Après que l’antenne du Radar for Icy Moon Exploration (RIME) de la mission Juice de l’ESA ait rencontré des problèmes de déploiement après le lancement, les efforts combinés des ingénieurs de l’ESA, d’Airbus et de SpaceTech ont permis de rectifier le problème. Soupçonnant la formation de glace d’être à l’origine du problème, ils ont chauffé le vaisseau spatial en l’exposant au soleil, mais comme cela n’a pas fonctionné, ils ont poursuivi le déploiement prévu de l’antenne, ce qui a finalement permis de déloger la goupille coincée et de déployer l’antenne avec succès. (Le survol de Ganymède par Juice, impression d’artiste) Crédit : ESA
Lorsque l’antenne RIME de la mission Juice de l’ESA n’a pas pu se déployer quelques jours après le lancement, les équipes d’ingénieurs ont été confrontées à un défi de taille : comprendre la panne et y remédier. L’enjeu était de pouvoir observer l’intérieur des mystérieuses lunes glacées de Jupiter.
Les enjeux étaient déjà importants avant même que le vaisseau spatial ne quitte le sol. Le Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) de l’ESA a été conçu par Airbus pour mener une étude sans précédent du système de Jupiter et de sa famille de lunes glacées.
L’antenne RIME (Radar for Icy Moon Exploration), qui fait partie de la suite complète de dix instruments scientifiques de Juice, est un élément clé de cette étude. Une fois dans le système de Jupiter, RIME sera utilisé pour sonder à distance le sous-sol des lunes glacées de Jupiter. Ses signaux radar pénétreront les lunes jusqu’à une profondeur de 9 km et révéleront des détails de 50 à 140 m de diamètre. Cela donnera un aperçu de leur géologie et fournira des données uniques pour comprendre l’habitabilité de ces lunes glacées éloignées.
L’antenne RIME de Juice, repliée, prête à être déployée. Juice, l’explorateur des lunes glacées de Jupiter de l’ESA, a capturé cette image avec sa caméra de surveillance Juice 2 (JMC2) peu après son lancement le 14 avril 2023. Crédit : ESA/Juice/JMC
Mais pour réussir à collecter ces données, les scientifiques ont d’abord dû envoyer la sonde et ses instruments dans l’espace, ce qui a nécessité de plier une partie du matériel.
Avec ses 16 mètres de long, l’antenne du RIME était trop longue pour tenir dans le cône de nez de la fusée Ariane 5 qui a lancé Juice dans l’espace. Elle a donc été construite en deux flèches de quatre segments chacune. Sur ces huit segments, trois se déploieraient d’un côté du vaisseau spatial, trois de l’autre côté, et deux resteraient fixes sur le vaisseau spatial. Pour le lancement, les trois segments déployables ont été repliés sur le segment fixe et maintenus en place par deux supports.
Une fois dans l’espace, des dispositifs appelés actionneurs non explosifs (NEA) seraient activés à distance l’un après l’autre depuis le Centre européen d’opérations spatiales (ESOC), à Darmstadt, en Allemagne. Chaque AEN enlèverait une goupille de son support, ce qui permettrait à la section de se mettre en place.
Et c’est là que les problèmes ont commencé.
La procédure de déploiement de l’antenne RIME de Juice a commencé le 17 avril 2023, trois jours après le lancement, et tout s’était déroulé sans problème jusqu’alors. La première étape s’est déroulée sans problème. Deux caméras de surveillance, montées à bord du vaisseau spatial, ont été utilisées pour suivre le déploiement de RIME. Depuis les téléchargements, le segment d’antenne était visible sur une image, puis pas sur la suivante. Entre les deux images, l’AEN s’est déclenchée, la goupille s’est libérée et le segment d’antenne s’est mis en place. Une vérification de l’image de la caméra externe a montré que le segment était en place, et les données télémétriques l’ont également confirmé. Les données télémétriques le confirment également. Elles montrent que le vaisseau oscille comme prévu en raison du déploiement soudain de la perche et que le système de contrôle d’attitude et d’orbite (AOCS) corrige le dernier de ces mouvements. Crédit : ESA/Juice/JMC
Ronan Le Letty, ingénieur mécanicien principal à l’ESA et membre de l’équipe Juice, était présent à l’ESOC pendant le déploiement de RIME pour conseiller l’équipe de contrôle de vol qui recevait les données télémétriques des différents capteurs embarqués et envoyait les commandes Juice.
