La manœuvre d'insertion orbitale

Le 23 septembre 1999 ? 10:41 heure française débutait la mise en orbite de la sonde Mars Climate Orbiter. La manœuvre d'insertion en orbite martienne (MOI, Mars Orbit Insertion) était l'une des phases les plus critiques de la mission. La sonde suit ? ce moment l? une procédure entièrement automatique et lorsque la manœuvre commence, plus rien ne peut stopper son déroulement.

Le principe de la manœuvre d'insertion orbitale est assez simple. Mars Climate Orbiter arrive sur Mars comme un bolide. Pour se placer en orbite martienne, il est nécessaire de la ralentir suffisamment pour qu'elle puisse être happée par le champ de gravit? de Mars. Si le moteur ne s'allume pas ou si le freinage n'est pas assez fort, la sonde survole Mars puis dépasse la planète en continuant sur sa lancée. La mise en orbite n'est plus possible et la sonde poursuit sa route ? travers le système solaire sur une orbite héliocentrique. Dans le cas de Mars Climate Orbiter, le moteur doit fonctionner pendant 16 minutes et 23 secondes pour assurer un freinage suffisant. Pendant la manœuvre, les communications avec la sonde seront interrompues sur une courte période. 5 minutes après la mise ? feu, la sonde doit effectivement passer derrière Mars, ce qui coupera la liaison radio avec la Terre. L'occultation du signal radio ne doit durer qu'une vingtaine de minutes et lorsque le contact sera rétabli, la sonde sera déj? sur son orbite.

A 11:01 très précise, au grand soulagement des contr?leurs, et alors que la sonde est en train de fr?ler le p?le nord martien , le moteur de 640 Newtons de poussée est mis ? feu. L'analyse du décalage doppler du signal radio confirme que le vaisseau est bien en train de ralentir. A 11:06, comme prévu, le signal radio de la sonde s'évanouit, tandis que les données de télémesure déj? reçues attestent du bon comportement du moteur pendant les 5 premières minutes de son fonctionnement. A 11:27, le contact radio doit normalement être rétabli.

Liste des évènements pendant l'insertion en orbite martienne (MOI)

Le spectre de Mars Observer

Les derniers calculs indiquent que la sonde doit réappara?tre ? 11:26:25, mais lorsque le moment fatidique arrive, l'immense antenne de la station du Deep Space Network de Canberra en Australie ne capte aucun signal. Quelques minutes plus tard, le silence se prolonge et sur les images diffusées sur la télévision de la NASA, les contr?leurs commencent ? montrer des signes d'impatience. L'un d'eux retrousse sa manche pour consulter sa montre, tandis qu'un autre quitte la salle avec un geste de dépit. Quelque chose ne tourne pas rond. Et cela ne laisse rien présager de bon.

Quelques dizaines de minutes plus tard, juste avant la fin du reportage consacr? ? la mise en orbite, la station de Canberra annonce que le contact n'est toujours pas rétabli et ? 11:41, la NASA annonce officiellement que le contact avec la sonde est perdu. Personne ne sait ? ce moment précis ce qu'il s'est réellement pass?. La seule chose qui soit s?re, c'est que la mise en orbite, qui avait pourtant bien début?, se termine dans une atmosphère qui n'est pas sans rappeler celle de la perte de Mars Observer en 1993, qui avait eu lieu dans des conditions similaires.

Il est assez ironique de penser que Mars Climate Orbiter avait justement ét? conçue pour pallier ? la disparition de Mars Observer, un engin de 900 millions de dollars qui transportait une charge scientifique exceptionnelle composée de 8 instruments. La perte de ce monstre a ét? ressentie comme une véritable saignée par la NASA. L'agence a ét? tellement ébranlée qu'elle a ensuite revu une bonne partie de sa politique spatiale. Après Mars Observer, plus question de mettre tous les oeufs dans un même panier. Le programme better, faster, cheaper était n?. Les missions vers Mars allaient maintenant comporter un grand nombre de sondes plus petites, assez légères, peu co?teuses focalisées sur un sujet d'étude particulier, chacune ne transportant que peu d'instruments. Chaque mission allait de plus être conçue pour être indépendante des autres, tout cela pour que la NASA puisse encaisser plus facilement une perte. Mais Mars Climate Orbiter allait nous montrer qu'une perte, même prévue et planifiée, reste une perte.

