I N S T I T U T D ' A E R O N O M - I E S P A T I A L E D E B E L G I Q U E
3 - Avenue Circulaire B - 1180 B R U X E L L E S
A E R O N O M I C A ACTA
A - N° 2 5 6 - 1 9 8 3
Les implications des caractéristiques orbitales du projet européen KEPLER
par
J. VERCHEVAL
A V A N T - P R O P O S
Cet article intitulé "Les implications des caractéristiques orbitales du projet européen K E P L E R " , sera publié dans le Bulletin de la Classe des Sciences de l'Académie Royale de Belgique.
VOORWOORD
De tekst getiteld "Les implications des caractéristiques orbitales du projet européen K E P L E R " , zal gepubliceerd worden in het
"Bulletin de la Classe des Sciences de l'Académie Royale de Belgique".
FOREWORD
The article "Les implications des caractéristiques orbitales du projet européen K E P L E R " will be published in the "Bulletin de la Classe des Sciences de l'Académie Royale de Belgique".
L E S I M P L I C A T I O N S D E S C A R A C T E R I S T I Q U E S O R B I T A L E S DU P R O J E T E U R O P E E N K E P L E R
par
J. V E R C H E V A L
Résumé
Cet article a pour objet de décrire les implications des caractéristiques orbitales du projet européen K E P L E R s u r les conditions d'observations de l'atmosphère martienne par spectrométrie d'absorption.
Les mesures seront effectuées lors des occultations d u Soleil par la planète.
Samenvatting
Deze tekst beschrijft de invloed van de baan karakteristieken van het europese K E P L E R - p r o j e c t op de waarnemingen van de atmosfeer van Mars door middel van absorptie spectrometrietechnieken. De metingen zullen tijdens de zonsverduisteringen door de planeet gedaan worden.
A b s t r a c t
The purpose of the present paper is to describe the orbital characteristics of the european K E P L E R project, more especially the resulting observational conditions of the martian atmosphere b y an absorption spectrometry technique. The measurements wiU be made d u r i n g sun occultation by the planet.
1. I N T R O D U C T I O N
Avec pour objectif la satellisation d ' u n e sonde a u t o u r de la planète M a r s , le projet KEPLER, s'il d e v a i t ê t r e a p p r o u v é d é f i n i t i v e m e n t par l'Agence Spatiale Européenne, constituerait une c o n t r i b u t i o n majeure de l'Europe à l'exploration p l a n é t a i r e .
L'objet de la mission pressentie est d ' é t u d i e r la s t r u c t u r e de l'atmosphère et de l'ionosphère de M a r s , son bilan é n e r g é t i q u e global, son champ g r a v i t a t i o n n e l , son champ magnétique et sa topographie plus particulièrement dans les régions polaires. La c h a r g e utile comporterait notamment des spectromètres de masse pour mesurer les gaz n e u t r e s et ionisés, un sondeur i n f r a r o u g e , un magnétomètre, des d é t e c t e u r s de particules et un a l t i m è t r e - r a d a r .
A la demande de l'Agence Spatiale Européenne, des études préliminaires ont déjà été e n t r e p r i s e s en v u e de d é f i n i r la mission aux niveaux s c i e n t i f i q u e , technique et f i n a n c i e r . Plusieurs groupes de c h e r c h e u r s belges a p p a r t e n a n t à l ' I n s t i t u t d'Aéronomie Spatiale, à l ' I n s t i t u t d ' A s t r o p h y s i q u e de l ' U n i v e r s i t é de Liège et à la V r i j e U n i v e r s i t e i t Brussel ont apporté leur c o n t r i b u t i o n en proposant une série d ' e x p é r i e n c e s . L'une d'elles consisterait à e f f e c t u e r des mesures des constituants minoritaires de l'atmosphère martienne par spectro- métrie d ' a b s o r p t i o n , dans le domaine v i s i b l e , avec le soleil comme source. Cette note a pour objet de d é c r i r e les caractéristiques orbitales de la mission ainsi que leurs implications sur les conditions de déroulement des observations, plus particulièrement celles liées aux mesures spectrométriques projetées.
