Away, away, away, away, away
Away, away, away, away, away
Well, it's like cranes in the sky
Sometimes I don't wanna feel those metal clouds
Extrait de la chanson “Cranes in the Sky », Solange

Perseverance - Mars landing - Atterrissage Mars - Mars 2020 - Sky crane - NASA JPL - Caltech - Février 2021

Séquence d’images montrant l’atterrissage du rover Perseverance à la surface de Mars.
Animation Gif créée par Gédéon à partir des images brutes de la caméra « Down-look » de l’étage de descente.
Cliquer sur l’image pour voir la séquence en pleine résolution. Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Le retour du jeudi

Jeudi 18 février, La mission Perseverance arrivait sur Mars et c’était vraiment extraordinaire de pouvoir suivre ces sept minutes de terreur quasiment en direct, malgré la distance. Seule frustration : peu d’images... Lundi 22, la NASA a organisé un show digne d’Hollywood en dévoilant toutes les images prises pendant la descente de la mission Mars 2020 vers la surface de la planète rouge.

En août 2012, j’avais déjà été bluffé par les images de l’atterrissage de la mission MSL et du rover Curiosity vues par la sonde MRO (Mars Reconnaissance Orbiter).

Après MARDI, les images de jeudi publiées lundi

En 2012, la NASA avait aussi publié une impressionnante séquence d’images de la descente vers Mars capturée par la caméra MARDI (Mars Descent Imager) fixée sous le rover Curiosity.

Pour Perseverance, la NASA et le JPL ont souhaité suivre plus complètement l’arrivée sur Mars (la phase dite Entry, Descent and Landing ou EDL). Plusieurs caméras, adaptées de produits commerciaux, ont été ajoutés au rover et à l’étage de descente pour suivre cette étape critique. Ces caméras ne sont pas nécessaires pour le bon déroulement de la mission mais elles apportent beaucoup d’informations utiles pour comprendre le déroulement précis des opérations et préparer les futures missions

Canne à selfie volante : comme si vous y étiez…

L’illustration suivante donne la position des différentes caméras sur le rover et l’étage de descente.

Perseverance - Entry Descent and Landing - Cameras - Caméras techniques - NASA - JPL - Caltech - Rover - Descent stage - Parachute - Back shell - Heat shield

Position des différentes caméras destinées à suivre la phase d’entrée, de descente et d’atterrissage (EDL)
sur Mars du rover Perseverance. Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Dans le cas de Perseverance, il y a des caméras sur les trois éléments de la mission qui rentrent dans l’atmosphère martienne :

Deux caméras sur le bouclier arrière (Back Shell), chargées de suivre le déploiement du parachute supersonique (parachute up-look cameras).
Des caméras sur la « grue volante » (sky crane) et visant vers la surface de Mars (descent stage down-look cameras), destinées à filmer la descente du rover.
Des caméras installée sur le rover (rover up-look and rover down-look cameras), en haut (pour suivre le sky crane) et en bas (pour suivre la descente vers le sol martien)

Des images qui laissent sans voix

Nombre de caméras, couleurs, définition, nombres d’images : cette fois-ci, la NASA a donc mis la barre beaucoup plus haut et je dois dire que je suis resté sans voix (comme le microphone de Perseverance pendant la descente) en découvrant la vidéo d’un peu plus de trois minutes. Comme beaucoup de fans de l’exploration spatiale, je suis convaincu que ces images vont rapidement devenir iconiques, comme celles du lever de Terre vu par l’équipage d’Apollo 8, des premiers pas sur la Lune, l’arrivée de Philae sur la comète CG-67/P immortalisée par Rosetta, ou plus récemment celles de l’atterrissage en douceur des deux boosters de la première Falcon Heavy. En tout cas, je les mettrai certainement dans mon top 10 !

Décélération : pas de Zéro G pour atteindre Jezero !

Le site choisi pour atterrir ? Jezero, un cratère d'impact de 49 km de diamètre situé sur le plateau Syrtis Major (18,2°N, 77,6°E).

Le nom Jezero a été choisi en l’honneur de ville serve de Jezero, un nom qui signifie aussi lac en langue slave. Jezero n’est pourtant pas un nom particulièrement approprié si on tient compte de la décélération que subit le Rover Perseverance pendant les « 7 minutes de terreur » de la phase de descente.