Les technologies avancent et l'homme a fait bien des progrès depuis les premières missions de 1960 ? destination de Mars, mais la planète rouge semble encore bien décid? ? abattre quelques sondes en plein vol. Il faut dire que Mars possède sans doute l'un des palmarès les plus impressionnants de tout le système solaire en ce qui concerne la perte d'engins spatiaux. Si vous avez suivi semaine après semaine les mises ? jour du chapitre consacr? ? l'exploration spatiale de Mars, vous avez sans doute not? que l'étude de cette planète est pavée de catastrophes. Certaines sondes ont échou? au beau milieu de leur long trajet vers la planète rouge, d'autres ont dépass? la planète sans pouvoir se placer en orbite, et un atterrisseur parmi tous ceux qui se sont écrabouillés ? sa surface, n'a touch? le sol que pour transmettre pendant 20 secondes des données avant de devenir muet ? jamais. D'autres sondes, enfin, n'ont même jamais réussi ? quitter l'orbite terrestre. D'un autre c?t?, si les succès se comptent sur les doigts de la main, il faut avouer qu'ils ont toujours ét? retentissants. Les résultats transmis par les vaisseaux rescapés ont ? chaque fois dépass? nos espérances les plus folles, que ce soit les premières photos de Mariner 4, ou l'incroyable moisson engrangée par les sondes Mariner 9 et Viking.

Les premières hypothèses

Après les premières minutes d'effrois, les hypothèses pour expliquer la perte du contact commencent ? affluer. Les contr?leurs de Mars Climate Orbiter ont d'abord l'espoir que la sonde se soit placée correctement en orbite et que le signal se fasse entendre dans les heures qui suivent. Mars Climate Orbiter a peut être effectivement basculée en mode de contingence, ce qui expliquerait que les communications soient temporairement interrompues. Les sondes spatiales actuelles possèdent une grande autonomie et sont capables de subvenir ? leurs besoins dans l'aide de la Terre. Si Mars Climate Orbiter est réellement pass? en mode de contingence, elle a peut être d'autres choses plus importantes ? faire que de communiquer avec la Terre. De plus, ce mode de fonctionnement comprend une procédure automatique de reprise de contact qui a déj? fait ses preuves. Certains pensent que Mars Climate Orbiter s'est peut être mise ? tourner sur elle-même ? grande vitesse comme une toupie folle, ce qui empêcherait le pointage de son antenne vers la Terre. L'incident pourrait s'expliquer aussi par la coupure intempestive, pour une raison ou une autre, de l'émetteur de bord. Les ingénieurs pensent dans un premier temps ? envoyer une commande pour forcer la remise en route de l'émetteur, mais ils préféreront ensuite s'en tenir ? la procédure de reprise automatique de contact que la sonde doit suivre ? la sortie du mode de contingence. Des calculs sont effectués pour tenter de deviner l'emplacement de la sonde, étape obligatoire pour repointer les énormes antennes de 70 et 34 mètres du Deep Space Network et rétablir enfin une communication avec le vaisseau.

Il n'y avait malheureusement qu'une seule chose ? faire pour savoir ce qui s'était produit et conna?tre le statut et la position de la sonde. Il fallait restaurer les communications et capter un signal radio. Et cela devait être fait le plus rapidement possible, pour permettre aux ingénieurs de reprendre le contact avant qu'il ne soit trop tard. Un passage un peu trop bas dans l'atmosphère au prochain passage, et Mars Climate Orbiter n'existe plus. Mais la réalit? était encore pire que les prévisions.

A mesure que les heures passaient, il devenait de plus en plus improbable que la sonde soit encore en vie. Pourtant, en désespoir de cause, les contr?leurs ont quand même continu? ? fouiller l'espace avec les immenses antennes du Deep Space Network (en particulier celle de Goldstone en Californie et celle de Canberra en Australie). Ils vont d'abord caler les antennes sur la fréquence de la sonde, puis scanner ensuite une bande de fréquence bien plus large, de manière ? être s?r de ne laisser passer aucun signal. Pour eux, l'inévitable n'était encore qu'une option, les rumeurs d'un crash une affabulation, et la sonde pouvait encore très bien se trouver en orbite autour de Mars, une orbite certes bien différente de celle initialement prévue ? cause d'un survol un peu trop bas, mais une orbite quand même. Certains ont même émis l'hypothèse que la mise en orbite n'avait pas pu avoir lieu et que la sonde avait dépass? Mars pour continuer sur sa route, lancée ? plusieurs kilomètres par secondes dans le froid glacial de l'espace. Les antennes du Deep Space Network ont donc ét? pointées dans la région ou la sonde devait se trouver si l'insertion orbitale avait échou?. Mais aucun signal n'est jamais arriv?, et la NASA a officiellement abandonn? les recherches devenues futiles le vendredi 24 septembre 1999.