2 . P R O F I L DE LA M I S S I O N
Sous la r é s e r v e d'un renoncement de l'ESA, la sonde KEPLER sera lancée le 17 juillet 1988. L'insertion sur une première o r b i t e aréo- c e n t r i q u e i n t e r v i e n d r a le 9 j a n v i e r 1989 ( f i g . 1 ) . L ' o r b i t e nominale aura une inclinaison de 92° par r a p p o r t au plan, équatorial de la planète, avec un p é r i c e n t r e à 1000. km d ' a l t i t u d e et un apocentre à 33250 km. La sonde séjournera 10 jours sur cette o r b i t e , période nécessaire pour une détermination précise des éléments o r b i t a u x .
Le 19 j a n v i e r 1989, on procédera à l'abaissement de l'altitude du p é r i c e n t r e à e n v i r o n 150 km. La nouvelle période orbitale sur cette o r b i t e intermédiaire sera d ' e n v i r o n 24 h e u r e s , ce qui facilitera les opérations de poursuite à p a r t i r d ' u n e même station t e r r e s t r e . En r é a l i t é , l'importante e x c e n t r i c i t é de cette o r b i t e conduira le p é r i c e n t r e à subir les effets des p e r t u r b a t i o n s gravitationnelles solaires. Il conviendra d'en t e n i r compte pour obtenir un p é r i c e n t r e à l'altitude de 150 km en f i n de séjour sur l'orbite i n t e r m é d i a i r e . Par suite de la lente d é r i v e du p é r i c e n t r e en latitude dû à l'aplatissement de la p l a n è t e , q u a r a n t e jours s ' a v é r e r o n t nécessaires pour entamer le d é b u t de la phase opérationnelle dans les conditions souhaitées, notamment en v u e de p e r m e t t r e un passage du p é r i c e n t r e au-dessus du pôle Sud à l'époque des solstices.
Le 28 f é v r i e r 1989, par une r é t r o - m a n o e u v r e effectuée au p é r i c e n t r e , la sonde sera t r a n s f é r é e sur l'orbite opérationnelle avec un p é r i c e n t r e maintenu à 150 km, un apocentre à 7075 km et une période orbitale de 298 minutes. La> phase opérationnelle au cours de laquelle s ' e f f e c t u e r o n t toutes les expériences aura une d u r é e de l ' o r d r e d ' u n e période synodique de la planète (786 j o u r s ) . Du f a i t que l'orbite sera soumise à diverses p e r t u r b a t i o n s et notamment celles r é s u l t a n t de la
LA MISSION KEPLER
Lancement : 17 juillet 1988
Orbite d ' i n s e r t i o n : 9 janvier 1989 Orbite intermédiaire : 19 janvier 1989 Orbite o p é r a t i o n n e l l e : 28 février 1989
3 3 2 5 2 km
O r b i t e
i n t e r m é d i a i r e
O r b i t e
o p é r a t i o n n e l l e
7 0 7 5 k m
Orbite d ' i n s e r t i o n
H y p e r b o l e d ' a r r i v é e
I n s e r t i o n MARS M ^ ' 0 0 0 k m
3 e Manoeuvre 150 km
F i g . 1 . - Profil de la satellisation dé KEPLER a u t o u r de
\ M a r s . ^ {
\
résistance aérodynamique dans l'atmosphère m a r t i e n n e , plusieurs manoeuvres s ' a v é r e r o n t nécessaires pour la maintenir dans les conditions nominales.
3. I M P L I C A T I O N S GENERALES DE L ' O R B I T E NOMINALE
L'orbite opérationnelle adoptée donne lieu à des conditions
expérimentales p a r t i c u l i è r e s que révèle l'examen de la f i g u r e 2 montrant J les v a r i a t i o n s , au cours de la mission, du temps local au p é r i c e n t r e
( T L )d, de la déclinaison du Soleil 6 et de la latitude du p é r i - ra © c e n t r e q> .
P
Les v a l e u r s du temps local au p é r i c e n t r e sont a p p r o x i m a t i v e - ment centrées sur 6 , 12, 18 et 24 h e u r e s . Les pentes q u a s i - v e r t i c a l e s de la courbe ( T L ) p correspondent aux passages du p é r i c e n t r e aux pôles alors que les variations lentes autour des v a l e u r s précitées sont dues essen- tiellement au mouvement du soleil en ascension d r o i t e , la précession du plan orbital étant t r è s faible pour une inclinaison de 9 2 ° .
Le mouvement du p é r i c e n t r e en latitude s'effectuera avec une période de 343.5 j o u r s ; en d ' a u t r e s termes, le p é r i c e n t r e accomplira deux révolutions autour de la planète au cours d ' u n e année martienne de 687 j o u r s .