Sa vitesse passe en effet d’environ 19200 km/h au moment de l’entrée dans l’atmosphère à 131 km d’altitude à une vitesse quasi-nulle quand les roues du rover touche le sol 410 secondes plus tard. La décélération moyenne est d’environ 1,33 G (accélération de la pesanteur sur Terre). Elle atteint 3G en moyenne pendant le premier freinage atmosphérique, quand le bouclier thermique de 4,5 mètres de diamètre atteint sa température maximale (environ 1300°C). La décélération maximale intervient juste après.

Les 7 minutes de terreur : trajectoire d'entrée et de descente de la mission Perseverance
vers la surface de Mars. Altitude et vitesse aux principales étapes. Crédit image : NASA

4 minutes après l’entrée dans l’atmosphère, la parachute de 21,5 mètres se déploie à 11,8 km d’altitude : la vitesse passe alors d’environ 1520 km/h à 580 km/h en une vingtaine de secondes, soit environ 1,33 l'accélération de la pesanteur terrestre en moyenne : « ça va très très vite à se freiner » comme l’a dit un intervenant pendant le live organisé par le CNES.

Une petite parenthèse : même si la séquence de descente et d’atterrissage ressemble beaucoup à celle de MSL Curiosity, il y a pas mal de petites améliorations apportées par le JPL pour Perseverance. Les caméras bien sûr, mais un changement important est l’ajout du système « Range Trigger » chargé de déclencher l’ouverture du parachute non pas lorsqu’une vitesse prédéterminée est atteinte mais quand la mission rejoint une position donnée par rapport à la cible visée. L’objectif est de réduire la taille de l’ellipse d’incertitude autour du point d’atterrissage visé.

Mars 2020 - Perseverance - Mars landing - Atterrissage sur Mars - Parachute - supersonique - Dare mighty things - Pasadena - Roosevelt -

Séquence d’images montrant l’ouverture et la descente sous parachute du rover Perseverance.
Animation Gif créée par Gédéon à partir des images brutes de la caméra « Up-look » de l’étage de descente.
Cliquer sur l’image pour voir la séquence en pleine résolution. Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Dare Mighty Things : un tissu blanc et orange pour les petits hommes verts

Le parachute avec de jolies couleurs montre la qualité des caméras couleurs mais aussi le côté joueur des équipes du Jet Propulsion Laboratory.

Vous aimez les devinettes ? Le motif de couleur blanc et orange vous intrigue ? Vous avez raison : pour la petite histoire, les joyeux lurons du JPL se sont amusés à cacher une énigme dans la toile du parachute… les alternances de couleur correspondent à une code binaire. Dans la partie inférieure, on peut décode « Dare Mighty Things ». A l’extérieur, les coordonnées GPS du Jet Propulsion Laboratory à Pasadena en Californie, au cas où les petits hommes verts voudraient rencontrer ceux qui ont eu l’idée géniale de la grue volante…

Perseverance - Mars 2020 - parachute - Dare mighty things - Pasadena GPS coordinates - binary code - color code - orange et blanc - Streneous Life - Roosevelt - Ian Clark - Strenuous Life - Roosevelt

Photographie annotée du parachute de Perseverance expliquant le code de couleurs
utilisé pour « cacher » la devise du Jet Propulsion Laboratory.
Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Oser des choses grandioses... En fait, l’expression qui correspond au slogan du JPL est extraite du célèbre discours « Strenuous Life » prononcé par Theodore Roosevelt en avril 1899, alors qu'il est gouverneur de New York :

"Far better is it to dare mighty things, to win glorious triumphs, even though checkered by failure
than to rank with those poor spirits who neither enjoy nor suffer much, because they live
in a gray twilight that knows not victory nor defeat"

On retrouve un peu la même idée dans le discours de John F. Kennedy quand il annonce de projet d’envoyer un homme sur la Lune :

"We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard; because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one we intend to win, and the others, too"

Le code binaire du parachute à été imaginé par Ian Clark, ingénieur système de la mission Perséverance.

Revenons à notre descente... Le bouclier thermique, désormais inutile est éjecté 20 secondes plus tard à environ 9,7 km d’altitude. Sa chute libre vers le sol martien a également été filmée par la caméra « down-look » installée sous le rover.