Le plongeon mortel dans l'atmosphère

Les premières analyses des données obtenues 6 ? 8 heures avant la manœuvre d'insertion arrivent et montrent des résultats inattendus. Il semble de plus en plus évident que la sonde a suivi un couloir de survol beaucoup plus bas que le couloir théorique. Le survol du p?le nord devait avoir lieu ? une altitude théorique confortable de 193 km. Depuis quelques jours, les ingénieurs avaient bien remarqu? que la sonde semblait suivre une trajectoire un peu trop basse et que le passage allait en fait avoir lieu ? une altitude de 140 km, mais cette valeur restait raisonnable. La limite extrême ? ne pas dépasser était de 85 km car en dessous, la densit? de l'atmosphère est bien trop forte et l'échauffement libér? lors de la rentrée désintégrerait la sonde en quelques secondes.

Et puis d'un seul coup le chiffre tombe. Mars Climate Orbiter a ét? victime d'une erreur catastrophique de navigation, et la sonde a affront? l'atmosphère martienne ? une altitude incroyable de 57 km. Au fur et ? mesure de son plongeon, la densit? de l'atmosphère resserrait ses griffes sur la sonde. La première structure qui a du partir en morceaux est sans aucun doute l'unique panneau solaire. Puis Mars Climate Orbiter s'est transform? en une boule incandescente, étoile filante dans le ciel martien, dispersant ses fragments métalliques dans l'atmosphère, tandis que dans la salle de contr?le, les navigateurs attendaient avec impatience la reprise d'un contact radio qui ne viendra jamais. Un petit tour, et puis s'en va ...

Une erreur fatale de navigation

Les soupçons se portent dans un premier temps sur la dernière manœuvre de correction de trajectoire, sensée affiner la trajectoire suivie par la sonde, et qui avait eu lieu avec succès le 15 septembre dernier. Il était plus que probable que cette manœuvre ne se soit pas déroulée comme prévu, signant l'arrêt de mort de la sonde plusieurs jours ? l'avance. Pour situer avec précision un objet dans l'espace, il faut pouvoir comparer sa position avec celle d'un objet de référence. Dans le cas de Mars Climate Orbiter, c'est la planète Mars qui jouait ce r?le. Ce n'était donc qu'au moment de son approche que l'erreur de trajectoire pouvait appara?tre. Mais ? ce moment l?, il était déj? trop tard.

Il faut reconna?tre qu'il est difficile de blâmer les navigateurs interplanétaires pour une perte de ce genre. Le travail d'un navigateur compte sans doute parmi les plus difficiles au monde. Ces gens l? sont tout simplement capable de diriger dans l'espace des vaisseaux spatiaux et de les faire arriver sur leur objectif avec une énorme précision, après des centaines de jours de voyage, le tout ? des centaines de millions de kilomètres de distance. C'est un travail un peu surhumain, qui repousse chaque fois la limite de nos capacités. Les échecs dans ce domaine sont inévitables. Il y en a eu, et il y en aura encore. Il est même frappant de constater que la plupart du temps, chaque sonde se trouve ? la bonne heure (comprenez ? la dizaine de secondes près) et au bon endroit (comprenez ? la centaine de kilomètres près, après un voyage qui en compte plusieurs centaines de millions)! Il suffit de jetez un coup d'œil sur le carnet de route des sondes Voyager I et Voyager II, qui sont parties pour le système solaire externe vers les géantes gazeuses, pour comprendre ce qu'un voyage dans l'espace implique et signifie !