La procédure a débuté le 17 avril 2023, trois jours après le lancement et alors que tout s’était déroulé sans problème jusqu’à ce moment-là.
La première étape s’est déroulée sans problème. Deux caméras de surveillance, montées à bord du vaisseau spatial, ont été utilisées pour suivre le déploiement de RIME. Depuis les téléchargements, le segment d’antenne était visible sur une image, puis pas sur la suivante. Entre les deux images, l’AEN s’est déclenchée, la goupille s’est libérée et le segment d’antenne s’est mis en place. Une vérification de l’image de la caméra externe a montré que le segment était en place, et les données télémétriques l’ont également confirmé. Elles ont montré que le vaisseau spatial oscillait comme prévu en raison du déploiement soudain de la perche, et que le système de contrôle d’attitude et d’orbite (AOCS) corrigeait le dernier de ces mouvements.
Satisfaite, l’équipe est passée au deuxième segment.
L’ordre est donné de déclencher l’actionneur. La télémétrie est arrivée avant les images, mais quelque chose ne va pas. L’oscillation attendue n’apparaissait pas. Quelques secondes plus tard, l’image de la caméra est revenue. Le segment de flèche est encore clairement visible dans sa configuration de rangement. Le déploiement avait échoué.
« La situation la plus indésirable est en train de se produire. Nous avons vérifié l’image deux, trois, quatre fois. Nous avons essayé à nouveau d’activer l’actionneur, mais rien ne s’est passé. »
L’antenne RIME de Juice, coincée mais en mouvement, est capturée par la caméra de surveillance de Juice à bord du vaisseau spatial. Cette animation montre les mouvements du radar sur cinq photos prises entre le 17 et le 21 avril, alors que les équipes sur Terre travaillent sur les étapes du déploiement de Juice. Crédit : ESA/Juice/JMC
L’équipe d’Airbus Defence and Space, à Toulouse, en France, observait également la scène avec une certaine incrédulité professionnelle. Choisie comme maître d’œuvre de la sonde en 2015, elle était chargée de diriger la conception, la construction et les essais de la sonde et de faire appel à d’autres entreprises pour fournir des composants, des systèmes et des instruments en fonction des besoins.
« Nous savions que nous devions rapidement essayer de comprendre ce qui s’était passé, puis tenter de trouver une solution de contournement », explique Frédéric Faye, ingénieur en chef d’Airbus pour Juice.
Dès le lendemain matin, l’incrédulité chassée de leur esprit, les équipes se sont réunies en ligne pour une téléconférence afin de partager leurs idées et de discuter de l’anomalie. D’une part, elles savaient qu’elles devaient trouver un moyen de libérer le segment coincé, mais d’autre part, elles savaient qu’elles ne pouvaient rien faire qui puisse compromettre le déploiement des autres segments, voire du reste du vaisseau spatial.
La première idée qui vint à l’esprit des équipes fut que de la glace s’était peut-être formée sur la goupille qui maintenait le segment en place. Chaque fois qu’un vaisseau spatial quitte la Terre, il se retrouve dans un environnement froid et sans air. Cette perte soudaine et spectaculaire de pression atmosphérique signifie qu’une petite quantité de vapeur d’eau s’échappe soudainement des matériaux utilisés pour fabriquer le vaisseau. Cette vapeur peut alors geler sur les surfaces incroyablement froides du vaisseau spatial.
