Hayabusa 2

Hayabusa 2 est alimentée en énergie par des panneaux solaires fixes déployés en orbite (envergure 6 mètres) qui fournissent 2,6 kW à 1 Unité Astronomique (U.A.) du Soleil et 1,4 kW à 1,4 U.A. du Soleil (ce qui correspond à la distance la plus lointaine du Soleil atteinte par la sonde spatiale c'est-à-dire l'apogée de l'orbite de l'astéroïde). L'énergie est stockée dans une batterie lithium-ion de 13,2 A-h. Le contrôle thermique est à la fois passif (revêtements isolants multi-couches) et actifs (circuit caloporteur évacuant la chaleur vers des radiateurs situés sur la face à l'ombre de la sonde spatiale). Des résistances sont utilisées pour maintenir à une température minimale les équipements et instruments qui en ont besoin.

Le système propulsif de Hayabusa 2 est à la fois chimique et électrique. La propulsion principale utilise 4 moteurs ioniques ayant une poussée unitaire de 10 millinewtons et utilisant du xénon avec une impulsion spécifique de 2 080 s fournissant un delta-V total de 2 km/s. Trois moteurs peuvent fonctionner simultanément, le quatrième servant de rechange. Les moteurs ioniques accélèrent du xénon contenu dans un réservoir d'une contenance de 51 litres et pouvant contenir 73 kilogrammes de ce gaz. Hayabusa 2 emportant 60 kg de xénon ce qui lui permet de modifier sa vitesse de 2 km/s. Les quatre moteurs sont fixés sur la même face de la sonde spatiale orientables de +/-5 degrés. L'ensemble a une masse de 70 kilogrammes et doit pouvoir fonctionner pendant 18 000 heures au cours de la mission. Les petites corrections de trajectoire et les manœuvres à proximité de la Terre et de l'astéroïde sont effectuées à l'aide de 12 petits propulseurs chimiques brûlant un mélange hypergolique d'hydrazine et de MON-3 et ayant une poussée de 20 newtons répartis en deux sous-ensembles redondants. Ces propulseurs peuvent fonctionner par impulsions brèves pour corriger l'orientation ou en fonctionnant plus longtemps plus longues pour corriger la trajectoire ou désaturer les roues de réaction. Hayabusa 2 emporte 48 kg d'ergols chimiques[5].

Le contrôle d'attitude est réalisé à l'aide de quatre roues de réaction, deux viseurs d'étoiles, deux centrales à inertie, quatre accéléromètres et quatre senseurs solaires. Les viseurs d'étoiles qui constituent les capteurs primaires utilisent des caméras dont le champ de vue est de 8 × 8°. Les télécommunications sont assurées via deux antennes paraboliques fixes à grand gain (une en bande X et l'autre en bande Ka) et une antenne moyen gain[6]^,[7]^,[5].

Position des instruments et équipements : 1 Atterrisseur MASCOT - 2 Caméra ONC-W2 -3 Caméra ONC-W1 -4 Caméra ONC-T -5 Caméra CAM-H -6 Imageur infrarouge thermique TIR -7 Impacteur SCI -8 Marqueurs (x 5)-9 Cône d'échantillonnage -10 MINERVA II-2 -11 Altimètre laser -12 MINERVA II-1 -13 Capsule contenant les échantillons de sol -14 Spectromètre proche infrarouge NIRS3 -15 Panneaux solaires -16 Antenne grand gain -17 Viseurs d'étoiles (x2) -18 Caméra DCAM-3.

La charge utile est composée essentiellement d'instruments déjà embarqués à bord de la première sonde spatiale Hayabusa mais également de nouveaux instruments[6]^,[5] :

• la sonde spatiale dispose de trois caméras ONC (Optical Navigation Cameras). Les trois caméras disposent chacune d'un détecteur de 1024x1024 pixels collectant la lumière dans une bande spectrale comprise entre 350 et 1060 nanomètres (lumière visible et proche infrarouge). Les deux caméras grand angle ONC-W1 et ONC-W2 ont un champ de vue de 54 × 54° permettant une résolution spatiale de 7 mètres à une distance de 7 kilomètres. La caméra à champ étroit dispose d'un champ optique de 5,8 × 5,7° et sa résolution spatiale est de l'ordre du mètre. ONC-T peut utiliser 7 filtres qui permettent de sélectionner des bandes spectrales étroites (10 à 15 nanomètres) centrées sur les longueurs d'onde 390, 480, 550, 590, 700, 860 et 950 nanomètres. Ces caméras sont utilisées pour la navigation de la sonde spatiale au cours du transit entre la Terre et l'astéroïde, puis une fois cette phase achevée pour la recherche de sites adéquats pour le prélèvement d'échantillons. Les caméras jouent également un rôle crucial dans le guidage de la sonde spatiale pour l'opération de prélèvement d'échantillons en prenant des images entre les altitudes 50 et 5 mètres.
• le spectromètre proche infrarouge NIRS3 (Near IR Spectrometer) observant dans les longueurs d'onde 1,7 - 3,4 micromètres. La lumière pénètre dans l'instrument par une fente de 70 × 70 micromètres. Le détecteur comporte 128 bits ce qui permet une résolution spectrale de 18 nanomètres. Lorsque la sonde spatiale se trouve à une altitude de 20 kilomètres, la résolution spatiale est de 35 mètres. L'instrument d'une masse de 2 kilogrammes est utilisé pour identifier les minéraux hydratés présents à la surface de l'astéroïde, mettre en évidence les terrains les plus jeunes et étudier les éjectas créés par SCI. L'instrument permet de mesurer la proportion de minéraux hydratés avec une précision de 1 % ;
• l'imageur thermique infrarouge TIR (Thermal IR Imager) est une caméra observant dans les longueurs d'onde 7 à 14 micromètres (infrarouge thermique). C'est un instrument mis au point pour la sonde japonaise Akatsuki qui s'est placée en orbite autour de la planète Vénus. Le champ optique est de 12 × 16° et la masse est de 3,3 kg. Le détecteur est un ensemble de bolomètres non refroidis qui restitue une image comportant 320 × 240 pixels. Cet instrument est utilisé pour mesurer les caractéristiques physiques de la surface en mesurant les variations des températures.
• l'altimètre laser LIDAR permettant de mesurer les distances de 50 m à 50 km. Cet instrument d'une masse de 3,7 kilogrammes utilise une source laser infrarouge (1 064 nm) dont la lumière réfléchie par le sol est recueillie par un télescope Cassegrain. Le lidar permet depuis une altitude de 25 km de déterminer la distance avec une précision de ±2 mètres et ±1 m à partir de 50 m d'altitude[8]. L'instrument peut fonctionner dès que la distance est inférieure à 50 kilomètres. L'instrument sera utilisé à des fins de navigation en plaçant la sonde spatiale à une altitude suffisante de la surface et pour déterminer la topographie de l'astéroïde.

