Control and Interface » (pdf) dans 49th International Conference on Environmental Systems : 16 p.. 
  20. JUICE interplanetary operations design drivers and challenges, p. 4-5
  21. JUICE thermal architecture and performance, p. 9
  22. (en) Romain Peyrou-Lauga et Anthony Darel (juillet 2017) « JUICE thermal architecture and performance » (pdf) dans 47th International Conference on Environmental Systems : 14 p.. 
  23. (en) « Timeline after launch », sur JUICE (ESA), Agence spatiale européenne (consulté le 21 juin 2021)
  24. (en) ESA, « Yellow Book de la mission Juice », sur ESA, (consulté le 16 novembre 2020)

Sources

Documents officiels de l'Agence spatiale européenne
  • (en) ESA, JUICE definition study report (Red Book), , 128 p. (lire en ligne)
    Etude de définition (red book).
  • (en) ESA, JUICE Science Requirement Matrix, , 37 p. (lire en ligne).
    Objectifs scientifiques, instruments et mesures nécessaires pour les atteindre.
  • (en) ESA, Assessment Study Report : JUICE Exploring the emergence of habitable worlds around gas giants, , 133 p. (lire en ligne) Document utilisé pour la rédaction de l’article.
    Rapport d'évaluation de la mission JUICE rédigé avant sa sélection.
  • (en) ESA, JUICE technical and programmatic review report, , 15 p. (lire en ligne)
    Etude de faisabilité de la refonte du projet EJSM/Laplace en une mission purement européenne (JUICE).
Instrumentation scientifique
Caractéristiques techniques
Divers
  • (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, , 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2).

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes