Depuis Vénus, Akatsuki transmet ses premières images... étranges

Le 7 décembre 2015, après 5 ans d’errance malheureuse autour du Soleil, la sonde Akatsuki a finalement pu être remise en selle autour de Vénus, sur une orbite elliptique, bien différente de ce qui était prévu. Quatre mois plus tard, les premières images arrivent, et intriguent, preuve que les instruments fonctionnent et que la sonde apportera de beaux résultats lors de sa mission que l'agence spatiale japonaise espère longue de plusieurs années.

Vue d’artiste de la sonde Planet-C, ou Venus Climate Orbiter, alias Akatsuki. Lancée en mai 2010, elle s’est finalement insérée en orbite autour de Vénus le 7 décembre 2015 après une malencontreuse errance de 5 ans autour du Soleil. © Jaxa

Partie de la Terre en mai 2010 avec pour mission d’étudier l’atmosphère très épaisse et opaque de notre voisine Vénus, la sonde japonaise Akatsuki, aussi nommée Planet-C, avait malheureusement manqué son insertion en orbite le 7 décembre 2010, suite à une défaillance de son système de propulsion. Toutefois, malgré ces déboires, les ingénieurs de la Jaxa, l’Agence spatiale japonaise, ont réussi 5 ans après, jour pour jour, à la faveur de son passage dans les parages de la planète la plus chaude du Système solaire, à la récupérer et à l’injecter sur une orbite elliptique, où elle est aujourd'hui le seul satellite humain.

Certes, au lieu du périastre initial à 300 km de la surface et de l’apoastre à 80.000 km sur une orbite inclinée à 172 ° parcourue en 30 heures, la sonde en accomplit une en 10 jours et demi, inclinée à 3 °. Cette orbite très elliptique la conduit au plus près à quelque 4.000 km et au plus loin à 370.000 km, c’est-à-dire presque 5 fois plus loin que prévu pour la mission d’origine.

Quatre mois après ce nouveau départ, le directeur de la mission, Masato Nakamura, qui s’est rendu avec plusieurs de ses collègues à la Conférence internationale sur Vénus à Oxford, Royaume-Uni, entre le 4 et le 8 avril 2016, s’est voulu rassurant quant aux six instruments, ils fonctionnent « presque parfaitement » a-t-il déclaré.

Conséquence probable de son séjour autour du Soleil, une contamination progressive d’un liquide de refroidissement par de la vapeur d’eau a gêné l’utilisation de l’une de ses caméras durant un certain temps, mais le problème a été résolu en janvier. Bien sûr, plus éloignée que prévu de sa cible, la sonde délivrera des images d'une résolution plus faible qu’attendu et cela demandera plus de temps aussi pour acquérir des vues plus détaillées des différentes couches atmosphériques et de la partie nocturne de cette planète aux dimensions presque identiques à celles de la Terre. L’équipe a déclaré qu’elle entend bien tirer profit de cette nouvelle situation pour épier le globe tout entier et suivre au fil des jours l’évolution de grandes structures nuageuses.

Le 4 avril dernier, son orbite a été légèrement modifiée dans la perspective que sa mission dure le plus longtemps possible et d’étudier Vénus au niveau de son équateur, comme cela était prévu avant son départ. Un point de vue qui sera complémentaire de celui de feu Venus Express, de l'Esa, qui a espionné la planète par ses pôles jusqu’en 2014. Si une autre petite manœuvre prévue dans deux ans se passe bien, la mission devrait alors être prolongée de trois années supplémentaires.

À gauche : l’atmosphère striée de nuages d’acide sulfurique dépeinte dans l’infrarouge par la caméra IR2 d’Akatsuki. À droite : une étrange formation en arc de cercle relie les deux pôles de Vénus et progresse au même rythme que la planète (rotation de 243 jours) et non de l’atmosphère très rapide (4 jours). Son origine est encore mystérieuse. © Jaxa

Des images qui ont autant impressionné qu’intrigué les spécialistes

Ces succès d’Akatsuki (son nom signifie « Aube » en japonais) ont mis de très bonne humeur leurs collègues du monde entier réunis à Oxford pour évoquer cette sœur jumelle de la Terre qui aurait mal tourné. Un effet de serre impitoyable, entre autres, en a fait un enfer où la température moyenne est de 460 °C.