Le système de collecte d'échantillons (en vert).

Le système de collecte d'échantillons du sol de l'astéroïde a été fortement revu pour pallier les problèmes rencontrés par l'équipement utilisé par Hayabusa 1 en 2005[5] :

• le petit impacteur SCI (Small Carry-on Impactor) de 18 kg est nouveau. Il comprend une charge d'explosifs qui doit accélérer une masse de 2 kg à 2 km/s. Cette dernière, en frappant le sol de l'astéroïde, doit créer un cratère de 2 mètres de diamètre et soulever des parties du sol qui sont alors recueillies.
• la caméra DCAM3 (Deployable Camera) est dérivée d'un instrument emporté par la sonde spatiale IKAROS. Cet instrument de forme cylindrique d'un diamètre de 6 centimètres pour une longueur de 4 centimètres est largué par la sonde spatiale avant l'impact. Disposant d'une autonomie de plusieurs heures et stabilisée par rotation (60 à 120° par seconde), la caméra doit filmer l'impact. Son champ de vue est de 74 × 74° et elle utilise un détecteur de 1092 × 1092 pixels. À une distance de 1 kilomètre du sol elle fournit des images ayant une résolution spatiale de 65 centimètres. L’événement est photographié au rythme d'une image par seconde. Les images sont transmises à la sonde spatiale par radio avec un débit de 4 mégabits par seconde. Le volume total de donnés devrait représenter environ 1 gigabit.
• le système de collecte en forme de cornet a été amélioré sur plusieurs points : joint d'étanchéité, 3 chambres de stockage au lieu de 2.

La capsule qui doit ramener sur Terre les échantillons du sol de Ryugu a la forme d'une soucoupe d'un diamètre de 40 centimètres. Elle est haute de 20 centimètres et sa masse est de 16,5 kilogrammes. Dépourvue de tout système de propulsion ou de contrôle d'orientation, elle comprend en son centre un petit container cylindrique contenant les échantillons. Elles est recouverte par un bouclier thermique ablatif en résine phénolique qui brûle lentement durant la rentrée atmosphérique en protégeant le cœur de la capsule. Outre l'électronique qui commande le déploiement du parachute et de l'antenne d'une balise radio, la capsule emporte un instrument de mesure baptisé REMM (Reentry Flight Measurement Module) qui comprend des capteurs de température, un accéléromètre tri-axial et un capteur de vitesse angulaire. REMM recueille des données durant les sept minutes de la rentrée atmosphérique qui seront utilisées pour améliorer les futures capsules de rentrée atmosphérique[5].

Hayabusa 2 embarque trois petits rovers MINERVA-II (acronyme MIcro Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid de deuxième génération) - Rover-1A, Rover-1B, Minerva-II2[9] - aux caractéristiques proches de celui déposé par la première sonde spatiale Hayabusa. Il s'agit d'engins de 1,5 kg à 2,5 kg ayant la forme de cylindre à 6 faces haut de 7 centimètres et de 17 cm de diamètre. Leur charge utile est constituée de 3 à 4 caméras, de thermomètres et de photodiodes. L'énergie est fournie par des cellules solaires produisant au maximum 2 watts. Chacun dispose d'un petit ordinateur embarqué utilisant un microprocesseur RISC et transmet les données avec un débit maximal de 32 kilobits par seconde. Les rovers Minerva ont une capacité limitée de déplacement grâce à deux petits moteurs qui créent un moment dont l'axe de rotation peut être orienté. Ce moment dans la faible gravité de l'astéroïde est suffisant pour permettre au rover Minerva de décoller et de se déplacer sur d'assez grandes distances en suivant une trajectoire parabolique[5].

Rover-1A et Rover-1B sont largués sur Ryugu le 21 septembre 2018 et prennent les premières photos depuis la surface de l'astéroïde[10].

Mascot est fixé à la sonde spatiale.

Schéma de MASCOT. En vert les batteries Li-ion.

L'atterrisseur MASCOT (Mobile Asteroid Surface SCOuT)[11]^,[12]^,[13], développé par l'agence spatiale allemande DLR avec une participation de l'agence spatiale française du CNES, dérive en partie des travaux réalisés sur l'atterrisseur Philae de la sonde européenne Rosetta et des études menées dans le cadre de la proposition de mission MarcoPolo-R. Il doit mener des études scientifiques in situ à la surface de l'astéroïde. Il s'agit d'un engin de 10 kg dont 3 kg de charge utile. Ses dimensions extérieures sont de 0,3 × 0,3 × 0,2 m. La structure est réalisée en fibre de carbone composite. La protection thermique est réalisée de manière passive grâce à un boitier en aluminium contenant les cartes électroniques et un revêtement thermique multicouches MLI. Il est doté d'une source d'énergie non renouvelable (batteries lithium-chlorure de thionyle de 220 Wh produits par Saft) qui lui ont donné une durée de vie de 16 heures contre 12 heures escomptés[14] et lui permet d'effectuer trois déplacements. MASCOT utilise une masse excentrée située au bout d'un bras qui, en pivotant, fournit un moment suffisant pour déplacer l'atterrisseur. Ce système est également utilisé à l'atterrissage pour retourner si nécessaire l'engin afin de permettre à ses instruments de fonctionner de manière nominale. L'atterrisseur dispose d'un ordinateur embarqué qui permet à MASCOT de fonctionner de manière autonome et communique avec son vaisseau mère par le biais de deux antennes omnidirectionnelles situées sur deux faces opposées. Des capteurs, constitués de détecteurs thermiques et de cellules solaires, sont chargés de détecter l’atterrissage, l'orientation et les mouvements à la surface de l'astéroïde[15]^,[5].

