Deux durs, des vaisseaux spatiaux résilients de la NASA sont en orbite autour de la Terre depuis six ans et demi, volant à plusieurs reprises à travers une zone dangereuse de particules chargées connue sous le nom de ceintures de radiation de Van Allen. Les sondes jumelles Van Allen ont confirmé les théories scientifiques et révélé de nouvelles structures, composition, et les processus à l'œuvre dans ces régions dynamiques.

En février, l'équipe des opérations de la mission Van Allen Probes du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory - où les sondes ont été conçues et construites - a commencé une série de manœuvres de descente en orbite qui positionneront les satellites pour une éventuelle rentrée dans l'atmosphère terrestre dans environ 15 ans.

"A la nouvelle altitude, la traînée aérodynamique fera tomber les satellites et finira par les brûler dans la haute atmosphère, " a déclaré Nelli Mosavi, chef de projet pour les sondes Van Allen chez APL. "Notre mission est d'obtenir d'excellentes données scientifiques et également de veiller à éviter davantage de débris spatiaux afin que les prochaines générations aient également la possibilité d'explorer l'espace."

Initialement désignée comme une mission de deux ans parce que personne ne croyait qu'un vaisseau spatial pourrait survivre plus longtemps dans les dures ceintures de radiations qui entourent la Terre, ces engins spatiaux robustes fonctionnent sans incident depuis 2012 et continuent de permettre des découvertes révolutionnaires sur les ceintures de Van Allen.

"Le vaisseau spatial et les instruments nous ont donné un aperçu incroyable des opérations du vaisseau spatial dans un environnement à fort rayonnement, ", a déclaré Mosavi. "Tout le monde sur la mission ressent un réel sentiment de fierté et d'accomplissement dans le travail que nous avons accompli et la science que nous avons fournie au monde, même lorsque nous commençons les manœuvres de désorbite."

Un environnement rude

Les ceintures de radiation de la Terre sont constituées de particules sous tension (protons et électrons) piégées en orbite éternelle autour de la planète.

"Nous savons que d'autres planètes de notre système solaire avec des champs magnétiques ont des ceintures de rayonnement, " a déclaré Sasha Ukhorskiy, un scientifique de projet à l'APL. "Nous pouvons supposer que d'autres corps à travers l'univers le font aussi. En étudiant les ceintures et la physique qui leur est associée ici sur Terre, et en utilisant notre monde comme un laboratoire naturel, nous pouvons apprendre comment ces structures fonctionnent autour d'autres objets de l'univers avec des champs magnétiques."

Le champ magnétique entourant la Terre crée une bulle connue sous le nom de magnétosphère, qui protège la planète des explosions de plasma émises par le soleil. Mais il sert également à capturer des particules et peut éventuellement installer ces populations de particules de haute énergie dans des ceintures de rayonnement autour de la Terre.

Une chaîne complexe de processus se produit dans cet environnement proche de la Terre, agissant comme un accélérateur de particules géant et accélérant certaines particules jusqu'à presque la vitesse de la lumière, à plus de 670 millions de miles à l'heure. Ces particules hautement énergisées dans les ceintures de rayonnement peuvent présenter un certain nombre de dangers pour les opérations spatiales, car ils peuvent endommager les composants électroniques sensibles.

Lors des tempêtes solaires, les conditions s'aggravent, et les ceintures peuvent gonfler en taille, menaçant les engins spatiaux à proximité.

"Notre champ magnétique fait un assez bon travail pour nous protéger de ces explosions solaires, " a déclaré David Sibeck, un scientifique de mission au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Mais une partie de leur énergie pénètre profondément dans le champ terrestre et, par divers mécanismes, alimente les ceintures de radiation. Quand cela arrive, les engins spatiaux dans les ceintures feraient mieux de faire attention :des problèmes nous attendent sous la forme de courts-circuits, mémoire de l'ordinateur perturbée, et défaillance de l'instrument."

Les sondes Van Allen ont été conçues et construites pour être résistantes dans cet environnement extrême, et même leurs constructeurs ont été surpris par leur capacité à résister à des conditions aussi difficiles.

« Au cours des six dernières années et demie, les sondes Van Allen ont effectué trois circuits complets autour de la magnétosphère, et mesuré plus de 100 orages géomagnétiques, " a déclaré Ukhorskiy. " Les sondes de Van Allen ont vérifié et quantifié les théories suggérées précédemment, découvert de nouveaux mécanismes capables de sculpter des populations de particules énergétiques proches de la Terre, et utilisé des instruments aux capacités uniques pour dévoiler des caractéristiques inattendues qui étaient pratiquement invisibles pour les capteurs précédents."

Les informations sur les particules et les ondes fournies par les sondes Van Allen se sont avérées être un trésor pour la recherche en physique spatiale. Les découvertes et les observations comprennent de multiples structures de ceinture, dont une troisième ceinture observée peu après le lancement ; des réponses définitives sur les processus d'accélération des particules ; et la découverte d'une région barrière presque impénétrable qui empêche les électrons les plus rapides et les plus énergétiques d'atteindre la Terre.