Peu après la catastrophe, deux comités d'enquête indépendants sont mandatés par la NASA pour découvrir l'origine de l'erreur et ses implications : un groupe comprenant une dizaine d'experts en navigation appartenant ou ayant appartenu au JPL et un second réunissant des intervenants extérieurs. Un troisième comit? rassemblant des membres de la NASA a ét? constitu? au début du mois d'octobre. Les premières conclusions de ce dernier comit? devraient être présentées le 29 octobre, et un rapport écrit sera délivr? le 5 novembre. Le rapport final sera publi? le 1^er février 2000. En plus des véritables causes de la perte de Mars Climate Orbiter, il résumera les leçons apprises et donnera des recommandations pour améliorer les processus impliqués dans la conception d'une mission spatiale et réduire les probabilités d'apparition de ce genre d'accident dans le futur.

Une semaine après la destruction de Mars Climate Orbiter, l'une des deux premières commissions rend ses premières conclusions sur les causes du crash de la sonde. Celles ci sont affligeantes ...

Un simple problème d'unit? de mesure

Je crois qu'il n'existe pas une manière plus bête de perdre une sonde spatiale que celle qui a frapp? Mars Climate Orbiter dans sa course (? l'exception peut être de l'erreur qui a conduit ? l'échec de la mission soviétique Kosmos 419). Si la NASA peut tirer une leçon de ce drame, la perte de Mars Climate Orbiter n'aura pas ét? vaine. Par piti?, plus jamais ça !

Il semble que la perte de Mars Climate Orbiter doit simplement être mise sur le compte d'un problème d'unit? dans l'expression d'une force de poussée. Les ingénieurs de Lockheed Martin Astronautics (Denver dans le Colorado), la firme qui a conçu et fabriqu? la sonde martienne, avaient apparemment gard? la mauvaise habitude de travailler avec les unités du système anglo-saxons. De leur c?t?, les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory (Pasadena en Californie) travaillaient depuis des années dans le système métrique, reconnu au niveau international comme étant le système de référence. Il semble que lors du transfert des données entre le centre de Lockheed et celui du JPL, personne ne se soit rendu compte qu'il fallait convertir les données, chacun étant persuad? que l'un utilisait les mêmes unités que l'autre ! Les données qui proviennent de Lockheed sont pourtant soumises ? des procédures particulièrement sévères de vérification, mais celles ci sont restées parfaitement inopérantes. L'erreur était apparemment trop grossière pour être détect?, et elle est passée comme un poisson dans l'eau ? travers les barrières du système de vérification.

La faute est stupide (mais elles le sont en général toutes), mais le pire, c'est qu'elle ne semble pas récente : cela fait quatre ans qu'elle se niche sournoisement dans les calculs et les données échangées par les deux centres. Le fait est alarmant et la NASA va continuer ses investigations pour comprendre les implications qui se cachent derrière l'absence de détection et de correction d'une pareille bourde. Il se pourrait que certains faits inexpliqués jusqu'? maintenant dans le comportement de certaines sondes trouvent enfin une réponse. L'un des principaux objectifs pour la NASA est de s'assurer que la sonde Mars Polar Lander ne soit pas affligée du même problème. Si malheureusement c'est le cas, les corrections doivent immédiatement être apportées pour éviter que l'atterrisseur ne subisse le même sort que la sonde qui devait l'accompagner dans son exploration des terres martiennes.

Une certaine confusion concernant les causes de la perte de Mars Climate Orbiter a régn? au sein des déclarations de la presse. Après avoir globalement compris que le problème se situait au niveau des différentes unités utilisées par les équipes de Lockheed et du JPL, certaines personnes n'ont pas hésit? ? simplifier abusivement la cause de l'accident, en mentionnant que la sonde était programmée pour effectuer le survol ? 60 miles, mais que celui ci s'est déroul? ? 60 km.

L'erreur d'unit? concerne en fait des données d'accélération. Lockheed fournissait ses données en livres, une unit? du système anglais, alors que les ingénieurs du JPL s'empressaient de les rentrer dans les ordinateurs en considérant que ces données représentaient des Newtons (unit? du système métrique). Une livre équivaut ? 4,48 Newtons. Ces données permettaient de programmer l'allumage régulier des petits moteurs d'attitude qui servent ? corriger la trajectoire de la sonde ainsi que sa vitesse. A chaque fois que les petites fusées étaient mises ? feu, elles injectaient dans la trajectoire de la sonde une déviation très légère et sournoise.