L'atterrisseur comprend 3 kg de charge utile constituée[5] :

• microscope infrarouge hyperspectral MicrOmega fourni par le CNES ;
• caméra multispectrale à champ large CAM développée par l'agence spatiale allemande DLR ;
• magnétomètre 3 axes MAG fourni par l'université technique de Brunswick ;
• radiomètre MARA destiné à mesurer la température de la surface et l'inertie thermique de l'astéroïde et développé par la DLR.

• Schéma des instruments de MASCOT (en vert)
• 
  Radiomètre MARA.
• 
  Magnétomètre MASMAG.
• 
  Caméra MASCAM

Hayabusa 2 décolle depuis la base de lancement de Tanegashima le 3 décembre 2014 à 4h22 UTC à bord d'un lanceur H-IIA. La fusée emporte également trois autres petits engins spatiaux placés comme Hayabusa 2 sur une orbite héliocentrique : PROCYON, une micro-sonde spatiale expérimentale de 59 kg qui doit effectuer au moins un survol de l'astéroïde 2000 DP107, Shi'nen 2 un nano satellite expérimental de 15 kg et DESPATCH (Deep Space Amateur Troubadour’s Challenge), œuvre artistique de 20 kg[16]^,[17]. À compter de mars 2015, la sonde spatiale utilise sa propulsion ionique pour ajuster sa trajectoire avant son survol de la Terre. Trois des quatre moteurs ioniques fonctionnent pendant 409 heures en exerçant une poussée unitaire de 25 millinewtons. Deux autres corrections de trajectoire sont réalisées en juin 2015 (102 heures) et début septembre 2015 (12 heures)[18]. Le 3 décembre 2015, la sonde spatiale survole la Terre à une altitude de 3 090 km, ce qui lui permet grâce à l'assistance gravitationnelle de celle-ci, de gagner 1,6 km/s[19]^,[20].

À la suite du survol de la Terre, Hayabusa 2 effectue plusieurs corrections de sa trajectoire pour rejoindre Ryugu qui circule sur une orbite de 0,96 × 1,42 Unités Astronomiques. Entre mars et mai 2016 sa propulsion ionique fonctionne pendant 794 heures pour modifier sa vitesse de 127 m/s. Un petit ajustement de la vitesse de 40 cm/s est effectué peu après. Pendant cette période, le système de télécommunications est testé pour s'assurer de son bon fonctionnement à grande distance. Entre novembre 2016 et mai 2017, une deuxième correction de trajectoire est effectuée : trois des quatre moteurs ioniques sont utilisés pendant 2 558 heures pour modifier la vitesse de la sonde spatiale de 435 m/s. Le 10 janvier 2018, la sonde spatiale met en marche ses moteurs ioniques qu'elle va désormais solliciter de manière permanente jusqu'à l'approche finale de l'astéroïde prévue en juin 2018. D'ici là, ses moteurs vont fonctionner pendant 2 700 heures en modifiant sa vitesse de 400 m/s. Le 26 février 2018, la caméra de navigation ONC-T est pointée vers l'objectif encore distant de 1,3 million de kilomètres et prend 300 photos dont un échantillon est transmis à la Terre. L'astéroïde Ryugu, visible comme un astre de magnitude optique 9, est identifié sur celles-ci[21].

Schéma de la trajectoire de la sonde spatiale (en mauve) depuis son lancement jusqu'au retour sur Terre. L'orbite de la Terre est tracée en vert et celle de Ryugu en bleu.

Film montrant les différentes face de Ryugu réalisé à partir de photos prises par la sonde spatiale.

La sonde spatiale arrive à 20 km de l'astéroïde Ryugu le 27 juin 2018. Hayabusa 2 entame la phase scientifique de la mission qui doit durer un an et demi. Durant les deux premiers mois la sonde spatiale va étudier à distance Ryugu pour disposer d'informations plus détaillées sur ses caractéristiques physiques et identifier les sites d'atterrissage potentiels. Au cours de cette phase de reconnaissance la sonde spatiale fait des allers retours en revenant à chaque fois à sa position à 20 kilomètres de l'astéroïde. Elle se déporte latéralement de 10 kilomètres dans toutes les directions puis verticalement en s'approchant à 5 kilomètres à une vitesse de quelques dizaines de centimètres par seconde en réalisant à chaque déplacement des photos. Le niveau de détail à cette distance permet de distinguer les rochers de plus de 1 mètre de diamètre et ainsi de commencer à identifier les sites d'atterrissage potentiels[22]^,[23]. Le 6 aout il s'approche pour la première fois à 851 mètres de distance[24]. Le 24 aout l'équipe récapitule les informations collectées après les deux mois. Les caractéristiques sont souvent éloignées de ce qui était prévu. Bien que l'astéroïde soit rocheux (densité 3) sa densité n'est que de 1,2 ce qui dénote une forte porosité. La surface est particulière sombre (albédo de 0,02). La forme quasi sphérique étonne car on ne l'attendait pas compte tenu de sa vitesse de rotation particulièrement lente. Enfin la surface est couverte de roches dont la plus grosse de 140 mètres de diamètre est située près du pôle sud. Cette densité de roches bouleverse les plans de la mission car elle rend les tentatives de prélèvement d'échantillon hasardeuses[25].

Hayabusa II survole l'astéroïde Ryugu (vue d'artiste).

Hayabusa II avec son système de prélèvement déployé.

