Fabrication et matériel scientifique embarqué

C'est au Jet Propulsion Laboratory (JPL, basé à Pasadena en Californie) que l'on doit la conception et la fabrication des sondes Voyager. La plupart des instruments scientifiques ont été fournis par différentes entreprises, laboratoires et universités. Trois sondes ont été construites pour la mission : VGR77-1 (qui servit uniquement à des tests au sol), VGR77-2 (lancée sous le nom de Voyager 1) et VGR77-3 (Voyager 2). Elles ont été testées et assemblées au Spacecraft Assembly Facility, deux grandes salles stérilisées du Kennedy Space Center en Floride. Les derniers tests ont eu lieu à Cap Canaveral, dans le Eastern Test Range, un hangar proche de l'aire de lancement. Grâce aux données de la mission Pioneer, les ingénieurs du JPL ont pu optimiser le matériel scientifique embarqué, en considérant les difficultés inhérentes à ce type de projet : les très grandes distances à parcourir, la longueur de la mission et l'environnement spatial rude. La traversée de la ceinture d’astéroïdes et les radiations dans le voisinage de Jupiter, mille fois supérieures à la dose létale pour un être humain, sont les obstacles majeurs au bon déroulement de la mission. Les Voyager, sondes spatiales les plus sophistiquées de leur époque, devront être fiables, endurantes et bien protégées du milieu interplanétaire.

Dimensions et caractéristiques techniques

Les sondes ont une masse de 815 kg chacune au moment du lancement (à comparer aux 258 kg de Pioneer 10). En retirant toutes les perches, la sonde rentrerait dans un cube de 4 mètres de côté. Le diamètre de l'antenne parabolique grand gain est de 3,66 mètres. La structure décagonale en aluminium formant le cœur de chaque sonde mesure 1,78 m de "diamètre" pour 47 cm d'épaisseur. S'y trouvent notamment l'informatique embarquée, dix boîtiers électroniques ainsi que le Voyager Golden Record, fixé sur une des dix faces de la structure. Construit en titane, le réservoir sphérique pressurisé d'hydrazine (chargé de 105 kg de carburant au début de la mission) se trouve au centre de cette structure. La majorité des instruments scientifiques se situe sur une perche s'étendant jusqu'à environ 2,50 m du centre de la sonde. Pour ne pas être perturbés par le champ magnétique de la sonde elle-même, deux des magnétomètres sont installés sur une perche de 13 m de longueur (un à l'extrémité et l'autre à mi-longueur), visible en bas à gauche sur la photo ci-contre. Une troisième perche (longue de 3,7 m) contient les générateurs thermoélectriques à radioisotope produisant l'énergie nécessaire à la mission. Après avoir été repliées dans des protections de 60 cm durant la phase critique du lancement, les trois perches en fibre de verre ont ensuite été déployées sur toute leur longueur. Les systèmes PRA et PWS fonctionnent quant à eux grâce à deux antennes de 10 m, perpendiculaires l'une à l'autre et faites d'un alliage béryllium-cuivre. La masse totale de l'instrumentation scientifique s'élève à 105 kg. Chaque sonde est constituée de 65 000 pièces et de 5 millions de composants électroniques.

Du côté de l’informatique embarquée, on retrouve sur chaque sonde trois types d’ordinateurs : ordinateur principal CCS (Computer Command System), système de données de vol FDS (Flight Data System) et système de contrôle de l'attitude et de la plateforme AACS (Attitude and Articulation Control Subsystem), en deux exemplaires chacun, logés avec le reste de l'électronique embarquée dans la structure décagonale. L'informatique dispose de son propre système d'autoprotection, qui rend la sonde capable de se "rebooter" elle-même en cas de problème, ce qui est capital pour sa survie étant donné son éloignement avec la Terre. Les ordinateurs de bord ont une mémoire de 69 kilooctets, inférieure à celle d'une clé électronique de voiture. Les microprocesseurs n'avaient pas encore révolutionné l'informatique... Si besoin est, les données scientifiques peuvent être stockées sur un enregistreur 8-pistes, puis retransmises ensuite vers la Terre. Les têtes de lecture de l'enregistreur de données sont extrêmement fiables : imaginez lire une cassette vidéo de 2 heures sur un magnétoscope une fois par jour pendant 33 ans, sans aucun accroc ! Chaque sonde dispose d'une capacité de stockage de 64 MB. Du lancement des sondes jusqu'au survol de Neptune, le volume total d'informations transmises s'élève à 5 000 GB, soit l'équivalent de 7 000 CD, ou encore de 6 000 exemplaires de l'Encyclopedia Britannica (un exemplaire compte 32 640 pages, réparties en 32 volumes).

La stabilisation des sondes suivant les 3 axes (tangage, lacet et roulis) est contrôlée par l'acquisition puis le suivi des positions du Soleil et de l'étoile repère Canopus. Durant certaines phases de la mission, d'autres étoiles furent utilisées comme repère : notamment Véga pour Voyager 1 et Deneb pour Voyager 2. Voyager 1 utilise aujourd'hui Alpha du Centaure comme étoile repère. Lors de manœuvres particulières (longue pose photographique, calibrage des instruments, correction de trajectoire...), ce sont les gyroscopes embarqués qui assurent le contrôle d'attitude des sondes. Les gyroscopes sont sensibles à des mouvements de la sonde de l'ordre du dix-millième de degré, produisant un mouvement de la sonde sur elle-même quinze fois plus lent que celui de l'aiguille des heures d'une horloge. Les changements d'attitude des Voyager se font à l'aide de 16 propulseurs à hydrazine répartis sur chaque sonde. Parmi ces 16 propulseurs, quatre sont alloués aux manœuvres de correction de trajectoire, tandis que les douze autres sont utilisés pour la stabilisation de la sonde. Chaque propulseur délivre une puissance de 0,2 pound, soit 0,89 newton.

Communications avec la Terre

Les communications radio avec la Terre se font avec un émetteur-récepteur, relié à une antenne parabolique grand gain de 3,66 m de diamètre. Chaque sonde contient deux émetteurs d'une puissance de 23 watts qui assurent les transmissions. Une telle puissance est équivalente à celle d'une ampoule de réfrigérateur... Le débit maximal des communications en provenance de chaque sonde était de 115 kb/seconde dans la région de Jupiter, 48 kb/s pour Saturne, 21,6 kb/s pour Uranus et Neptune. Aujourd'hui, ce débit est de l'ordre de 160 bits par seconde, en temps réel. Ce très faible signal est reçu par les gigantesques antennes paraboliques du réseau DSN (voir paragraphe ci-dessous). Les données brutes subissent ensuite un traitement afin de les convertir en fichiers électroniques utilisables pour les scientifiques du programme. L'envoi de données depuis les antennes du DSN de 70 m à destination des sondes est moins contraignant puisqu'il peut atteindre la puissance de 400 kW. Pour augmenter la fiabilité des communications, les instructions sont parfois données sur deux fréquences différentes.

Sur Terre, le suivi et le contrôle des transmissions avec les sondes sont assurés par le Deep Space Network (DSN), un réseau de trois stations réparties sur le globe, permettant ainsi une écoute continue malgré la rotation de notre planète. La station américaine se trouve à Goldstone, dans le désert de Mojave en Californie. La station européenne se situe à Robledo, près de Madrid, en Espagne. La troisième station est implantée dans la réserve naturelle de Tidbinbilla, près de Canberra, en Australie. Chacune de ces stations dispose (à l'époque du lancement, en 1977) d'une antenne de 64 m de diamètre et de deux antennes de 26 m. Depuis cette époque, le réseau DSN a vu son nombre d'antennes augmenter. Chaque station dispose de nos jours d'une antenne de 70 m (celle de 64 m agrandie et améliorée), de plusieurs antennes de 34 m (quatre à Goldstone, trois à Madrid, deux à Canberra) et d'une antenne de 26 m. La télémétrie reçue par la station de Goldstone est envoyée directement au Jet Propulsion Laboratory (JPL) à Pasadena en Californie. Pour les autres stations, elle est d'abord envoyée par satellite via le centre Goddard de la NASA à Greenbelt (Maryland), avant d'être reçue au JPL. En cas de mauvais temps, plusieurs heures de données sont perdues. Ce fut notamment le cas lors du survol de Jupiter par Voyager 1 (stations de Canberra et de Madrid), ainsi que celui de Saturne par Voyager 1 (orages sur la station de Madrid le 8 novembre 1980).

En mars 2020, il est annoncé que l'antenne de 70 m de Canberra va être mise à jour. S'agissant de l'unique antenne capable de communiquer avec Voyager 2 du fait de sa position dans l'hémisphère sud et d'aspects plus techniques, la sonde fut livrée à elle-même pendant plusieurs mois. Le contact avec Voyager 2 a été rétabli le 29 octobre 2020. La grande antenne australienne est de nouveau pleinement opérationnelle depuis février 2021. 

Pour obtenir une meilleure réception des données, les différentes antennes d'une station (voire de stations différentes) sont utilisées en interférométrie. Cette technique utilise la séparation entre plusieurs antennes pour obtenir l'équivalent d'une grande antenne dont le diamètre serait égal à cette séparation. En plus des stations propres au DSN, d'autres stations d'écoute furent utilisées par le programme Voyager : le Parkes Radio Observatory (une antenne de 64 m située en Australie), le Very Large Array (27 antennes de 25 m situées au Nouveau-Mexique) et l'Usuda Observatory (Japon). Le partenariat entre le Very Large Array et le Deep Space Network a débuté en 1982, lorsqu'il fut reconnu que Voyager 2 pourrait "survivre" jusqu'au survol de Neptune. C'est le survol de la lointaine Neptune par Voyager 2 en 1989 qui a contraint le DSN à améliorer son dispositif de suivi et de transmission. Résultat de cette amélioration : plus de données par période de temps, et donc plus d'images à disposition des scientifiques. 

Avec les grandes distances, la puissance du signal reçu sur Terre est de l'ordre de 10^-16 W (soit quelques millionièmes de milliardièmes de watt), sans oublier que les ondes radio voyagent à la vitesse de la lumière (environ 300 000 km par seconde) et mettent donc plusieurs heures pour parcourir la distance séparant la sonde de la Terre. Le très faible signal émis par Voyager 1 a d'ailleurs été capté en vue de démontrer les capacités d'écoute des réseaux de radiotélescopes utilisés pour le projet SETI : l'Allen Telescope Array (2022) et le Very Large Array (2023). La précision de trajectoire des sondes est faramineuse : lors de son survol de Neptune, Voyager 2 se trouvait à seulement 100 km du point de passage idéal, le tout après un périple de 7 128 603 456 km ! Une précision équivalente à celle nécessaire à un golfeur pour atteindre sa cible située à 3630 km ! Les équipements radio des sondes Voyager et du DSN ont également été utilisés à des fins scientifiques, dans le cadre du système RSS (Radio Science System). En effet, les ondes radio donnent des informations sur les champs gravitationnels, les atmosphères, la couronne solaire ou encore la relativité générale.

Accès en temps réel au suivi des antennes du réseau DEEP SPACE NETWORK > https://eyes.nasa.gov/apps/dsn-now/dsn.html

Sources d'énergie

Ambitionnant les confins du Système solaire pour leurs sondes, les concepteurs ne pouvaient pas les alimenter par le biais de classiques panneaux solaires, ceux-ci étant peu efficaces à grande distance du Soleil, voire inutiles plus loin dans l’espace. Les Voyager seront donc alimentées en électricité, via des générateurs thermoélectriques à radioisotope (GTR), l'énergie électrique étant produite par des thermocouples qui convertissent la chaleur émise par la décroissance radioactive du plutonium 238 embarqué (dioxyde de plutonium PuO2). Cette décroissance radioactive vers des isotopes stables procure au plutonium 238 une demi-vie de 87,7 années. Afin d'éviter de trop perturber les mesures, les trois générateurs sont situés sur une perche opposée à celle portant la majorité des instruments scientifiques. Chaque générateur est contenu dans un cylindre en béryllium de 50,8 cm de long, 40,6 cm de diamètre et d'une masse de 39 kg. La puissance résultante pour chaque sonde était de 470 watts au début de la mission en 1977, distribuée sous la forme d’un courant électrique continu de 30 volts. L'alimentation électrique ne peut en aucun cas être coupée. Cette électricité est notamment utilisée par les instruments scientifiques (105 watts au total), par l'informatique embarquée mais aussi pour les communications radio avec la Terre.