"Les données des sondes Van Allen ont conduit à plus de 560 articles publiés dans des revues scientifiques à comité de lecture depuis le lancement de la mission, ", a déclaré Ukhorskiy. "La plupart de ces articles sont dirigés par des auteurs qui ne sont pas directement affiliés aux équipes scientifiques de la mission. Et le taux de publication n'a cessé de croître depuis le lancement de la mission; tous les quatre jours, un nouvel article est publié dans une revue internationale à comité de lecture."

Construit pour survivre

Depuis leur lancement depuis la base aérienne de Cap Canaveral, Floride, le 30 août, 2012, les sondes jumelles Van Allen ont livré aux scientifiques un aperçu sans précédent de la composition et des processus au sein des ceintures. Les sondes, connues sous le nom de vaisseaux spatiaux A et B, ont été les premiers vaisseaux spatiaux conçus pour passer des années à fonctionner et à étudier les ceintures de rayonnement, une région que la plupart des missions d'engins spatiaux évitent en raison des risques d'endommagement de l'environnement.

« Concevoir le vaisseau spatial et les instruments pour résister à un environnement de rayonnement très difficile a été le défi le plus difficile pour Van Allen Probes lors de la conception et du développement, " a déclaré Rick Fitzgerald, qui a été chef de projet de la mission à l'APL de 2007 à 2012. « Les rayonnements peuvent endommager l'électronique, conduisant à un comportement erratique ou à un échec pur et simple. Nous avons réduit le risque d'échec grâce à un processus de revue de conception rigoureux, sélection rigoureuse des pièces électroniques, et des tests approfondis de pièces et de matériaux."

Pour protéger l'électronique sensible des engins spatiaux, l'équipe a ajouté des boucliers autour des instruments pour empêcher l'accumulation de charges électriques. "Tous les circuits intégrés ont été conçus pour survivre dans les ceintures, et l'engin spatial dispose d'un système de gestion des pannes et d'autonomie, qui atténue les effets de l'environnement en réinitialisant l'électronique en réponse à des effets d'événement unique, " a déclaré Kristin Fretz d'APL, ingénieur système de mission de 2013 à 2018.

La conception a été à la hauteur du défi.

"Nous avons eu très peu d'erreurs momentanées ou de "perturbations" de notre électronique en orbite, et aucune panne de boitier électronique à ce jour, " Fitzgerald a déclaré. " C'est la véritable validation de tout le travail acharné mis dans le programme de conception et de test avant le lancement. "

La longévité et la résilience des engins spatiaux et des instruments signifient que non seulement ils continuent de fournir de gros volumes de données à la Terre, ils enseignent également aux ingénieurs des engins spatiaux les opérations dans les ceintures.

"Les sondes Van Allen sont essentiellement devenues une installation de test en direct pour comprendre comment l'électronique et les matériaux peuvent survivre à des radiations sévères, " Fitzgerald a déclaré. " Les six ans et demi en orbite fournissent de nouvelles données à utiliser dans les modèles qui déterminent comment fabriquer, comment sélectionner, et comment prédire les performances des pièces et des matériaux en orbite."

Dernières manœuvres

Le vaisseau spatial continue de fonctionner de manière optimale, et les réserves de propergol sont abondantes. Cependant, Les réglementations de la NASA exigent la désorbite contrôlée et le retrait de l'orbite de tous les engins spatiaux après une période de 25 ans à compter de la fin de la mission. Pour répondre à cette exigence, l'équipe de Van Allen Probes en 2017 a commencé à planifier comment abaisser le vaisseau spatial sur des orbites qui finiraient par se désintégrer et conduire à la rentrée dans l'atmosphère, les désintégrer en toute sécurité.

« Si nous ne faisions pas ces manœuvres, les sondes Van Allen continueraient à orbiter pendant des centaines ou des milliers d'années, présentant un problème potentiel pour les futures activités satellitaires, " a déclaré Justin Atchison d'APL, Concepteur de mission Van Allen Probes.

Pour abaisser le vaisseau spatial, l'équipe des opérations de la mission doit effectuer les manœuvres à un point bien précis de l'orbite et à une certaine période de l'année, et doit effectuer l'opération par étapes, plutôt qu'une longue brûlure de moteur.

"Nous devons manœuvrer lorsque les satellites sont à leur point d'orbite le plus élevé loin de la Terre, ou ce qu'on appelle l'apogée, " Atchison dit. " Idéalement, nous ferions tout le changement d'orbite en une seule manœuvre en une seule journée. Cependant, nous sommes limités par la capacité des propulseurs, qui ne sont généralement utilisés que pour de très petites manœuvres pour ajuster légèrement l'orbite ou le pointage. Nous devons donc diviser la manœuvre en segments plus petits pour atteindre l'objectif. »

L'équipe a répété et pratiqué la campagne d'abaissement d'orbite et est prête à commencer cette nouvelle étape de la vie de la mission.

"La mission Van Allen Probes a fait un travail formidable en caractérisant les ceintures de radiation et en nous fournissant les informations complètes nécessaires pour déduire ce qui s'y passe, " a déclaré Sibeck. "Plus de six ans d'excitation et de découvertes ininterrompues qui nous fournissent les informations nécessaires pour garantir que les engins spatiaux peuvent survivre dans certains des environnements les plus difficiles connus de l'humanité. En réalité, la survie même de ces engins spatiaux et de tous leurs instruments, pratiquement indemne, après toutes ces années, c'est un accomplissement et une leçon apprise sur la façon de concevoir des engins spatiaux."