Le 9 février 2017, La mission magnétosphérique multi-échelle de la NASA, connu sous le nom de MMS, a commencé un long voyage de trois mois dans une nouvelle orbite. Le MMS vole sur une orbite hautement elliptique autour de la Terre et la nouvelle orbite emmènera le MMS deux fois plus loin qu'il ne l'a fait auparavant. Dans la nouvelle orbite, qui entame la deuxième phase de sa mission, Le MMS continuera à cartographier les caractéristiques fondamentales de l'espace autour de la Terre, nous aidant à comprendre cette région clé à travers laquelle nos satellites et astronautes voyagent. Le MMS survolera directement des régions – où se produisent des explosions géantes appelées reconnexion magnétique – jamais observées auparavant en haute résolution.

Lancé en mars 2015, Le MMS utilise quatre vaisseaux spatiaux identiques pour cartographier la reconnexion magnétique, un processus qui se produit lorsque les champs magnétiques entrent en collision et se réalignent de manière explosive dans de nouvelles positions. Les scientifiques et les ingénieurs de la NASA pilotent le MMS dans une formation d'une proximité sans précédent qui permet à la mission de voyager à travers des régions où les champs magnétiques du soleil interagissent avec les champs magnétiques de la Terre, mais garder quatre engins spatiaux en formation est loin d'être facile.

"C'est l'une des missions les plus compliquées que Goddard ait jamais réalisées en termes de dynamique de vol et de manœuvres, " a déclaré Mark Woodard, Directeur de mission MMS au Goddard Flight Space Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Personne nulle part n'a fait de vol en formation comme celui-ci auparavant."

Pour former une image tridimensionnelle de la reconnexion, la mission fait voler quatre satellites individuels dans une formation pyramidale appelée tétraèdre. Alors qu'une précédente mission conjointe ESA (Agence spatiale européenne)/NASA volait dans une formation similaire, MMS est le premier à voler dans une formation aussi extrêmement serrée - à seulement quatre milles l'un de l'autre en moyenne. Le maintien de cette séparation étroite permet une cartographie haute résolution mais ajoute une dimension supplémentaire de défi au MMS volant, ce qui est déjà une entreprise complexe.

Piloter un vaisseau spatial, comme on s'en doute, n'est rien comme conduire une voiture. Au lieu de se concentrer uniquement sur deux dimensions, à gauche et à droite, en avant et en arrière - vous devez également considérer le haut et le bas. Ajoutez à cela, maintenir les quatre engins spatiaux MMS dans la formation tétraédrique spécifique nécessaire à la cartographie tridimensionnelle, et vous avez tout un défi. Et n'oubliez pas d'éviter les débris spatiaux et autres engins spatiaux qui pourraient croiser votre chemin. Oh, et chaque vaisseau spatial tourne comme une toupie, ajoutant une autre couche à la complexité vertigineuse.

"Typiquement, il faut environ deux semaines pour parcourir toute la procédure de conception des manœuvres, " a déclaré Trevor Williams, Responsable de la dynamique de vol MMS à la NASA Goddard.

Williams dirige une équipe d'une douzaine d'ingénieurs pour s'assurer que l'orbite de MMS reste sur la bonne voie. Au cours d'une semaine normale de fonctionnement, les manoeuvres, qui ont été soigneusement élaborés et calculés au préalable, sont finalisés lors d'une réunion en début de semaine.

Pour calculer son emplacement, Le MMS utilise le GPS, tout comme un téléphone intelligent. La seule différence est que ce récepteur GPS est bien au-dessus de la Terre, plus élevé que les satellites GPS qui envoient les signaux.

"Nous utilisons le GPS pour faire quelque chose pour lequel il n'a pas été conçu, mais ça marche, ", a déclaré Woodard.

Étant donné que le GPS a été conçu pour les utilisateurs terrestres, les signaux sont diffusés vers le bas, le rendant difficile à utiliser d'en haut. Heureusement, les signaux des satellites GPS sont envoyés largement pour couvrir la planète entière et, par conséquent, certains de l'autre côté de la planète se faufilent autour de la Terre et continuent dans l'espace, où MMS peut les observer. En utilisant un récepteur spécial capable de capter des signaux faibles, MMS est capable de rester en contact GPS constant. Le vaisseau spatial utilise les signaux GPS pour calculer automatiquement leur emplacement, qu'ils envoient au siège du contrôle de vol à Goddard. Les ingénieurs utilisent ensuite ce positionnement pour concevoir les manœuvres des orbites du vaisseau spatial.