La phase d'étude a permis à l'équipe japonaise de recueillir les données permettant de sélectionner les sites d'atterrissage de la sonde spatiale (pour le premier prélèvement d'échantillon du sol de l'astéroïde), des quatre petits rovers MINERVA-II et de l'atterrisseur germano-français MASCOT. Le site de prélèvement de sol doit répondre à un certain nombre de contraintes : il ne doit pas se situer à plus de 200 mètres de l'équateur pour permettre au contrôle au sol de suivre les opérations, l'inclinaison du sol par rapport à la direction du Soleil ne doit pas être de plus de 30° pour que les panneaux solaires soient éclairés suffisamment[Note 1], le nombre de roches de plus de 50 centimètres de haut doit être réduit (longueur du système de prélèvement) et la température doit être inférieure à 97 °C pour être compatible avec la température de fonctionnement des équipements d'Hayabusa 2. Le site L08 sélectionné pour le prélèvement est très proche de l'équateur tout comme les sites de secours L07 et M04. Le site de dépose des quatre rovers MINERVA-II, baptisé N6, est une large ellipse située entre les latitudes nord 30 et 60%[25]^,[26]. Le CNES et la DLR ont déterminé le lieu d'atterrissage principal de MASCOT parmi 10 sites pré-sélectionnés. « MA-9 » est également situé très près de l'équateur dans l'hémisphère sud de l’astéroïde[27]^,[28]^,[29]^,[30].

Avant d'effectuer le premier prélèvement d'échantillon du sol de l'astéroïde, l'équipe japonaise d'Hayabusa 2 a prévu d'effectuer deux répétitions pour mettre au point l'enchainement des opérations. Ces opérations sont entièrement automatiques car les signaux d'Hayabusa II mettent 17,4 minutes à parvenir jusqu'à la Terre ce qui interdit toute intervention des contrôleurs au sol. La première répétition débute le 11 septembre et doit amener la sonde spatiale à moins de 60 mètres de la surface mais elle est interrompue alors que Hayabusa 2 se situe encore à 600 mètres de distance. L'altimètre laser LIDAR chargé de mesurer la distance ne parvient plus à détecter les réflexions du laser sur la surface très sombre de l'astéroïde[31].

Le 22 septembre, Hayabusa 2 s'approche à 60 mètres de la surface de l'astéroïde et largue les deux mini-rovers baptisés collectivement Minerva-II1 avant de s'écarter de Ryugu. Tous les deux tombent alors en chute libre à très faible vitesse (la gravité est très faible) et se posent à la surface de Ryugu . Il s'agit des premiers engins mobiles déposés sur un astéroïde. Les rovers et la sonde spatiale transmettent des photos spectaculaires de Ryugu[32]^,[33]^,[34].

Déroulement du largage de MASCOT sur le sol de Ryugu.

En vert le mécanisme permettant à MASCOT de rouler sur le sol de Ryugu.

Le 2 octobre, Hayabusa 2 commence à se rapprocher de la surface de Ryugu pour déposer le petit (30x30x10 cm, masse de 10 kg) atterrisseur franco-allemand MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout). Arrivé à 200 mètres de la surface, les contrôleurs au sol envoient la commande de largage de MASCOT qui se déclenche alors que la sonde spatiale n'est plus qu'à 51 mètres du sol. MASCOT se sépare de Hayabusa 2 sous la poussée d'un ressort puis commence à tomber en chute libre vers la surface de Ryugu (il est dépourvu de propulsion). Durant sa chute, qui est photographiée par Hayabusa 2, l'atterrisseur effectue 20 prises de vue qui sont immédiatement transmises au vaisseau mère. La sonde spatiale a repris de l'altitude et se trouve désormais à 3 kilomètres de distance de l'astéroïde en position pour recevoir les données transmises par l'atterrisseur. MASCOT a une durée de vie limitée à 17 heures car il ne dispose que de batteries. Arrivé au sol 20 minutes après la séparation, MASCOT va enchainer les opérations en partie de manière semi-autonome car la distance de la Terre (35 minutes pour une communication aller-retour) rend difficile les interventions du contrôle au sol. Dans un premier temps MASCOT a des difficultés pour s'orienter car la surface est beaucoup plus sombre que ce qui était prévu. Le contrôle au sol envoie une commande qui permet à l'atterrisseur de se réorienter grâce à la modification de la position d'une masse fixée au bout d'un bras. Dans sa nouvelle position, l'engin parvient à effectuer une séquence d'observations scientifiques complète au cours d'une journée (=7,6 heures terrestres). MASCOT effectue alors un déplacement de quelques mètres qui lui donne un aperçu légèrement différent du terrain environnant et permet au microscope infrarouge hyperspectral MicrOmega de fonctionner. Un troisième déplacement est commandé et les instruments de MASCOT parviennent à recueillir de nouvelles données qui sont transmises avec succès à Hayabusa 2. MASCOT envoie un dernier signal 17 heures après son largage. Ses batteries ont fonctionné environ une heure de plus que prévu[35]. Les photos prises montrent un sol très accidenté et contrairement à ce qui était prévu, une absence totale de régolithe, cette poussière fine produite par les impacts répétés de roches sur la surface des corps célestes. Plusieurs hypothèses sont émises pour expliquer son absence : éjection du fait du rapport en la vitesse d'impact et la faible gravité de Ryugu, éjection ou enfouissement du fait des vibrations[36].

Au cours de l'automne 2018, l'agence spatiale japonaise (ou JAXA) décide de repousser de plusieurs mois le prélèvement d'échantillons de sol initialement programmé en octobre 2018. En effet la surface de l'astéroïde s'est révélée beaucoup plus tourmentée que prévu. En effectuant une reconnaissance plus détaillée du site d'atterrissage sélectionné, il a fallu réduire le diamètre de la zone visée à 20 mètres, au lieu des 100 mètres prévu, pour avoir l'assurance qu'aucun rocher de plus de 50 centimètres de haut n'était susceptible d'endommager la sonde spatiale[Note 2]. Une répétition doit être effectuée pour s'assurer que le système de navigation est capable de manière autonome de guider la sonde spatiale avec une précision suffisante pour la poser dans le cercle d'un diamètre cinq fois inférieur à ce qui était prévu[37]^,[38].