Le Voyager Golden Record

Destinées à sortir du Système solaire, les sondes Voyager représentaient une occasion en or (!) de transmettre un instantané de l’histoire de notre monde à travers la diversité de sa vie et de sa culture à d’éventuels êtres extraterrestres. Sur chacune d'elles a donc été placé un disque microsillon appelé 'Voyager Golden Record' contenant une sélection d'images et de sons. Les disques vierges ont été fournis par l'entreprise Pyral, alors basée à Créteil, en France. CBS Records a passé des contrats pour la gravure et le plaquage en or avec JVC Cutting Center et James G. Lee Record Processing avant de les livrer au JPL.

Chaque disque de cuivre plaqué or mesure 12 pouces de diamètre, soit 30,48 cm. C'est le format des 33 tours, vinyles typiques des années 1970... Afin de constituer le contenu du disque, la NASA a nommé un comité de sélection. Le célèbre et regretté astrophysicien Carl Sagan en fut le président, accompagné entre autres de l’astronome Frank Drake. Au total, 116 images furent sélectionnées (toutes ont le même format et sont encodées sous forme analogique), parmi lesquelles un graphique montrant la position de la Terre dans l'espace, une photo de fœtus, la structure de l'ADN, une ville, une salle de classe… Concernant les 35 sons naturels et artificiels, on retrouve donc la nature (vague, tonnerre, éruption volcanique, vent…), des cris et chants d’animaux (éléphants, oiseaux, baleines…) et des bruits « fabriqués » par l’homme (train, tracteur, fusée au décollage…). S'y ajoute une sélection musicale de 90 minutes représentant la diversité des époques et des cultures, et enfin des salutations prononcées par des habitants de la Terre en 55 langues différentes. Les disques portent également l'inscription manuscrite "To the makers of music - all worlds, all times".

S’y trouvent également des messages imprimés écrits par Jimmy Carter, président des États-Unis de l’époque et par Kurt Waldheim, secrétaire général des Nations Unies. Dans la sonde se trouve le matériel nécessaire à la lecture du disque (une aiguille et une cellule), ainsi que des informations indiquant l’origine de celle-ci. Un schéma explicatif indiquant le mode de lecture est gravé sur la pochette en aluminium du disque. La lecture du disque doit se faire à 1000 tours par heure, soit 3,6 secondes par tour. Un échantillon ultra-pur d'uranium 238 a été galvanisé sur une zone de deux centimètres de diamètre. La désintégration radioactive de cet élément chimique lui procure une demi-vie de 4,468 milliards d’années, permettant de déterminer le temps écoulé depuis le lancement par datation radioactive. La méthode de datation la plus connue du grand public est celle employant le carbone 14. Chaque disque est plus une « bouteille à la mer cosmique » qu’un véritable message, les chances d’interception par une autre civilisation étant infimes.

Vous trouverez plus d'informations concernant le contenu du disque sur la page de liens.

Fin 2016, une campagne Kickstarter a été lancée avec succès pour les 40 ans du Voyager Golden Record.

Citations de Carl Sagan à propos du Voyager Golden Record

« Nous avons enregistré des sons qu'on aurait pu entendre aux premiers âges de notre planète, avant l'apparition de la vie,

puis des sons évoquant l'évolution de l'espèce humaine jusqu'aux plus récents développements de notre technologie »

« C'est un message d'amour, que nous lançons dans la profonde immensité. Il restera sans doute en grande partie indéchiffré

mais nous le transmettons cependant, parce qu'il est important d'essayer »

« Dans un milliard d’années, quand tout ne sera plus que poussière sur Terre, les enregistrements de Voyager parleront encore pour nous »

« Une des sondes ne sera trouvée et l'enregistrement joué seulement si des civilisations spatiales avancées existent dans l'espace interstellaire.

Mais le lancement de cette bouteille dans l'océan cosmique reflète quelque chose de très optimiste à propos de la vie sur cette planète »