Perseverance - Mars 2020 - EDL - Entry Descent and landing - Descente et atterrissage - bouclier thermique - Heat shield - NASA - JPL

Séquence d’images montrant la chute du bouclier thermique protégeant le rover Perseverance.
Animation Gif créée par Gédéon à partir des images brutes de la caméra « Down-look » installée sous le rover.
Cliquer sur l’image pour voir la séquence en pleine résolution. Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Une minute plus tard, à 4,27 km d’altitude et alors que la vitesse est encore de plus de 320 km/h, le système TRN (Terrain Relative Navigation) acquière sa cible et commence à affiner la mesure de position. C’est un second changement majeur par rapport à Curiosity en 2012.

L’objectif est toujours de réduire l’incertitude sur la position exacte de l’atterrissage et permettre à Perseverance de se poser le plus près possible du la zone choisie par les scientifiques de la mission. Ce système qui n’existait pas sur les missions précédentes utilise une caméra de navigation LVS (Lander Vision System) et compare les images acquises avec une cartographie chargée dans la mémoire de l’ordinateur de bord (Vision Compute Element). Validé sur Terre en 2016, ce système devrait désormais être utilisé sur les futures missions d’exploration planétaire.

Il est vraiment impressionnant de voir comment en quelques générations de missions martiennes l’ellipse d’incertitude du point d’atterrissage a été réduite de 300 km x 100 km pour les missions Viking 1 et 2 (1976) à 150 km x 20 km pour Spirit et Opportunity (2004), 20 km x 7 km pour Curiosity (2012) et désormais 7.7 km x 6.6 km pour Perseverance.

Les images de la descente permettent de voir le système en action avec les mouvements latéraux qui témoignent du balayage du terrain pour se caler sur la cible.

Perseverance - EDL - Terrain Relative Navigation - Entry Decent and Landing - NASA - JPL - Février 2021 - Mars 2020 - ellipse d'incertitude - error ellipse - Landing accuracy

Séquence d’images montrant la descente pilotée vers le cratère Jezero.
Animation Gif créée par Gédéon à partir des images brutes de la caméra « Down-look » du rover Perseverance.
Cliquer sur l’image pour voir la séquence en pleine résolution. Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Comme à Hollywood, champ et contre-champ et un crâne dans le ciel

C’est seulement une minute avant le contact avec le sol, à 2,1 km d’altitude que le bouclier arrière auquel est accroché le parachute est éjecté et que les 8 rétrofusées du « sky crane » sont allumés. La vitesse de descente est encore de près de 300 km/h. Elle va chuter à 6 km/h en 41 secondes quand le rover atteint l’altitude de 210 mètres. Il est temps de freiner, tout en douceur… Le rover se sépare de sa grue volante à 160 mètres d’altitude, mais il est toujours relié par les trois filins en nylon, le cordon ombilical qui va l’accompagner jusqu’au contact avec le sol martien. La grue volante remet alors les gaz pour s’éloigner de la zone d’atterrissage. Elle ira s’écraser tranquillement un peu plus loin.

Mars 2020 - Perseverance - Sky crane - grue volante - rétrofusées - NASA - JPL - Mars landing - Atterrissage sur Mars - Descent stage

Séquence d’images montrant la séparation et l’éjection du sky crane. Animation Gif créée
par Gédéon à partir des images brutes de la caméra « Up-look » du rover Perseverance.
Cliquer sur l’image pour voir la séquence en pleine résolution.
Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Nylon ni trop court : plus douce sera la chute

Dans la dernière partie de la descente, les images prises par la caméra fixée sous le rover sont impressionnantes : on voit nettement les nuages de poussière soulevez par les gaz des réacteurs du sky crane. On comprend assez rapidement pourquoi les caméras du rover sont équipées de cache-objectifs…

Dernière séquence d’images avant le contact des roues de Perseverance avec le sol martien.
Vidéo créée par Gédéon à partir des images brutes de la caméra « Up-look » du rover Perseverance.
Cliquer sur l’image pour voir la séquence en pleine résolution. Crédit image : NASA / JPL-Caltech

Finalement, on n’est pas trop dépaysé : bouclier thermique, parachute, rétrofusées : c’est comme ça que les vaisseaux Soyouz reviennent sur Terre depuis le début des années soixante. Une différence néanmoins : il n’y a pas eu de mise en orbite autour de Mars. Il s’agit en quelque sorte d’un tir au but depuis le départ de Floride en juillet 2020…

Mars Reconnaissance Orbiter : un spectateur privilégié aux premières loges
Lancée en août 2005, la mission MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) va bientôt fêter sa seizième année en orbite autour de Mars. En orbite à 300 km d’altitude, la sonde sert de relais de communication pour les missions opérant sur le sol martien. MRO embarque aussi deux caméras qui ont été utilisées pour suivre l’atterrissage de plusieurs missions martiennes (dont MSL Curiosity en 2012) :

CTX (Context Camera) fournit des images de résolution moyenne (6 à 8 mètres selon l’altitude) mais couvrant un champ assez large (30 à 40 km).
HiRISE (alias High Resolution Imaging Science Experiment), une caméra à haute résolution (30 cm au sol à 300 km d’altitude) pour une fauchée de 6 km. C’est l’instrument le plus gros en orbite autour de Mars.