Hayabusa 2 effectue une deuxième répétition des opérations de prélèvement d'un échantillon de sol entre le 23 et 25 octobre 2018. La sonde spatiale s'approche à moins de 12 mètres du sol en se dirigeant vers le site d'atterrissage prévu et laisse tomber sur le sol une des cinq sphères réfléchissantes qui servira de repère. En l'illuminant avec un flash la lumière est réfléchie par le marqueur recouvert d'une enveloppe métallique à plusieurs facettes. La lumière réfléchie est analysée par l'ordinateur embarqué de la sonde spatiale qui peut ainsi mesurer sa vitesse horizontale. Cette sphère d'un diamètre de 10 cm a une masse d'environ 300 grammes. Elle est remplie de billes en aluminium dont le rôle est de dissiper l'énergie cinétique au moment de l'impact avec le sol pour éviter un rebond. L'analyse postérieure de la descente montre que la sonde spatiale était située à 15 mètres du centre du site d'atterrissage de 20 mètres de diamètre et qu'il se serait donc posé à l'extérieur de la zone dépourvue d'obstacles dangereux pour l'intégrité de la sonde spatiale[39].

Entre le 20 novembre et le 21 décembre 2018 le Soleil s'interpose entre la Terre et Ryugu et les communications avec la sonde spatiale deviennent difficiles. Durant cette période la sonde spatiale réalise de manière automatique deux manœuvres qui la mettent à l'abri d'une collision accidentelle avec l'astéroïde. La sonde s'écarte d'abord de sa position de repos située à 5 kilomètres de l'astéroïde et s'éloigne jusqu'à une distance d'environ 90 kilomètres puis revient progressivement à son point de départ qu'elle atteint à la fin de cette conjonction[39]

Le prélèvement du premier échantillon a lieu avec succès le 21 février 2019. La descente vers la surface depuis la position de repos débute vers 4h45 UTC et s'effectue à une vitesse de 90 centimètres par seconde. Un premier arrêt est marqué à 22h02 UTC lorsque Hayabusa 2 n'est plus éloignée que de 200 mètres de la surface. Arrivé à 45 mètres d'altitude, Hayabusa 2 modifie son orientation pour se placer en position d'atterrissage. L'antenne grand gain ne pointe plus vers la Terre et les contrôleurs au sol ne reçoivent plus que les signaux transmis par l'antenne omnidirectionnelle qui leur indiquent simplement la vitesse de la sonde spatiale. Les étapes suivantes sont déclenchées de manière autonome par l'ordinateur embarqué. L'altimètre laser détecte le marqueur qui avait été déposé au sol lors de la répétition effectuée en octobre. Il abaisse alors l'altitude jusqu'à 8,5 mètres. Il corrige la vitesse horizontale en utilisant le marqueur, modifie légèrement son orientation puis descend en chute libre vers le site d'atterrissage. Lorsque le cornet d'échantillonnage touche le sol, une balle de 5 grammes en tantale[Note 3] est tirée à travers le cornet à une vitesse de 300 mètres par seconde[40]^,[41]. L'impact soulève un nuage de débris dont certains ont une taille de quelques dizaines de centimètres. Une partie des particules de roches pénètre dans le cornet et est stockée dans un des trois compartiments prévus à cet effet. L'équipe japonaise est à peu près certaine que des échantillons ont été prélevés mais elle n'en aura la certitude que lorsque la capsule reviendra sur Terre. L'analyse a posteriori des images de l'atterrissage prises par une des caméras embarquées montre que la sonde spatiale s'est posée à seulement 1 mètre du centre du site sélectionné. Ce dernier est baptisé Tamatebako (en japonais : boite à trésors). Immédiatement après avoir touché le sol, la sonde spatiale s'en écarte[42]^,[43]^,[44].

L'impacteur SCI est constitué d'un disque de cuivre et d'une charge explosive chargée d'augmenter sa vitesse avant l'impact.

En avril 2019 la sonde spatiale doit recueillir un deuxième échantillon du sol en utilisant une technique de prélèvement différente de celle mise en œuvre pour le premier échantillon. Hayabusa 2 doit creuser un cratère artificiel et prélever un échantillon du sol dans une couche préservée du sol. Les scientifiques japonais espèrent ainsi acquérir plusieurs informations[45] :

• mesurer la taille d'un cratère sur Ryugu en connaissant la masse et la vitesse d'arrivée de l'impacteur.
• déterminer les caractéristiques du sol lorsqu'il n'a pas été altéré par son exposition au vide interplanétaire (bombardement par le vent solaire et les rayons cosmiques, etc.).
• déterminer dans quelle mesure le sol en surface se déplace facilement lorsqu'il est frappé par un impacteur.
• mesurer le degré de fragmentation des roches lorsqu'elles sont frappées par un impacteur.

La taille du cratère résultant est une inconnue ce qui rend l'expérience particulièrement intéressante. La plupart des modélisations estiment le diamètre à environ 10 mètres mais selon la nature de la surface le diamètre beaucoup plus petit (sol poreux) ou plus important (sol constitué de cailloux de petite taille). Le site retenu pour l'impact se trouve à un quart de circonférence à l'est du premier site de prélèvement et à 300 mètres de l'endroit où MASCOT est situé. Dans la mesure où le deuxième prélèvement pourrait se faire dans le cratère créé, les chercheurs japonais ont sélectionné un endroit aux caractéristiques proches du premier site de prélèvement ce qui permettra d'effectuer des comparaisons. L'impacteur SCI (Small Carry-On Impactor), d'une masse de 2,5 kg, a la forme d'un cône de 30 cm de diamètre et d'une hauteur de 21,7 cm de hauteur. Il est constitué d'un disque de cuivre de deux kilogrammes et d'une charge explosive[45].

