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BepiColombo est une mission d'exploration de la planète Mercure. Elle est développée par ESA conjointement avec la JAXA. Les deux orbiteurs qui composent la mission doivent se placer en orbite autour de Mercure en décembre 2025. L'orbiteur MPO, développé par l’ESA, emporte 11 instruments et doit étudier l'intérieur et la surface de la planète Mercure ainsi que son exosphère. L'orbiteur MMO, développé par l'agence spatiale japonaise (JAXA), comprend 5 instruments scientifiques et a pour objectif l'étude du champ magnétique, de l'exosphère ainsi que des ondes et des particules situées dans l'environnement immédiat de la planète. Un troisième module, le Mercury Transfer Module, ou MTM, dont le maître d'œuvre est l’ESA, prend en charge la propulsion des modules MPO et MMO jusqu'à l'orbite de Mercure.
L'envoi d'une mission vers Mercure présente des difficultés techniques majeures. Du fait de la proximité du Soleil, la sonde spatiale est soumise à des températures oscillant entre −180 et +450 °C qui nécessitent le recours à différents dispositifs (bouclier thermique) pour la protéger. Par ailleurs, pour parvenir à se mettre en orbite autour de Mercure, BepiColombo doit fortement réduire sa vitesse : pour remplir cet objectif la sonde spatiale utilise une propulsion ionique, seule capable de produire une telle décélération sans imposer une trop grande masse d’ergols. Elle suit par ailleurs une trajectoire complexe d'une durée de 7,2 ans, durant laquelle elle survole à sept reprises les planètes Vénus et Mercure dont l’assistance gravitationnelle complète l'action de la propulsion.

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BepiColombo rend logiquement hommage au scientifique italien Giuseppe Colombo (1920-1984) fréquemment surnommé Bepi. En effet, la sonde de l’ESA fait une utilisation importante du survol de planètes pour obtenir une assistance gravitationnelle afin d’arriver à se positionner sur orbite autour de Mercure fin 2025. Or c’est Giuseppe Colombo qui a établi mathématiquement en 1970 le principe d’une telle manœuvre, une méthode qui sera d’ailleurs appliquée à de nombreuses missions spatiales.�Après son décollage en 2018, BepiColombo a survolé la Terre en avril 2020, Vénus à 2 reprises en octobre 2020 et août 2021, puis Mercure en octobre 2021… et plus récemment le 23 juin 2022. À chaque fois, le passage proche a été l’occasion d’une assistance gravitationnelle afin que la sonde obtienne la modification voulue de sa trajectoire sans avoir à solliciter (ou presque) sa propulsion.�Pour le survol du 23 juin, au plus près, BepiColombo est passée à 200 km de la surface de Mercure.
Ci-dessous, 3 images récoltées lors de cette manœuvre

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Mercure par BepiColombo le 23 juin 2022 Crédit : ESA/BepiColombo/MTM

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Encore 4 survols au programme

Ce survol du 23 juin était donc le deuxième de Mercure par BepiColombo. Désormais, il en reste 4 autres afin que la sonde puisse être capturée par la planète et devenir son satellite artificiel.�Les dates sont les suivantes : 20 juin 2023, 5 septembre et 2 décembre 2024, puis le 9 janvier 2025. Lors d’un ultime retour vers le monde le plus proche du Soleil, BepiColombo s’inscrira sur orbite autour de Mercure le 5 décembre 2025. Elle aura préalablement largué son module de propulsion MTM (Mercury Transfer Module) et elle-même se séparera en deux éléments, un japonais appelé MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) dédié au champ magnétique de Mercure et un européen baptisé MTO (Mercury Planetary Orbiter) doté de 11 instruments afin d’étudier la surface et l’exosphère (atmosphère extrêmement ténue) de la planète.