Il est quand même assez étrange que les navigateurs ne se soient pas aperçus de la déviation de la sonde au cours de son voyage vers Mars. La NASA avait annonc? la démonstration d'une nouvelle méthode de suivi de Mars Climate Orbiter par les antennes du Deep Space Network, le NST (Near Simultaneous Tracking). Ce programme était sens? utiliser la sonde Mars Global Surveyor en orbite autour de Mars comme cible de calibration pour la navigation de Mars Climate Orbiter pendant son voyage. Une station au sol suivait d'abord la première sonde de référence pendant une durée de 2 ? 4 heures, puis basculait en moins de 20 minutes dans une position qui lui permettre de suivre Mars Climate Orbiter sur une durée similaire (2 ? 4 heures). Les données Doppler recueillies pour les deux sondes étaient combinées entre elles pour obtenir une estimation du chemin suivi par Mars Climate Orbiter par rapport ? la position de la sonde de référence (et donc par rapport ? Mars), avec une précision bien supérieure ? la normale. Après la phase de démonstration impliquant Mars Climate Orbiter, le Deep Space Network devait utiliser le NST pour suivre Mars Polar Lander en vue de l'affinement de sa trajectoire pendant les 45 derniers jours précédant l'atterrissage. Cela aurait permis, selon la NASA, de guider avec une grande précision Mars Polar Lander vers son site d'atterrissage. Etant donn? que la prétendue démonstration n'a pas permis de s'apercevoir de la déviation de Mars Climate Orbiter, on peut logiquement se demander bien si le NST possède bien une meilleure précision que les méthodes de suivi classiques !

Contrairement ? ce qui avait ét? annonc? dans un premier temps, l'erreur polluait déj? les données reçues par Mars Climate Orbiter bien avant la quatrième manœuvre de correction de trajectoire. Depuis son lancement le 11 décembre 1998, la sonde portait ce germe d'échec en elle, mais les effets étaient alors si minimes que l'erreur était restée parfaitement invisible. La vitesse et la distance de la sonde n'ont jamais paru anormaux aux yeux des navigateurs. Mais les petites différences se sont ajoutées entre elles pendant les longs mois du voyage, jusqu'? prendre des proportions énormes au moment de l'arrivée sur Mars.

Cette terrible bourde ne devrait pas affecter les relations entre Lockheed et la NASA, le premier ayant quand même construit de nombreuses sondes qui fonctionnent correctement. Cela dit, Lockheed s'est empress? d'annoncer que les contrats signés par la NASA allaient être examinés pour savoir si les unités ? utiliser y étaient mentionnées. Bonjour l'entente !

Parmi les autres découvertes de ces derniers jours, il semble que le système de propulsion de la sonde lors de son plongeon dans l'atmosphère n'a pas support? la chaleur et que le moteur se soit finalement arrêt? avant d'atteindre la fin de sa durée de fonctionnement. Il est donc possible que Mars Climate Orbiter ne se soit pas désintégr? dans l'atmosphère, mais que la petite sonde, qui possédait encore suffisamment de vitesse pour s'arracher ? la gravit? martienne, soit ressortie de l'atmosphère pour continuer sur une orbite héliocentrique. Le vaisseau bless? poursuit donc peut être en ce moment sa route autour du soleil ...

Mars Climate Orbiter n'a pas trahi ceux qui l'avaient conçu. Nul problème mécanique n'est ? blâmer. La pauvre sonde s'est simplement vu transmettre des données erronées, ou les informations sensées être en livres étaient en fait en Newtons. En suivant ? la lettre son programme, elle a fonc? tête baissée vers une fin peu enviable, ? cause d'un simple problème d'unit?, qu'une élève d'une école primaire résout tous les soirs pendant ses exercices. Quand on aura enfin décid? de troquer définitivement ces foutues unités du système anglo-saxons pour celles du système métrique, tout le monde s'en portera bien mieux. Les sondes martiennes y compris ...