Comme il n’y a pas de chauffage sur le vaisseau spatial près de RIME, l’élimination de la glace impliquerait une rotation du vaisseau spatial pour que l’antenne soit orientée vers le Soleil. Or, la surface du vaisseau spatial à proximité de RIME a été conçue pour être une « face froide », c’est-à-dire qu’elle n’a jamais été destinée à être exposée à la lumière directe du soleil juste après le lancement. Il en va de même pour les composants, les instruments et les systèmes qui y sont attachés.
Après plusieurs jours d’étude, l’équipe a commencé à faire pivoter progressivement le vaisseau spatial de manière à ce que la surface soit éclairée. « Nous avons effectué huit pivotements en deux semaines pour éclairer le support RIME », explique Angela Dietz, responsable de l’exploitation de l’engin spatial à l’ESOC. À chaque fois, ils ont exposé la surface plus longtemps, en observant attentivement la télémétrie des capteurs embarqués pour comprendre les limites de cette opération. Au début, la manœuvre n’a duré que 25 minutes. À la fin, ils se sont sentis à l’aise pour exposer la surface pendant 73 minutes d’affilée.
Simultanément, d’autres scénarios de récupération ont été envisagés.
Si ce n’était pas de la glace qui maintenait RIME fermé, et que la goupille était simplement coincée, alors peut-être qu’en secouant le vaisseau spatial, on pourrait la faire sauter – bien que le mot « secouer » soit trop extrême pour décrire le mouvement réel.
L’engin spatial pèse six tonnes et les propulseurs embarqués ne peuvent le secouer que très légèrement d’avant en arrière. Néanmoins, les équipes ont estimé que cela valait la peine d’essayer. La broche coincée n’avait probablement besoin d’être déplacée que d’un millimètre ou deux, mais les équipes devaient être prudentes. Elles ne pouvaient pas risquer d’endommager quoi que ce soit d’autre avec une violente secousse du vaisseau spatial. Ainsi, comme l’équipe l’avait fait pour le chauffage, elle a commencé à tester cette manœuvre avec prudence.
« Nous avons effectué plusieurs mises à feu de propulseurs et utilisé le moteur principal, souvent en liaison avec les manœuvres d’échauffement. Les propulseurs ont même été mis à feu dans une certaine séquence pour essayer de secouer la flèche empilée, mais nous n’avons constaté que de petits mouvements à l’intérieur du support », explique Angela.
L’équipe est donc passée à d’autres idées.
Le fabricant de l’antenne, la société allemande SpaceTech, a également proposé un plan de récupération. Il s’agissait en fait de continuer à déployer les quatre autres sections de l’antenne comme si rien ne s’était passé. Ils savaient qu’en tirant chaque AEN, ils produiraient un petit choc mécanique dans le reste de l’antenne qui pourrait déloger la goupille coincée.
C’est alors que le fabricant a fait une percée. Les ingénieurs de SpaceTech ont réussi à reproduire l’anomalie avec un modèle de l’antenne qui avait été utilisé pour les essais et ont confirmé que la mise à feu de l’AEN la plus proche parvenait généralement à déloger la goupille coincée. Ils ont également constaté que pour augmenter les chances de réussite, l’antenne devait être chauffée par exposition à la lumière du soleil.
En effet, bien que le modèle technique ait été entièrement testé aux températures froides de l’espace, le modèle de vol réel ne l’avait pas été. L’équipe a conclu que les conditions extrêmement froides rencontrées lors de l’échec du largage de l’AEN pouvaient avoir été un facteur contributif, et que l’antenne devait donc être réchauffée par le soleil avant tous les déclenchements futurs, afin qu’elle soit aussi proche que possible de la « température ambiante », où l’on savait qu’elle fonctionnait.