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Mercure est la planète la plus proche du Soleil et la plus petite du Système solaire. Elle circule à une distance du Soleil comprise entre 0,31 et 0,47 UA, soit entre 46 et 70 millions de kilomètres. Mercure fait le tour du Soleil en 87,969 jours, mais, étant en résonance 3:2 avec le Soleil, la durée d'un jour sur la planète est de 58,646 jours terrestres. L’inclinaison de l’axe de rotation de Mercure sur son plan orbital est la plus faible du système solaire, à peine 2 minutes d’arc. Mercure est une planète tellurique. Elle est près de trois fois plus petite et presque vingt fois moins massive que la Terre mais presque aussi dense qu'elle, avec une gravité de surface pratiquement égale à celle de Mars, qui est pourtant près de deux fois plus massive. Sa densité remarquable est due à l'importance de son noyau métallique, qui occuperait plus de 40 % de son volume, contre seulement 17 % pour la Terre. Dépourvue de véritable atmosphère, sa surface est très fortement cratérisée et globalement similaire à la face cachée de la Lune. La quasi-absence d'atmosphère, combinée à la proximité du Soleil, engendre des températures en surface allant de 90 K (−183 °C) au fond des cratères polaires (là où les rayons du Soleil ne parviennent jamais) jusqu'à 700 K (+427 °C).

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https://youtu.be/AJbQnUju3Kg

Mercure

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MERCURE 2439,7 KM

VÉNUS 38 025KM

TERRE 40 075 KM

MARS 21 344 KM

Périmètres équatoriaux

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Messenger

Messenger, la seule mission spatiale ayant effectué une étude approfondie de Mercure, en se plaçant en orbite autour de celle-ci, qui ne lui a permis d'emporter que 47 kg d'instruments scientifiques (BepiColombo : 130 kg) et a réduit ses modes d'observation par rapport à celles de la sonde spatiale européenne. Les principaux résultats fournis par la sonde spatiale de la NASA sont :
la couverture photographique complète de la planète qui a révélé des formations qui n'ont jusqu'à présent pas trouvé d'explications. La reconstitution de la genèse des grandes plaines de lave, essentiellement concentrées dans la région du pôle nord, nécessitent plus de données que BepiColombo pourrait fournir,
une analyse spectrale de la surface toutefois incomplète pour l'hémisphère sud, car l'orbite polaire très elliptique de Messenger la faisait passer à faible distance du pôle nord mais à grande distance du pôle sud,
la découverte de la richesse en soufre de la croûte planétaire, 10 fois supérieure à celle de la Terre avec des implications importantes sur le déroulement du processus de formation de la planète,
la présence d'un noyau partiellement liquide, confirmée par la présence d'un champ magnétique,
la détection de glace d'eau dans les régions polaires, plongées en permanence dans l'ombre. Cette glace d'eau pourrait provenir d'un unique impact d'astéroïde. BepiColombo pourrait fournir des données explicatives.

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https://youtu.be/q63nZfQHlXw

"Exploration de Mercure : les incroyables découvertes de la sonde NASA MESSENGER"

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Carte en fausses couleurs de la topographie de Mercure réalisée à partir des données de l'altimètre laser de Messenger : le mauve correspond à l'altitude la plus basse tandis que le rouge correspondant aux altitudes élevées.

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Les objectifs scientifiques de BepiColombo

Formation et évolution de la planète, déterminer comment Mercure s'est formée et exploiter ces données pour améliorer notre compréhension de la formation du Système solaire.

Structure du noyau et composition de la planète quelle est la structure interne de Mercure ? Quelle sont les tailles respectives du noyau solide et du noyau liquide ? Confirmer la présence d'un noyau liquide.

Géologie de la surface et histoire des cratères, existe-t-il des indices à la surface de Mercure indiquant que des processus géologiques sont en cours ?

Orbite Mercure tourne à faible distance autour du Soleil en décrivant une orbite elliptique avec une excentricité élevée. De ce fait elle est l’un des corps célestes qui rencontrent les conditions les plus extrêmes : températures élevées, fort taux de radiation, bombardement par des particules ionisées. Comment sont formées des planètes aussi proches de leur étoile et comment évoluent-elles ?

Magnétosphère Mercure a un champ magnétique intrinsèque alors que Vénus ou Mars en sont dépourvues. Comment ce champ magnétique est-il généré et quelle est sa structure ?

Atmosphère Mercure a une atmosphère très ténue et changeante, l’exosphère, mais ne dispose d'aucune ionosphère. Comment l'exosphère s'est-elle formée et comment se reconstitue-t-elle ? Comment est-elle structurée et quels sont les processus qui la font évoluer ?

Eau et glace Mercure dispose de dépôts de glace d'eau dans les zones de cratères des régions polaires qui sont situées en permanence à l'ombre. Est-ce que c'est de la glace d'eau pure ou est-elle mélangée avec d'autres matériaux ? Quels sont ces autres matériaux et quelle est l'origine de la glace ? Est-ce que certaines molécules d'eau sont piégées dans l'atmosphère ?