Un nouveau désastre pour l'exploration de Mars

La perte de Mars Climate orbiter peut être considérée comme un beau désastre, pour au moins trois raisons. La première est scientifique. Mars Climate Orbiter était appel? ? devenir le premier satellite météorologique martien, et l'on attendait beaucoup de ses deux instruments. Sa caméra moyenne résolution devait nous retourner des images du globe martien en couleurs, identiques ? celles présentées chaque jour dans les bulletins météorologiques terrestres. Le deuxième instrument, un radiomètre (PMIRR), avait pour objectif l'étude de l'atmosphère (pression, température, vapeur d'eau, poussière). Cet instrument était déj? ? bord de Mars Observer et la mission Mars Climate Orbiter représentait sa deuxième chance d'aller sur Mars. On peut facilement imaginer le dépit des responsables de l'appareil ! Il reste que l'étude du climat et de la météorologie de la planète Mars vient de prendre un sérieux retard. Il faudra attendre quelques années supplémentaires avant d'obtenir les informations que Mars Climate Orbiter aurait du nous faire parvenir dans ces deux domaines de première importance.

La deuxième raison a une nature plus politique. La NASA conna?t actuellement de sérieux problèmes budgétaires. Certaines missions, et en particulier la mission martienne Mars Surveyor 2001, ont échapp? de peu ? une annulation pure et simple. La perte d'un engin de 125 millions apporte de l'eau au moulin pour ceux qui veulent effectuer des coupes franches dans le budget déj? bien affaibli de l'agence spatiale américaine. La NASA a d'ailleurs essay? de minimiser les conséquences du crash de Mars Climate Orbiter et a tent? (avec un certain succès) de présenter cet accident sous son meilleur jour. D'après elle, la destruction de Mars Climate Orbiter ne représente qu'un retard dans l'exploration de la planète Mars, et non une véritable perte. Les deux instruments pourront être embarqués sur d'autres missions, et certaines sondes pourraient accomplir une partie de la mission dévolue ? Mars Climate Orbiter.

Pourtant, contre toute attente, et d'après les dernières nouvelles, la réaction des politiques consécutive ? la perte de Climate Orbiter s'est révél? surprenante. Les scientifiques et ingénieurs impliqués dans la mission ont ét? eux-mêmes stupéfaits. Devant cet échec plut?t cuisant, il semble que la solidarit? soit de mise et Washington a annonc? son soutien ? la NASA, alors même que le gouvernement des Etats-Unis s'était clairement prononc? pour une réduction spectaculaire de son financement. La NASA n'a pas hésit? de son c?t? ? publier sur le site officiel de Mars Surveyor 98 les résultats d'un sondage réalis? par CNN (qui montre que 70 % des américains sont contre un arrêt de l'exploration spatiale), ainsi que les nombreuses lettres d'encouragement reçues par les responsables de la sonde depuis le 23 septembre 1999, jour de la catastrophe.

Le troisième et dernier impact de la perte de Mars Climate Orbiter concerne la sonde Mars Polar Lander. Une revue détaillée des conséquences de la perte de Mars Climate Orbiter est disponible ici.

Le mot de la fin

Le voyage de Mars Climate Orbiter aura dur? au total 286 jours (soit 9 mois et demi) pendant lesquelles la sonde aura parcouru plus de 400 millions de kilomètres. Une fois la manœuvre d'insertion orbitale effectuée, l'orbite de Mars Climate Orbiter devait être altérée par aérofreinage. Pendant 45 jours (du 27 septembre au 10 novembre), la friction de l'air sur l'unique panneau solaire aurait entra?n? une diminution de la période de l'orbite, tout en abaissant l'altitude de l'apoapse. A la fin de l'aérofreinage, l'orbite serait devenue circulaire. Après avoir jou? le r?le de relais radio pour Mars Polar Lander, Mars Climate Orbiter devait se consacrer ? l'étude de l'atmosphère et de la surface de la planète rouge pendant une année martienne (soit deux années terrestres), en devenant ainsi le premier satellite météorologique martien. Après sa mission, Mars Climate Orbiter devait de nouveau servir de relais radio pour l'atterrisseur de la mission Mars Surveyor 2001. Mars Climate Orbiter faisait partie, avec la sonde Mars Polar Lander, de la mission Mars Surveyor 98.

De la mission Mars Surveyor 98, il ne reste plus que Mars Polar Lander. Il faut maintenant juste espérer que cette sonde ne connaisse pas le funeste destin de son compagnon de route. Longue vie ? toi, Polar Lander !

Pour en savoir plus :

Go ! Mars Climate Orbiter : description complète de la mission et de la sonde.
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