MRO était évidemment aux premières loges le 18 février pour suivre l’arrivée de Perseverance : l’instrument HiRISE a pu immortaliser la descente sous parachute vers le cratère Jezero. La zone visée est l’ancien delta de rivière visible sur la gauche de l’image.
La visée est très oblique : la sonde MRO est à 700 km de la zone d’atterrissage au moment ou l’image est prise. La résolution est donc réduite par rapport à la résolution maximale possible dans le cas d’une visée verticale.

Perseverance - Mars 2020 - Mars Reconnaissance Orbiter - Descente sous parachute - HiRISE - high resolution - NASA - JPL - Caltech - Univ. Arizona - 18 février 2021

La descente sous Parachute de Perseverance : image acquise le 18 février 2021 par l’instrument HiRISE
de la mission Mars Reconnaissance Orbiter en orbite autour de Mars.
Crédit image : NASA / JPL-Caltech / Université d’Arizona

Scène de crime après 7 minutes de terreur
Le lendemain, le 19 février, MRO survolait à nouveau la zone d’atterrissage et fournissait de nouvelles images. Le champ large de l’instrument CTX couvre l’ensemble de la « scène de crime ». Sur l’image annotée ci-dessous, on peut voir sur le sol martien les principaux éléments présentés dans les animations précédentes :

Le parachute, sous la forme d'un disque clair, attaché à la coque arrière, à gauche.
Le rover Perseverance, de couleur claire avec son ombre noire au centre d’un motif caractéristique également clair créé par le souffle des rétrofusées de l’étage de descente (sky crane).
L’étage de descente qui s’est écrasé à une distance de sécurité après avoir déposé le rover. Ici, il s’agit de débris formant un V de couleur sombre dont l’extrémité pointe dans la direction du rover.
Le bouclier thermique, très noir, sur la droite.

Perseverance - Parachute - Heat shield - bouclier thermique - Back shell - sky crane - EDL - descent stage - MRO - Mars reconnaissance Orbiter - CTX - NASA - JPL - Univ. Arizona - 19 février 2021

Scène de crime sur Mars : le lendemain de l’atterrissage de Perseverance dans le cratère Jezero,
les traces des sept minutes de terreur vus par les instruments CTX et HiRISE de la sonde MRO.
Crédit image : NASA / JPL-Caltech / Université d’Arizona

Les quatre vignettes proviennent de la caméra HiRISE. Couvrant un champ d’environ 200 mètres de largeur, elles donnent une vue plus détaillée. Note : certaines sont pivotées par rapport à l'image de l'instrument CTX.
Une fois recouvertes par la poussière martienne, ces traces devraient devenir moins visibles et s’estomper progressivement.

Une dernière pour la route...

On retourne sur le rover Perserverance avec une image prise par une des caméras Hazcam juste après le contact avec le sol. Coup de chance : cette caméra a photographié un panache de fumée et de poussière causé par le crash volontaire de l'étage de descente. Compte tenu de la configuration indiquée sur l'image annotée de CTX, je dirais que c'est la caméra arrière droite, celle qui pointe vers le motif en V du site du crash de l'étage de descente.

Perseverance rover - Hazcam - Crash descent stage - Panache fumée - Mars 2020 - smoke plume - Mars 2020 - sky crane

Scène de crime sur Mars (la suite) : le panache de fumée et de poussière causé par le crash de l'étage de descente.
Image prise le 18 février 2021 par une caméra Hazcam du rover Perseverance.
Crédit image : JPL / Caltech

En savoir plus :

Sur le site de la NASA, les images brutes (Raw images) de la mission Perseverance Mars 2020.
Sur le site du JPL, les dernières images de la mission MRO et celles du rover Perseverance.
Sur le site NasaSpaceflight, un article en anglais sur le profil de descente de la mission Perseverance.
Sur le blog Un autre regard sur la Terre, les articles sur Curiosity et l’exploration de Mars.
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