Environnement cosmique La sonde spatiale doit étudier la poussière présente dans l'espace interplanétaire issue des comètes et des astéroïdes pour améliorer notre connaissance de la région interne du Système solaire

L'exosphère est la couche la plus externe de l’atmosphère d'un corps céleste. Cette couche s'étend théoriquement à l'infini.

L'ionosphère d'une planète est une couche de son atmosphère caractérisée par une ionisation partielle des gaz.

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Le transit entre la Terre et Mercure (2018-2025)

BepiColombo est lancée le 19 octobre 2018 à 1h45 UTC par une fusée Ariane 5 ECA. La fusée place la sonde spatiale sur une orbite héliocentrique en lui fournissant un excédent de vitesse d'environ 3 km/s. Une séquence automatique déclenche l'activation des petits moteurs permettant d'orienter la sonde spatiale, le déploiement des panneaux solaires des modules MPO et MTM. Enfin la sonde spatiale tourne ses panneaux solaires vers le Soleil puis commence à transférer vers la Terre les premières données sur l'état de ses équipements. Durant les trois mois suivants différents équipements sont déployés et contrôlés : déploiements des antennes moyen et grand gain, de la perche supportant les capteurs du magnétomètre, libération du mécanisme permettant d'orienter la poussée des moteurs ioniques. Les instruments des modules MPO et MMO sont activés et vérifiés et la propulsion ionique est testée.

Animation montrant le déroulement du transit de BepiColombo entre la Terre et Mercure.

BepiColombo

Terre Vénus Mercure Soleil

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Déroulement du transit entre la Terre et Mercure

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Insertion en orbite autour de Mercure

Deux mois avant l'insertion en orbite autour de Mercure, le module MTM est largué et ce sont les propulseurs à ergols liquides du module MPO qui sont utilisés pour les opérations suivantes d'insertion en orbite et de correction de trajectoire. La propulsion électrique a limité la vitesse d'arrivée sur Mercure, ce qui permet de se placer en orbite autour d'un des points de Lagrange L1/L2 du système Mercure-Soleil sans avoir à décélérer, évitant la nécessité d'effectuer une manœuvre critique.

L'ensemble spatial (MMO, MPO et MOSIF) se place ensuite dans la sphère d'influence de Mercure avant d'être capturé par la planète sur une orbite haute à environ 674 × 178 000 km.

Cette orbite est progressivement réduite par la suite alors que la phase d'insertion (MOI) débute par cinq mises à feu des propulseurs chimiques afin de réduire l'apoastre (points de l'orbite d'un corps céleste le plus éloigné de son foyer) et d’atteindre d'abord l'orbite opérationnelle de la sonde MMO à 590 × 11 640 km qui est alors larguée. L'opération est soumise à plusieurs contraintes importantes dont:

l'impossibilité d'envoyer des commandes au vaisseau spatial durant une conjonction solaire et à partir de sept jours avant celle-ci.
pour respecter les contraintes thermiques, la rotation du vaisseau doit être synchronisée avec le mouvement orbital de Mercure et aucune manœuvre ne peut avoir lieu dans une zone de plus ou moins 60° autour du périhélie de Mercure.
le vaisseau subit des « saisons d'éclipse » pouvant impacter l'alimentation en énergie ; ainsi, la mission pourrait être compromise si la séparation du module MMO n'est pas réalisée avant la saison d'éclipse.
Le module MOSIF est ensuite éjecté peu après, ce qui permet à la sonde MPO d'effectuer une série de dix manœuvres afin de rejoindre son orbite de travail à 480 × 1 500 km.
La phase d'insertion (MOI) dure au total trois mois, à laquelle il faut ajouter la mise en service finale du module MPO qui prend environ un mois supplémentaire.

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Caractéristiques générales de la sonde spatiale

BepiColombo comprend deux sondes spatiales indépendantes et deux modules techniques qui sont solidaires durant le transit entre la Terre et Mercure, mais se séparent une fois leur destination atteinte :

MPO (Mercury Planetary Orbiter) est un orbiteur, développé par l’ESA qui emporte onze instruments destinés à étudier à la fois la surface et l’exosphère de Mercure.

MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) fourni par la JAXA est un orbiteur emportant cinq instruments destinés à l'étude de la magnétosphère de la planète.