La sonde spatiale quitte sa position de repos située à 20 kilomètres de Ryugu le 4 avril et commence à se rapprocher de l'astéroïde à une vitesse de 40 centimètres par seconde. Arrivé à 5 kilomètres de la surface elle réduit cette vitesse à 10 centimètres par seconde. Elle entre dans un mode autonome avant d'arriver au point de largage. Arrivé à une altitude 500 mètres elle largue le 5 avril 2019 l'impacteur puis s'éloigne dans une direction perpendiculaire à son axe de descente de manière à se mettre à l'abri de retombées éventuelles. Elle largue une caméra DCAM3 (Deployable camera 3) de 2 kilogrammes qui est chargée de filmer l'impact. À environ 300 mètres l'explosion de la charge emportée par l'impacteur est déclenchée. La plaque de cuivre plate et circulaire qui constitue l'impacteur accélère de 2 kilomètres par seconde tout en étant déformée et en prenant la forme d'un casque. Une image prise par la caméra DCAM3 confirme presque immédiatement le succès de l'impact. La sonde spatiale s'éloigne de 100 kilomètres pour éviter de rencontrer des débris qui pourraient flotter dans l'espace et reste à cette distance durant deux semaines. Le 23 avril la sonde spatiale se rapproche à nouveau de Ryugu pour observer les résultats de l'opération. Sur les photos prises à environ 1,6 kilomètre de distance, un nouveau cratère de 20 mètres de diamètre est clairement visible, une taille bien plus importante que ce qui était prévu[46]^,[47] ^,[45].

Animation du déploiement de la SCI et échantillonnage du cratère résultant

L'équipe projet d'Hayabusa 2 s'interroge sur la nécessité de prélever un deuxième échantillon du sol de Ryugu. Chaque prélèvement présente un risque important du fait de la nature particulièrement chaotique de la surface de l'astéroïde et le premier prélèvement semble avoir été un succès. Néanmoins, en prévision d'une telle opération, l'agence spatiale décide de larguer un marqueur le 16 mai à quelques mètres du cratère artificiel créé un mois auparavant. Une fois de plus la descente vers le sol est interrompue à une altitude de 50 mètres parce que le lidar utilisé pour mesurer l'altitude ne parvient plus à déceler la surface. Le largage du marqueur est reporté. Mais désormais le temps presse car l'astéroïde approche de son périgée et début juillet la température de surface va dépasser 100 °C et la chaleur rayonnée va devenir trop importante pour permettre à la sonde spatiale de s'approcher[48]. Une deuxième tentative de dépose du marqueur est effectuée le 30 mai et celle-ci est cette fois une réussite[49].

Les responsables du projet ont finalement décidé de prendre le risque d'effectuer un deuxième prélèvement. Les opérations débutent le 10 juillet 2019 lorsque Hayabusa 2 commence à descendre vers la surface de l'astéroïde à une vitesse de 40 centimètres par seconde. La sonde spatiale passe en mode autonomie alors qu'elle se situe encore à 30 mètres du sol. 13 minutes plus tard, le 11 juillet à 1h20 UTC, le cornet de prélèvement touche le sol et une deuxième cartouche de tantale est tirée. Hayabusa 2 s'éloigne immédiatement et 20 minutes plus tard la liaison est rétablie avec la Terre. Les images prises par la caméra embarquée CAM-H montrent que l'opération a été un succès. Hayabusa 2 a touché le sol à seulement 60 centimètres du centre du site visé[50]^,[51].

Le 17 septembre la sonde spatiale se rapproche à un kilomètre de l'astéroïde, largue les deux marqueurs puis s'en éloigne à une vitesse de 11 centimètres par seconde tout en filmant la chute des objets vers le sol de Ryugu. L'opération est une répétition du largage du rover MINVERVA-II-2. Ce dernier construit par une équipe différente des MINERVA-II-1 présente une anomalie de fonctionnement qui laisse planer un doute sur son système de télécommunications. MINVERVA-II-2 est largué le 3 octobre depuis une altitude d'un kilomètre et sa trajectoire est mesurée visuellement mais également à l'aide d'un accéléromètre embarqué car son objectif est de préciser les conditions de navigation dans un champ de gravité très faible comme celui de Ryugu. Il est prévu qu'il se pose à la surface de l'astéroïde le 8 octobre[52]^,[53].

Hayabusa 2 achève ses observations de l'astéroïde au cours de l'automne 2019. La sonde spatiale reprend la direction de la Terre le 13 novembre 2019. A 36 millions de kilomètres de la Terre la sonde spatiale effectue avec ses moteurs ioniques la première des cinq corrections de la trajectoire qui doivent lui permettre de larguer la capsule d'échantillons sur la trajectoire souhaitée. Celle-ci se détache de la sonde spatiale le 5 décembre 2020 à 5h35 UTC (14h24 heure de Tokyo) alors que Hayabusa 2 se trouve encore à 220 000 kilomètres de la Terre. La capsule s'éloigne de la sonde spatiale sous l'action d'un ressort qui lui imprime un mouvement de rotation permettant de stabiliser son orientation. Une heure plus tard la sonde spatiale effectue une première correction de trajectoire qui doit lui éviter de s'écraser à la surface de la Terre et survole celle-ci à environ 200 kilomètres de distance avant d'entamer une nouvelle mission. La capsule d'échantillons, qui ne dispose pas de système de propulsion, pénètre dans l'atmosphère terrestre à 17h28 UTC alors qu'elle n'est plus qu'à 121 kilomètres de la surface. Sa vitesse est de 11,7 km/s et du fait des forces de friction la température de son bouclier thermique s'élève jusqu'à 3 000°C. Les couches d'isolant thermique qui entourent l'échantillon maintiennent sa température en dessous de 80°C. Deux avions Gulfstream affrétés par la NASA survolent la région pour photographier la rentrée atmosphérique de la capsule et en déduire des informations permettant d'améliorer la conception du bouclier thermique. A 17h32 UTC, alors que la capsule ne se trouve plus qu'à 10 kilomètres d'altitude, les boucliers thermiques avant et arrière sont largués. le parachute de la capsule s'ouvre, l'antenne de sa balise radio est déployée et celle-ci commence à émettre. La capsule se pose en douceur quelques minutes plus tard dans le désert de Woomera en Australie[54]^,[55]^,[56].