À l’occasion de cette rencontre, l’équipe scientifique a présenté les premiers résultats obtenus avec leur vaisseau sauvé du naufrage. On y découvre notamment une image très détaillée des couches nuageuses d’acide sulfurique. Takeshi Imamura a indiqué que cela traduit des processus de formation plus complexes qu’imaginés. L’assemblée a accueilli cette image prise dans l’infrarouge à quelque 100.000 km de distance par des applaudissements. Takehiko Satoh, en charge de la caméra infrarouge IR2, qui a réalisé ce cliché, promet d’« obtenir une meilleure résolution spatiale. Nous nous engageons à donner un fantastique ensemble de données à la communauté scientifique pour plusieurs années [leurs collègues devront toutefois patienter la levée d’un embargo d’une année pour y avoir accès, NDLR]. »

L’autre image qui a fait sensation, capturée dans l’infrarouge thermique, montre une curieuse formation en arc de cercle joignant les deux pôles. À la différence de l’atmosphère qui se déplace très vite – 60 fois plus vite que Vénus, dont la rotation est de 243 jours –, cette onde longitudinale semble avancer au même rythme que la planète. Makoto Taguchi, responsable de l’instrument qui a obtenu cette image, estime que le front pourrait être lié à des structures en surface. Pour l’instant, c’est encore bien mystérieux.

Deux projets de sonde d’exploration de Vénus ont été présélectionnés par la Nasa. Nul doute que si Akatsuki fait des découvertes intéressantes, cela influencera le choix qui doit être fait d’ici la fin de cette année, pour un lancement prévu au début de la prochaine décennie.

Xavier Demeersman, Futura-Sciences

Comments

[Alain MOCCHETTI]