MTM (Mercury Transfer Module) propulse l'ensemble des quatre modules durant le transit entre la Terre et Mercure grâce à quatre moteurs ioniques. Ayant rempli son rôle, il est largué à la fin de cette phase, mais avant l'insertion en orbite autour de Mercure afin d'éviter sa capture par la planète.

MOSIF (Magnetospheric Orbiter Sunshield and Interface Structure) fournit une interface mécanique et électrique entre MPO et MMO et protège ce dernier du flux solaire durant toute la durée du transit. Il est largué une fois que MMO circule sur son orbite opérationnelle autour de Mercure.

Les quatre modules forment un ensemble de 3,9 × 3,6 × 6,3 mètres dont l'envergure atteint 30,4 mètres lorsque les panneaux solaires du module de propulsion MTM sont déployés. BepiColombo a une masse de 4 121 kg au lancement dont environ 1 400 kg d’ergols.

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La sonde spatiale en cours d'assemblage final sans le pare-soleil MOSIF (2017). On distingue de haut en bas : la petite sonde spatiale japonaise MMO, la sonde spatiale européenne MPO et le module de propulsion MTM.

Le module de transfert MTM sans ses panneaux. On distingue sur la face visible les quatre moteurs ioniques.

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Système de régulation thermique

L'orbiteur MPO est soumis à un régime thermique particulièrement contraignant. Sur son orbite de travail, le module passe à moins de 0,3 UA du Soleil. De plus, la surface de Mercure, que l'orbiteur survole toutes les deux heures, renvoie complètement le flux thermique émis par l'étoile. L'irradiance solaire est comprise entre 6 290 W/m² lorsque Mercure est à l'aphélie de son orbite et 14 500 W/m² à son périhélie. La surface de l'orbiteur est portée à des températures dépassant 400 °C. Pour faire face à ce problème, le corps de MPO est recouvert de trois couches d'isolant thermique. La couche extérieure à haute performance (tissu de céramique) supporte sans se dégrader 450 °C. La couche intermédiaire résiste à une température de 250 °C. Enfin, une couche de revêtement thermique standard est apposée sur la structure de MPO et les parties de la sonde spatiale directement exposées au Soleil. Les trois couches sont espacées de 2 cm par des écarteurs pour amortir l'impact des micro-météorites.
Malgré les couches d'isolant, 300 watts de chaleur entrante et 1 200 W générés par l'électronique et l'équipement de la sonde doivent être évacués par un réseau de 97 tubes reliés à un radiateur qui dissipe cette chaleur interne. Le radiateur est monté sur la face de l'engin qui n'est jamais exposé au Soleil et par conséquent, toujours orienté vers Mercure.

Radiateur du module MPO.

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Instruments scientifiques

Altimètre BELA (BepicolomBo laser altimeter) est un altimètre laser utilisé pour dresser la topographie de Mercure en fournissant la hauteur et les coordonnées (dans un référentiel centré sur Mercure) d'un réseau de points situés à la surface. Ces informations permettront de créer un modèle de terrain numérique qui sera utilisé pour des études de géologie, de tectonique et pour estimer l'âge de la surface.

Magnétomètre MPO-MAG

Accéléromètre ISA (Italian Spring Accelerometer) est un accéléromètre tridimensionnel qui mesure les forces s'exerçant sur la sonde spatiale générées par la pression de radiation du rayonnement solaire dans le visible et par du rayonnement infrarouge généré par Mercure.

Expérience de radio-science MORE (Mercury Orbiter Radio-science Experiment) est une expérience de radio-science utilisée pour mesurer le champ gravitationnel de

Spectromètre imageur infrarouge MERTIS (mercury radiometer and thermal infrared spectrometer) fournit des données sur la composition géologique de la surface de Mercure et ainsi déterminer la taille et l'état physique du noyau de la planète.

Détecteur de particules SERENA (STart from a ROtating Field mass spectrOmeter) est un instrument mesurant insitu les particules neutres et ionisées présentes dans la région de l'espace entourant Mercure.

Spectromètre imageur Symbio-SYS imageur SYMBIO-SYS (Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System) fournit des données sur la géologie de la surface de Mercure, son volcanisme, la tectonique, l'âge de la surface et la géophysique.

Spectroscope ultraviolet PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere By Ultraviolet Spectroscopy) est un spectroscope ultraviolet qui mesure le spectre du rayonnement émis dans l’éxosphère en effectuant des observations au-dessus du limbe de Mercure …

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