Alors que l'orbite de chaque vaisseau spatial MMS est presque identique, de petits ajustements doivent être faits pour maintenir le vaisseau spatial dans une formation serrée. Les ingénieurs s'appuient également sur les rapports de l'analyse des risques d'évaluation de la conjonction de la NASA, qui identifie les emplacements des débris spatiaux et fournit une notification lorsque des objets, comme un vieux satellite de communication, pourrait croiser le chemin de MMS. Bien que rien n'ait encore été à risque d'entrer en collision avec le MMS, l'équipage a un plan de sauvegarde préparé - une manœuvre d'esquive - en cas de besoin.

Les mercredis programmés, un ou deux par mois, les commandes sont envoyées jusqu'à l'engin spatial pour ajuster la formation tétraédrique et effectuer les ajustements d'orbite nécessaires. Ces commandes indiquent au MMS de tirer ses propulseurs par courtes rafales, propulser le vaisseau spatial à son emplacement prévu.

Déplacer le MMS est un processus lent. Chaque vaisseau spatial est équipé de propulseurs qui fournissent quatre livres de poussée, mais ils pèsent aussi près d'une tonne chacun. Les vaisseaux spatiaux tournent tous comme des toupies, le timing de chaque rafale doit donc être synchronisé avec précision pour pousser le vaisseau spatial dans la bonne direction.

Le lendemain, une fois que les engins spatiaux sont dans leurs emplacements appropriés, une deuxième série de commandes est donnée pour tirer les propulseurs dans la direction opposée, pour fixer le vaisseau spatial en formation. Sans cette commande, le vaisseau spatial dépasserait leurs positions prévues et s'éloignerait sans aucune force de résistance pour les arrêter.

Contrairement aux avions, qui allument constamment leurs moteurs pour rester en mouvement, le vaisseau spatial compte sur leur élan pour les transporter autour de leur orbite. Seulement de courtes rafales de leurs propulseurs, ne dure que quelques minutes, sont nécessaires pour maintenir leur formation et faire des ajustements mineurs à l'orbite.

« Nous passons 99,9 % du temps en roue libre parce que nous devons économiser le carburant, ", a déclaré Williams.

Lancé avec 904 livres de carburant, le vaisseau spatial n'a utilisé qu'environ 140 livres au cours de ses deux premières années de fonctionnement. Cependant, envoyer du MMS sur une orbite plus large pour sa deuxième phase consommera environ la moitié du carburant restant - et il n'y a pas de stations-service dans l'espace pour le ravitaillement. L'équipe d'exploitation planifie soigneusement chaque manœuvre pour minimiser la consommation de carburant. Les manœuvres typiques nécessitent moins d'une demi-livre de carburant et l'équipage espère que leurs efforts d'économie de carburant permettront d'économiser suffisamment de carburant MMS pour permettre des études prolongées au-delà de la fin de la mission principale.

La nouvelle orbite elliptique amènera le MMS à moins de 600 milles au-dessus de la surface de la Terre à son approche la plus proche, et à environ 40 pour cent de la distance à la lune. Précédemment, le vaisseau spatial n'a parcouru qu'un cinquième (20 %) de la distance jusqu'à la lune.

Dans la première phase de la mission, MMS a étudié le côté solaire de la magnétosphère terrestre, où les lignes de champ magnétique du soleil se connectent aux lignes de champ magnétique de la Terre, permettant à la matière et à l'énergie du soleil de se diriger vers l'espace proche de la Terre. Dans la deuxième phase, Le MMS passera par le côté nuit, où la reconnexion est censée déclencher des aurores.

En plus de nous aider à comprendre notre propre environnement spatial, connaître les causes de la reconnexion magnétique permet de mieux comprendre comment ce phénomène se produit dans l'univers, des aurores sur Terre, aux éruptions à la surface du soleil, et même dans les zones entourant les trous noirs.

Bien que le MMS ne maintienne pas sa formation tétraédrique lorsqu'il se déplace vers sa nouvelle orbite, il continuera à prendre des données sur les environnements qu'il survole. L'équipe d'exploitation s'attend à ce que le MMS atteigne sa nouvelle orbite le 4 mai, 2017, à quel point il sera de retour en formation et prêt à collecter de nouvelles données scientifiques en 3D, car son orbite elliptique le transporte à travers des zones spécifiques considérées comme des sites de reconnexion magnétique.