Compte tenu de la précision des manœuvres effectuées avant le largage de la capsule par la sonde spatiale, celle-ci doit se poser dans un quadrilatère de 100 kilomètres de côté. Plusieurs méthodes sont utilisés pour retrouver la capsule dont la taille (40 centimètres de diamètre) peut soulever quelques problèmes de repérage sur une surface aussi importante. Un radar est utilisé pour suivre la course du parachute qui comporte une couche réfléchissant les ondes émises par celui-ci. Cinq stations de réception radio disposant d'une antenne directionnelle effectuent un relevé de la balise de la capsule pour déterminer par triangulation la trajectoire de celle-ci. Un dispositif de secours a été mis en place au cas où les méthodes de repérage précédentes seraient infructueuses : des photographies de la capsule sont également effectuées depuis le sol et les airs par un drone. Par recoupement entre ces photos, la zone d'atterrissage peut être précisée. Finalement la capsule est très rapidement retrouvée et l'équipe vérifie qu'il ne reste pas des composants pyrotechniques non amorcés puis la capsule est transférée par hélicoptère dans une salle blanche provisoire pour un premier examen rapide. Une fois celui-ci achevé, la capsule doit être transférée par avion jusqu'à Tokyo pour l'étude des échantillons en laboratoire dans un environnement d'azote[57]^,[55].

• Retour sur Terre de la capsule
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  Largage de la capsule contenant les échantillons de sol lors du survol de la Terre (vue d'artiste).
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  La capsule contenant l'échantillon est pratiquement similaire à celle de Hayabusa dont une réplique est présentée ici.

Les analyses de l'échantillon, dont la masse est de finalement de 5,4g au lieu des 100 milligrammes escomptés, doivent être effectuées au Centre de conservation des échantillons extraterrestres de l'agence spatiale japonaise (ou JAXA) construit spécifiquement pour cette mission. Cette analyse sera effectué par une équipe internationale comprenant notamment des chercheurs français. Le microscope hyperspectral MicrOmega, développé par l’Institut d’astrophysique spatiale sera utilisé pour effectuer une première analyse non destructrice[58] sous la responsabilité de l’astrophysicien Jean-Pierre Bibring. Cela est officialisé par un accord signé le 26 juin 2019[59]. La NASA recevra une partie de l'échantillon récolté en échange de portions de l'échantillon de l'astéroïde Bénou collectés par la sonde spatiale américaine OSIRIS-REx dont le retour sur Terre aura lieu en 2023[60].

Les premières observations optiques de Ryugu par la sonde spatiale Hayabusa 2 débutent en juin 2018 mais les premiers résultats scientifiques sont communiqués en mars 2019. Ryugu a la forme d'une toupie avec un épais bourrelet au niveau de l'équateur. Le diamètre en passant par l'équateur est de 1004 mètres alors que la circonférence en passant par les pôles est de 875 mètres (dans les deux cas à 4 mètres près. L'astéroïde est en rotation rétrograde avec une période de 7,63 heures. L'axe de rotation est pratiquement perpendiculaire au plan orbital avec une inclinaison orbitale de 171,6°. Son volume est de 0,377 km³ et sa densité est de 1,19. En partant de l'hypothèse qu'il est composé de chondrites carbonées (densité minimale de 2,42), il en découle que sa porosité est de 50%. C'est un des objets les plus sombres jamais observés dans le système solaire (albédo compris entre 1,4 et 1,8 %). La surface est recouverte de rochers (2 fois plus que Itokawa) dans des proportions qui ont étonné l'équipe scientifique. Le plus important, baptisé Otohime, fait 160 mètres dans sa plus grande longueur. Aucun satellite n'a pu être observé. La forme très symétrique de Ryugu (vu du pôle il est presque parfaitement circulaire), pourrait être expliquée si l'astéroïde tournait plus rapidement qu'il ne le fait. Les cratères observables sur le bourrelet équatorial impliquent que cette formation est ancienne mais elle l'est moins que les zones situées aux latitudes intermédiaires. On dénombre à la surface de Ryugu une trentaine de dépressions circulaires de plus de 20 mètres de diamètre mais près de la moitié ne sont pas entourées d'un rebord et pourraient résulter de l'effondrement de la surface ou l'éjection de celle-ci par les forces centrifuges[63].

Comme tous les astéroïdes de cette taille circulant sur une orbite de quasi collision avec la Terre, Ryugu n'est pas très âgé à l'échelle géologique. Ce type d’astéroïde est le fragment d'un astéroïde plus gros circulant dans la ceinture d'astéroïdes qui a éclaté à la suite d'une collision. L'orbite de Ryugu soumis à la fois à l'effet Yarkovsky et à l'effet YORP s'est progressivement rapprochée de celle des planètes internes. En étudiant les spectres des roches de Ryugu, les scientifiques japonais ont tenté de déterminer l'astéroïde parent. Les candidats les plus proches sont (142) Polana et (495) Eulalie mais les spectres sont légèrement différents. L'albédo particulièrement bas a surpris les scientifiques qui s'attendaient à une valeur comprise entre 3 et 4%. Aucune météorite identifié sur Terre n'a un albédo aussi bas. La composition des roches à la surface de Ryugu semble très homogène. Tous les spectres montrent une petite quantité d'hydroxyde probablement présent dans un minéral argileux riche en magnésium. Cette composition indique que les matériaux présents ont interagi par le passé avec de l'eau. Cette composition et l'apparence (albédo) semblent indiquer que les roches qui forment Ryugu sont issues des couches internes d'un astéroïde de grande taille qui aurait subi un métamorphose thermique tout en étant infiltré par de l'eau. Pour que ce processus se déclenche il fallait que cet astéroïde fasse quelques centaines de kilomètres de diamètre. Le réchauffement très important généré a pu l'être soit par la décomposition radioactive de l'aluminium 26 soit par un impact violent avec un autre astéroïde[63].