Armées de plusieurs idées sur la manière de récupérer l’instrument, les équipes ont décidé de se rencontrer pour décider de la marche à suivre. Lors d’un atelier technique organisé au SpaceTech, les équipes ont décidé d’essayer d’abord le chauffage. Si cela ne fonctionnait pas, elles procéderaient à la mise à feu des autres AEN, après les avoir réchauffés à la lumière du soleil. « Cet exercice consistant à établir un plan et à faire en sorte que toutes les équipes travaillent dans ce sens a été très bénéfique », explique Ronan.
Plusieurs semaines se sont écoulées depuis l’apparition de l’anomalie et la pression monte. La mission avait un calendrier à respecter et RIME, aussi important soit-il, n’était qu’un des instruments du vaisseau spatial. « Pour moi, c’est ce qui a été le plus compliqué pendant la récupération », explique Guillaume Chambon, de l’équipe Technical Authority d’Airbus. Guillaume a été chargé de gérer la partie Airbus de la récupération. « Il faut être assez rapide pour agir, car tout le monde s’attend à ce que l’on progresse, mais il faut aussi prendre le temps de réfléchir à tous les effets secondaires de ce que l’on propose », explique-t-il.
Un après-midi, alors qu’il réfléchissait à la tentative de sauvetage, Guillaume s’est en effet rendu compte d’un problème potentiel. S’ils suivaient la séquence de déploiement nominale, deux segments de l’antenne risquaient d’entrer en collision.
Le 12 mai, l’antenne RIME a finalement repris vie lorsque l’équipe de contrôle du vol a actionné un dispositif mécanique appelé « actionneur non explosif » (NEA), situé dans le support bloqué. Ce dispositif a provoqué un choc qui a déplacé la goupille de quelques millimètres et a permis à l’antenne de se déployer. Crédit : ESA/Juice/JMC
Rappelons que l’antenne RIME est composée de six segments déployables, trois de chaque côté du vaisseau spatial. Dans le scénario de déploiement nominal, un AEN serait tiré d’abord d’un côté de l’antenne, puis de l’autre. Cependant, si l’on procède ainsi maintenant et que le segment coincé se libère, les deux côtés de l’antenne se déploieront ensemble dans des directions opposées et risqueront d’entrer en collision.
Les équipes se sont donc mises d’accord pour réorganiser la séquence de déploiement et les tentatives de récupération ont commencé. Tout d’abord, le vaisseau spatial a été chauffé pour chasser la glace, mais l’antenne est restée fixe.
Il est alors devenu évident que la seule possibilité de récupérer l’antenne était de la chauffer à nouveau, puis de poursuivre le déploiement en espérant que les chocs des autres AEN débloqueraient la broche. Leur analyse leur avait montré que cette solution offrait les meilleures chances de succès, mais chaque AEN ne pouvait être tiré qu’une seule fois. En d’autres termes, c’était tout ou rien.
Le 12 mai, l’antenne RIME a finalement repris vie lorsque l’équipe de contrôle du vol a actionné un dispositif mécanique appelé « actionneur non explosif » (NEA), situé dans le support bloqué. Ce dispositif a provoqué un choc qui a déplacé la goupille de quelques millimètres et a permis à l’antenne de se déployer. Crédit : ESA/Juice/JMC, CC BY-SA 3.0 IGO
C’est vers 14 heures, le 12 mai, que les équipes se sont réunies devant leurs consoles respectives et ont entamé cette dernière tentative. La commande est envoyée et les équipes surveillent la télémétrie à la recherche d’une oscillation qui indiquerait un succès. C’est fait : il y a du mouvement sur le vaisseau spatial. Mais s’agit-il du bon mouvement ? Avaient-ils délogé le segment coincé ?
Lorsque la caméra s’est téléchargée, l’image leur a montré tout ce qu’ils devaient savoir.
Succès total. Les trois segments de l’antenne qui devaient être déployés l’ont été. « Au sein de l’équipe opérationnelle, nous avons pris confiance », explique Angela.