Les passages à l'équateur du p é r i c e n t r e s u r v i e n d r o n t à des temps locaux de Oh, 6 h , 12h et 18h avec une tolérance de ± 1 h e u r e dans le temps et de ± 15° en latitude : il sera dès lors possible de procéder à des observations équatoriales susceptibles de mettre en évidence des effets d i u r n e s pour des conditions saisonnières relativement similaires.
Les passages du p é r i c e n t r e au-dessus du pôle Sud a u r o n t lieu aux époques des solstices de sorte q u ' u n e analyse des conditions y r é g n a n t aux saisons d'été et d ' h i v e r sera permise.
\
TEMPS ECOULE SUR L ' O R B I T E OPERATIONNELLE ( j o u r s )
F i g . 2 . - V a r i a t i o n s , au c o u r s de la m i s s i o n , d u temps local au p é r i c e n t r e ( T L )p ,de la d é c l i n a i s o n d u soleil ô^, et de la l a t i t u d e d u p é r i c e n t r e <p .
4. L E S C O N D I T I O N S G E O M E T R I Q U E S L I E E S A U X O B S E R V A T I O N S S P E C T R O M E T R I E S
Les m e s u r e s spectrométriques c o n s i s t e r o n t à v i s e r le soleil au v o i s i n a g e de la planète, c ' e s t à dire a u x moments de ses c o u c h e r s et l e v e r s .
La f i g u r e 3 montre le rayonnement solaire capté p a r l ' i n s t r u m e n t et r a s a n t la planète en u n point T d'altitude z. P o u r une v a l e u r donnée de l'élévation solaire, le nombre de molécules atmo- s p h é r i q u e s a b s o r b a n t e s le long de l'axe de visée est déterminé à p a r t i r de l ' a b s o r p t i o n o b s e r v é e s u r des raies spectrales c a r a c t é r i s t i q u e s d u g a z étudié. A u lever ou au coucher du soleil, le trajet optique d a n s l'atmosphère est t r è s long et la méthode atteint sa sensibilité maximale.
En admettant que M a r s soit une planète s p h é r i q u e de r a y o n R , la d é p r e s s i o n solaire D s o u s le plan horizontal local est donnée p a r D = arcos ( p + Z ) où ( R + z ) et ( R + z ) sont les d i s t a n c e s a r é o -
R + Z S
c e n t r i q u e s d u point de tangènce T et de la sonde S . Pour u n balayage de l'atmosphère entre 0 et 200 kilomètres (0 < z < 200 k m ) , la d é p r e s s i o n D p r e n d les v a l e u r s situées entre les d e u x c o u r b e s représentées à la f i g u r e 4. A i n s i , l o r s q u e la sonde se t r o u v e à proximité de son péricentre, D v a r i e entre 0 et 20°. Il c o n v i e n t de remarquer q u ' u n e mesure à 200 km s ' a v è r e impossible q u a n d la s o n d e se t r o u v e à une altitude inférieure à cette v a l e u r . Pour une altitude de p l u s en plus élevée, la d é p r e s s i o n croît mais son domaine de variation se rétrécit.
Les périodes au c o u r s desquelles les o b s e r v a t i o n s s p e c t r o - métriques s ' a v è r e n t p o s s i b l e s sont a p p a r e n t e s à la f i g u r e 5 où sont r e p o r t é e s , en fonction du temps écoulé s u r l'orbite opérationnelle, les altitudes c o r r e s p o n d a n t e s z de la s o n d e , les d i s p e r s i o n s associées
/ R • z \ D = arccos (— )
\R*z
s/ R = 3397 km
0 < z < 200km
150km < z
s<7075 km
Fig. 3 . - Géométrie iiée aux mesures spectrométriques.
ANGLE DE DEPRESSION D (deg)
Fig. 4.-. Variations de la dépression solaire D en fonction de l'altitude zg de la sonde pour des observations se rapportant au niveau du sol (z = 0) et a une altitude z = 200 km.