CALCUL DU PROFIL DE LA TUYERE D'UN REACTEUR D'UN VAISSEAU SPATIAL
1. Si les Réacteurs sont du type conventionnel et fonctionnent avec du carburant classique, qui est utilisé entre autre pour les fusées Ariane 5 et Ariane 6 à partir de 2020 pour cette dernière, les Réacteurs possèderont une Tuyère de Laval dont le profil sera calculé grâce aux 2 Principes de la Thermodynamique, le mélange Air Carburant sera assimilé à un Gaz Parfait, donc nous pouvons écrire les équations suivantes :
- Pv = rT (1) avec P la pression du mélange qui est variable selon le point où nous nous plaçons le long de l’axe de la tuyère, v le volume massique du mélange air carburant, r la Constante Massique du Gaz Parfait utilisé pour la combustion du mélange, et T la Température du mélange exprimée en degrés Kelvin, soient T(K) et T(C), cette dernière étant exprimée en degrés Celcius, nous pouvons écrire la seconde équation ;
- T(C) = T(K) - 273 (2)
Premier Principe de la Thermodynamique :
- dE + dK = &We + &Qe (3)
E : Energie Interne
K : Energie Cinétique
&We : Travail échangé avec le Milieu Extérieur
&Qe : Quantité de Chaleur échangée avec le Milieu Extérieur
Deuxième Principe de la Thermodynamique :
- &Qe + &We = TdS (4)
S est l’Entropie du volume considéré de gaz (mélange) brûlé
Autre hypothèse : l’évolution des gaz dans la tuyère est assimilée à une ISENTROPIQUE REVERSIBLE (pas de frottement et pas d’échange de chaleur dans la tuyère avec le milieu extérieur car la vitesse des gaz dans la tuyère est élevée).
- PV^GAMMA = constante (5)
- Cp et Cv sont respectivement les Chaleurs Massiques à pression constante et à volume constant
- Cp – Cv = r (6)
- Cp/Cv= GAMMA (7)
Cp et Cv sont 2 des 6 Coefficients Calorimétriques du Gaz supposé Parfait
- M = V/a (8) M est le nombre de mach, a est la célérité du son dans le gaz
Si M < 1, nous sommes en régime Subsonique
Si M > 1, nous sommes en régime Supersonique
Si M > 5, nous sommes en régime Hypersonique
Compte tenu de toutes les hypothèses faites précédemment, le Premier et le Second Principe de la Thermodynamique nous conduisent aux équations suivantes :
- V^2/2 + Cp T = constante (8)
- V^2/2 + (GAMMA/(GAMMA-1)) X ( P/p) = constante (9) avec p masse volumique du gaz de combustion au point considéré
Etat Générateur, dans le réservoir à carburant on a Ti, Pi, pi.
On fait l’hypothèse suivante, entre l’état générateur et l’écoulement on a une Isentropique Réversible.
- M = V/a (9)
- a = (GAMMA X r X T)^0.5 (10)
- M^2 +2/(GAMMA – 1) = 2/(GAMMA – 1) X (pi/p)^(GAMMA – 1) (11)
Qu’est-ce l’état critique ?
Le point d’écoulement où V = a est le point critique de l’écoulement dans la tuyère, y sont associés Pc, pc, et Tc.
Calcul de la célérité au point critique :
- ac = (2GAMMA X r/(GAMMA - 1) X Ti)^0.5 (12)
- V = (2GAMMA X Ti/(GAMMA – 1)) X (1 - (P/Pi)^(GAMMA – 1)/GAMMA))^0.5 (13)
Comme pSV = pc.Sc.Vc alors on a ;
- S = pc.Sc.Vc/(pV) (14) Equation permettant de calculer S en tout point situé sur l’axe de la tuyère du réacteur.
Calcul de la poussée du Réacteur Conventionnel :
- P = QM X V avec QM = pSV (15)
P est la poussée d’un Réacteur en Newtons,
QM est le Débit Massique du mélange brulé à la sortie de la tuyère,
V est la Vitesse du mélange brulé à la sortie de la Tuyère du Réacteur. La poussée du Réacteur sera maximale quand les gaz atteindront mach 1 au Col de la Tuyère,
- P = pSV^2 (6) donc plus V est grande plus P est importante.
Théorème de la Résultante Dynamique :
- M(T) GAMMA(A) = P (7) avec GAMMA(A) l’Accélération Absolue du Vaisseau Spatial calculée dans un REPERE HELIOCENTRIQUE qui est un REPERE GALILEEN,
- M(T) = M(VS) + M(C) + M(P) (16)
M(T) : masse totale du Vaisseau Spatial carburant, personnels et voyageurs compris,
M(VS) : masse du Vaisseau Spatial vide, cad sans carburant et sans personnel ni voyageur,
M(P) : masse du personnel et des voyageurs,
M(C) : masse du carburant dans la soute,
Remarque : M(C) est variable par rapport au temps, à accélération constante le débit de carburant sera variable, car M(C) diminue avec le nombre kilomètres parcourus et a donc un impact direct sur la Poussée du Réacteur P, il faut asservir la Poussée P et la Vitesse V pour maintenir GAMMA(A) constante.
La Trajectoire Rectiligne de la Terre jusqu’à la Planète à atteindre est la Trajectoire Absolue du Vaisseau Spatial, La Trajectoire Relative ne nous intéresse pas.
Le Vaisseau Spatial sera équipé de 4 Réacteurs de taille acceptable assurant chacun comme poussée P/4, un seul Réacteur aurait une trop grande taille.
2. Si les Réacteurs sont du type à Fusion Nucléaire, alors les soutes à carburant permettront d’assurer le voyage aller et le voyage retour. Le principe de fonctionnement des Réacteurs à Fusion Nucléaire diffère complètement de celui des Réacteurs du type conventionnel, je rédigerai un pavé de texte spécial pour expliquer le Fonctionnement des Réacteurs à Fusion Nucléaire.

Alain Mocchetti
Ingénieur en Construction Mécanique & en Automatismes
Diplômé Bac + 5 Universitaire (1985)
UFR Sciences de Metz
alainmocchetti@sfr.fr
alainmocchetti@gmail.com
@AlainMocchetti