Mais le travail n’était pas encore terminé. Ils n’étaient qu’à mi-chemin de la procédure de déploiement. Une autre AEN devait encore être mise à feu pour déployer la deuxième perche avant que RIME ne prenne sa configuration opérationnelle finale. La pression ressentie par certains membres de l’équipe était encore plus forte qu’auparavant, car l’équipe savait désormais qu’il était possible que les goupilles se bloquent. Et maintenant qu’il ne restait plus qu’une seule goupille, c’était la plus critique de toutes.
Si l’une des goupilles précédentes s’était bloquée, l’équipe aurait pu tirer la suivante dans l’ordre en espérant que le choc terminerait le travail – comme cela avait été le cas pour le segment coincé d’origine. Mais maintenant, il n’y avait plus d’AEN à lancer. Juste à la ligne d’arrivée, ils pouvaient encore être défaits si la goupille se bloquait.
Les opérateurs de la mission JUICE fêtant le déploiement réussi d’un autre instrument, RPWI. Crédit : ESA
C’est à ce moment-là que Cyril Cavel, responsable du projet Juice pour Airbus, a pensé aux scientifiques qui dépendaient d’eux. Certains travaillaient même sur l’antenne depuis des décennies. « RIME était une livraison industrielle pour ces personnes. Sans cette antenne, l’expérience radar serait très réduite, voire morte. Ce serait bien plus qu’une simple honte », déclare-t-il.
En effet, la génération actuelle de planétologues aurait pu voir sa chance de découvrir ce qui se cache sous les surfaces glacées de ces lunes enchanteresses considérablement diminuée, voire perdue.
« Nous savions que, même si le RIME n’était qu’un instrument sur dix, le fait de ne pas ouvrir complètement l’antenne aurait dégradé les performances scientifiques de la mission et compromis l’excellente image – jusqu’à ce moment-là – de Juice et de l’ESA dans le monde extérieur », explique Giuseppe Sarri, responsable du projet Juice à l’ESA.
L’équipe a donc pris une dernière précaution. À ce stade, le support final avait été exposé à la lumière du soleil pendant la durée maximale autorisée ce jour-là, soit 73 minutes. Par conséquent, sa température était plus élevée que la température ambiante à laquelle il avait été testé dans les laboratoires en Allemagne. Pour reproduire le plus fidèlement possible les conditions de ce laboratoire, l’équipe a décidé de faire pivoter l’engin spatial, en éloignant l’antenne du Soleil, et d’attendre trois ou quatre heures pour que sa température baisse.
« Ces trois ou quatre heures ont été très longues », explique Frédéric.
A la fin de l’attente, lorsque les conditions sont réunies, le commandement est envoyé.
L’AEN s’active, la télémétrie montre que Juice oscille au fur et à mesure que le dernier segment se déploie, l’AOCS entre en action et stabilise le vaisseau spatial. Enfin, les caméras confirment la victoire des équipes, RIME est maintenant dans sa configuration de déploiement complet.
Pour Ronan, le soulagement d’assister au déploiement était teinté d’un sentiment familier d’incrédulité. « C’était un peu comme le premier jour de l’incident. Il y avait un sentiment d’incrédulité parce que quatre semaines de pression énorme venaient de s’envoler. Je n’arrivais pas à y croire, même si je voyais les photos », explique-t-il.
« Lorsque RIME a finalement été publié, je pouvais presque voir les larmes dans les yeux de mes collègues », raconte Giuseppe, avant d’ajouter : « Mais nous étions positifs dès le départ et le champagne était déjà dans le réfrigérateur… »
Une fois le champagne bu et l’équipe bien reposée, les contrôleurs de vol de l’ESOC sont passés aux autres déploiements nécessaires sur le vaisseau spatial, qui ont tous été effectués avec succès. Les équipes chargées de l’anomalie RIME à l’ESA, chez Airbus et chez SpaceTech, s’efforcent de comprendre la cause initiale de l’anomalie afin de pouvoir l’éviter à l’avenir sur des systèmes similaires.
La mission Juice elle-même est à nouveau sur la voie de la réussite.