Fig. 5 . - Altitudes de la sonde zg au cours des périodes propices aux observations spectrométriques et durées des mesures At pour un balayage de l'atmosphère entre 0 et 200 km.
r é s u l t a n t d ' u n balayage de l'atmosphère e n t r e 0 et 200 km. O n y d i s t i n g u e les o b s e r v a t i o n s e f f e c t u é e s aux c o u c h e r s d u soleil et celles relatives à ses l e v e r s . Il a p p a r a î t que la g r a n d e majorité des o b s e r v a t i o n s s ' e f f e c t u e r o n t à p a r t i r d ' u n e a l t i t u d e zg i n f é r i e u r e à 2000 km. La même f i g u r e montre q u e l q u e s v a l e u r s d i s c r è t e s de la d u r é e des mesures At nécessaire p o u r u n balayage de 0 à 200 km; A y a n t adopté un pas de 14 j o u r s , il a p p a r a î t q u e la r é p a r t i t i o n des v a l e u r s n'est pas r é g u l i è r e au fil d u temps; dans c e r t a i n s c a s , en e f f e t , le balayage de l'atmosphère n'est q u e p a r t i e l , le domaine d ' a l t i t u d e e n t r e 0 et 200 km ne p o u v a n t être entièrement c o u v e r t par les o b s e r v a t i o n s .
A u c e n t r e de la f i g u r e 6, des t r a i t s h o r i z o n t a u x i n d i q u e n t l'étendue des périodes p r o p i c e s aux mesures. O n y montre également la c o u r b e des v a r i a t i o n s de l'angle p, d é f i n i comme l'angle e n t r e le r a y o n v e c t e u r d u soleil et le plan de l ' o r b i t e , et de l'angle y r e p r é s e n t a n t la d i s t a n c e a n g u l a i r e a r é o c e n t r i q u e e n t r e le p é r i c e n t r e de l ' o r b i t e et le soleil. P o u r une o r b i t e c i r c u l a i r e ( c o n d i t i o n r e n c o n t r é e lors d u premier vol de Spacelab au c o u r s d u q u e l une e x p é r i e n c e similaire sera c o n d u i t e ) , la c o n d i t i o n pour o b t e n i r une o b s e r v a t i o n sous une d é p r e s s i o n D d é p e n d e x c l u s i v e m e n t de 0 et s'exprime sous la forme | p | < 90° - D. Il est i n t é r e s s a n t de remarquer que dans le cas t r a i t é , cette c o n d i t i o n ne s ' a v è r e p l u s s u f f i s a n t e . Les p é r i o d e s d ' o b s e r v a t i o n s sont centrées s u r u n événement p a r t i c u l i e r , en l ' o c c u r e n c e le passage d u p é r i c e n t r e de l ' o r b i t e à une d i s t a n c e a n g u l a i r e a r é o c e n t r i q u e maximale par r a p p o r t au soleil. L ' i n f l u e n c e de l'angle \ modifie d o n c sensiblement le c r i t è r e lié aux p o s s i b i l i t é s d ' o c c u l t a t i o n . A i n s i , une occultation peut ne pas s u r v e n i r p o u r une f a i b l e v a l e u r de p si l'angle y est lui-même t r è s petit ( p a r exemple en t = 300 j o u r s ) . Un angle y petit implique que les o b s e r v a t i o n s soient effectuées a proximité de l ' a p o c e n t r e . Dans ce cas, le diamètre a n g u l a i r e de la planète v u e d u satellite est petit et son effet d ' é c r a n s'en t r o u v e considérablement r é d u i t .
Fig. 6 . - Variations, au cours de la mission, de l'angle 0 entre le rayon vecteur du soleil et le plan de l'orbite, et de l'angle y entre le péricentre et le •
La couverture des observations en latitude est également intéressante à connaître. Il s'agit en l'occurence de la latitude des points de tangence du rayonnement solaire avec les niveaux d'altitude répartis entre 0 et 200 km. La f i g u r e 7 montre la couverture en latitude pour un niveau moyen de 100 km. Il est permis de constater que les observations couvriront toutes les latitudes dans les deux hémisphères à l'exclusion des régions les plus proches des pôles. Pour leur part, les latitudes modérées, entre 30° et 60°, pourraient être observées à trois ou quatre reprises au cours de la mission mais, toutefois, à différentes saisons.
5. C O N C L U S I O N S
Cette note montre que les caractéristiques orbitales de la mission "Képler" telles qu'elles sont définies présentement dans le projet sont très favorables à une investigation à g r a n d e échelle de l'atmo- sphère martienne à partir d'observations spectrométriques réalisées a proximité du limbe de la planète. Le seul voeu à émettre à ce stade est l'adoption définitive du projet par les responsables européens.
T E M P S ECOULE SUR L' ORBITE OPERATIONNELLE ( j o u r s ) F i g . 7 . - C o u v e r t u r e en l a t i t u d e p o u r des o b s e r v a t i o n s a
u n e a l t i t u d e de 100 km.