Les photos prises par le petit rover Mascot ont permis de constater que la surface de l'astéroïde était recouverte par deux types de roches présentes dans des proportions pratiquement égales. Le premier type est caractérisé par un albédo relativement élevé avec des faces aux formes douces et des arêtes aiguisées. La deuxième catégorie de roche est plus sombre avec une surface friable en forme de chou-fleur. On y observe des inclusions de petits grains riches en calcium et en aluminium. Ces roches ressemblent à un type de météorite rare : la chondrite carbonée. Ces roches ont été créées il y a 4,5 milliards d'années soit pratiquement au moment de la formation du système solaire. Elles n'ont jamais fondu et n'ont jamais subi d'impacts d'autres objets mais elles ont pu être chimiquement modifiées par la présence d'eau à l'état liquide. Deux scénarios peuvent expliquer la présence de ces deux types de roches. Selon le premier scénario l'astéroïde a été formé à la suite de la collision de deux corps composés de matériaux d'origine différente. Les débris résultants sous l'influence de leur gravité ont formé un nouvel astéroïde à la structure hétérogène. Selon le deuxième scénario, l'astéroïde serait issu d'un corps céleste dont la structure interne aurait subi des conditions de pression et de température non homogènes[64].

Les photos prises par le petit rover Mascot ont également permis de constater qu'il n'y avait ni régolithe ni poussière à la surface de l'astéroïde. Or le bombardement continuel de l'astéroïde par les micrométéorites devrait produire du régolithe. Cette absence serait due à la gravité très faible qui empêche les débris produits par les impacts de se déposer à la surface. Le régolithe pourrait également s'infiltrer entre les roches très poreuses qui forment l'astéroïde[64].

Les astéroïdes de type C comme Ryugu représentent 75% de l'ensemble des astéroïdes. La proportion de météorites de ce type sur Terre, très faible, ne reflète pas cette abondance. L'étude par Hayabusa 2 des propriétés thermiques des chondrites qui forment le matériau de base de ces astéroïdes, fournit une explication à ce phénomène. Le petit rover franco-allemand MASCOT a utilisé le radiomètre MARA pour mesurer l'évolution de la température de roches de ce type en fonction de l'éclairement. Les scientifiques ont pu en déduire que les chondrites étaient extrêmement friables. Durant la rentrée atmosphérique d'un astéroïde de ce type, il est probable que seuls les corps les plus massifs atteignent la surface de la Terre, les autres brûlant entièrement dans l'atmosphère[65].

• (en) Hayabusa2 Project Team, Hayabusa2 Information Fact Sheet, JAXA, juillet 2018, 136 p. (lire en ligne)
  Description de la mission publiée par l'agence spatiale japonaise à l'arrivée de Hayabusa 2 à proximité de Ryugu
• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic exploration of the solar system : Part 4 : the Modern Era 2004-2013, Springer Praxis, 2015, 567 p. (ISBN 978-1-4614-4811-2)
• (en) Shogo Tachibana, M. Abe, Masahiko Arakawa, M. Abe et al., « Hayabusa2: Scientific importance of samples returned from C-type near-Earth asteroid (162173) 1999 JU3 », Geochemical journal, vol. 48, n^o 6,‎ janvier 2014, p. 571-581 (DOI 10.2343/geochemj.2.0350, lire en ligne)
• (en) Koji Wada, Matthias Grott, Patrick Michel, Kevin Walsh, Antonella Barucci et al., « Asteroid Ryugu Before the Hayabusa2 Encounter », Progress in Earth and Planetary Science,‎ 10 avril 2018, p. 62 (DOI 10.1186/s40645-018-0237-y, lire en ligne)
• (en) Yuichi Tsuda, Takanao Saiki, Naoko Ogawa, Mutsuko Morimoto et al., « TRAJECTORY DESIGN FOR JAPANESE NEW ASTEROID SAMPLE RETURN MISSION HAYABUSA-2 », JAXA,‎ 2012, p. 7 (lire en ligne)
• (en) J de León, H Campins, D Morate, M de Prá, V Alí-Lagoa et al., « Expected spectral characteristics of (101955) Bennu and (162173) Ryugu, targets of the OSIRIS-REx and Hayabusa2 missions », Icarus,‎ 22 mai 2018, p. 25–37 (DOI 10.1016/j.icarus.2018.05.009, lire en ligne)
• (en) JP. Bibring, V. Hamm, Y. Langevin et al., « The MicrOmega Investigation Onboard Hayabusa2 », Space Science Reviews, vol. 208,‎ 9 mars 2017, p. 401–412 (DOI 10.1007/s11214-017-0335-y, lire en ligne)

• Astéroïde
• Hayabusa
• Mission de retour d'échantillons
• Programme spatial japonais

• (en) Description détaillées des caractéristiques techniques de Hayabusa 2 et du déroulement de la mission sur le site /spaceflight101.com
• (en) Page dédiée sur le site EO Portal de l'Agence spatiale européenne
• (en) (ja) Page dédiée au projet Hayabusa2 sur le site de la JAXA
• (en) (ja) Dépêches sur le site de la mission
• (en) Site du suivi de mission en directe de la sonde (septembre 2018
• (en) Présentation de la sélection des sites d'atterrissage par l'Agence spatiale japonaise (23 aout 2018)
• (fr) Hayabusa 2 sur le site du CNES missions scientifiques
• (en) Présentation de la mission (juillet 2014)
• (en) Présentation de la mission (juin 2013)
• (ja) HAYABUSA II -Rebirth of Phoenix- / Xenon-P feat. Hatsune Miku, une musique de Hatsune Miku sur le lancement de la sonde Hayabusa 2, par Xenon Maiden et SHO
• "Hayabusa, un petit tour et puis s'en va", La Méthode Scientifique, France Culture, 12 mars 2019

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