PROJET : VENUS EXPRESS

MISSION VERS VENUS

Première réalisation 10 au 15 novembre 2005, sept 2011

A : LES DOCUMENTS

Tous mes remerciements anticipés à l'Agence Européenne Spatiale pour les emprunts précis et documentés effectués sur leur site.

Les paragraphes en anglais, proviennent , pour la plupart, du site de l'ESA qui je l'espère en acceptera l'utilisation à des fins pédagogiques. Je les ai retranscrits sans en modifier un terme. Ce qui permettra aux étudiants de parfaire leur anglais.

I LA MISSION :

Laissons le soin à l'ESA, mieux que quiconque, d'en indiquer les objectifs.

Industrial involvement: The Prime contractor is Astrium, Toulouse (France), leading an industrial consortium involving 25 companies from 14 European countries.

Summary

Venus Express will be ESA's first mission to Earth's nearest planetary neighbour, Venus. The mission was born after ESA asked for proposals, in March 2001, suggesting how to reuse the design of the Mars Express spacecraft.

The guidelines were extremely strict. The mission would have to run to a tight timeframe because it had to reuse the same design as Mars Express, and the same industrial teams that worked on that mission. It would have to be ready to fly in 2005.

Out of a number of promising proposals, ESA selected Venus Express. What made the mission especially attractive was that many of the spare instruments developed for ESA's Mars Express and Rosetta missions could be used to achieve Venus Express's science objectives, which were to study the atmosphere in great detail.

Why Venus?

Venus is the Earth's nearest planetary neighbour. It draws twice as close to our planet as Mars ever does. In terms of size and mass, Venus is Earth's twin and yet it has evolved in a radically different manner, with a surface temperature hotter than a kitchen oven and a choking mixture of noxious gases for an atmosphere. Venus Express will make unique studies of this atmosphere.

In the past, both the Russians and Americans have sent spacecraft to Venus. Being the closest planet to the Earth, it was a natural target. These studies revealed details about the surface of the planet, mainly from NASA's Magellan radar mapper. However, Venus was out of the limelight during the last decade, despite several scientific puzzles. For example, how does the atmosphere 'work'? To find the answer, scientists break down the big question into smaller questions:

"What are the global characteristics of the atmosphere?"
"How does it circulate?"
"How does the composition of the atmosphere change with depth?"
"How does the atmosphere interact with the surface?"
"How does the upper atmosphere interact with the solar wind?"

Experts have designed Venus Express to be the first spaceprobe to perform a global investigation of the Venusian atmosphere, of the plasma environment.

World of mysteries

You cannot understand the Venusian weather and atmosphere by comparing them to Earth's. Scientists are unable to explain some of the more extreme atmospheric phenomena that take place on Venus. For example, the planet only rotates once every 243 Earth days. However, in the upper atmosphere, hurricane-force winds sweep around Venus, taking just 4 Earth days to circumnavigate the planet.

The surface of Venus also baffles scientists. The oldest craters seem to be only 500 million years old, which may indicate that the planet behaves like a volcanic pressure cooker. On Earth, the constant, steady eruption of volcanoes and the shifting of the Earth's surface, causing earthquakes, ensures that the energy released in the Earth is dissipated gradually. This probably does not happen on Venus. Instead, pressure builds up inside the planet until the whole world is engulfed in a global eruption, resurfacing the planet and destroying any craters that have formed. This probably happened last, 500 million years ago and so accounts for the lack of older craters. Today, there is a strong relationship between the surface and the atmosphere. Is there any similarity between the ocean-atmosphere relationship on Earth and the surface-atmosphere relationship on Venus? Venus Express will supply scientific data that could shed light on both of these mysteries.

Spacecraft and Subsystems

The Venus Express spacecraft is based on the Mars Express satellite bus and has a launch mass of 1240 kg, which includes 93 kg of payload and 570 kg of fuel. The main bus is a rectangular box with dimensions of 1.65 x 1.7 x 1.4 meters. The core structure within the box is composed of an aluminum launch vehicle adapter ring, 90 cm in diameter and 20 cm high, two aluminum beams embedded in the ring, aluminum braces, two upper floors to hold the propellant tanks, an upper floor and three shearwalls to provide stiffness. The floor and wall panels are made of honeycomb bonded to aluminum face sheets. Propulsion is provided by a 415-N main engine mounted under the lower floor and eight 10-N thrusters located at the four lower corners of the spacecraft. The two 267-liter propellant tanks (one containing nitrogen tetroxide and one containing mono-methyll hydrazine, are mounted in the center of the core structure. A 35.5 liter tank contains helium for use as a pressurant. Spacecraft attitude knowledge is provided by two star trackers, two sun sensors, and two inertial measurement units comprised of gyros and accelerometers. Reaction wheels are used for attitude maintenance.

Power of 1100 W at 28 volts DC at Venus orbit is supplied by two rotatable wings of triple junction gallium arsenide solar cells with a total area of 11.4 square meters interlaced with aluminum strips to minimize heating. Power is stored in three 24-AH lithium-ion batteries. Communications are via a dual band transponder which contains two duplicate transmit/receive chains, each with an X-band transmitter (8419 MHz) and receiver (7166 MHz) and an S-band transmitter (2296 MHz) and receiver (2100 MHz). The system uses a 1.3 meter high gain S- and X-band antenna, a smaller secondary high-gain X-band antenna, and two low-gain omnidirectional S-band antennas. It also uses two 65-W travelling wavetube amplifiers, a radio frequency distribution unit, and a waveguide interface unit. Downlink rates of up to 262,000 kpps are possible. Passive thermal control is achieved through the use of radiators, multi-layer insulation, heat pipes, and reflecting covers and coatings.

Data is stored in a 12 gigabit solid state mass memory and run by a control and data management unit. Six of the seven scientific instruments are flight spares from Mars Express and Rosetta. These are: the Venus Monitoring Camera, a wide angle imager; ASPERA, a combined energetic neutral atom imager, ion, and electron spectrometer, and magnetometer; PFS, an IR Fourier spectrometer; SPICAV/SOIR, a UV/IR spectrometer; VIRTIS, a UV, visible, IR imaging spectrometer; and VeRa, a radio science experiment. Only VENSIS, a subsurface and ionospheric radar sounder, has not been flown before. All instruments are body mounted.

Mission Profile

The Venus Express launch has been postponed due to contamination of the launch fairing, the launch is now expected to take place on 9 November at 03:33 UT (8 November 10:33 p.m. EST). Venus Express is scheduled for launch on a Soyuz-Fregat booster from the Baikonur Cosmodrome in Kazakhstan. The original launch was to have taken place on 26 October 2005 at 4:43 UTC (12:43 a.m.EDT). The launch window will remain open until 24 November. After launch the spacecraft will go directly to a Venus transfer trajectory. Arrival at Venus will occur on 6 April 2006, followed by five days of manuevering to bring it into an elliptical 24 hour, 250 x 66000 km polar orbit with the periapsis centered over the mid-northern latitudes. The nominal mission duration is roughly two Venus sidereal days (486 Earth days). Total budget for the mission is 220 million euros ($262 million U.S. 2005). of which 82.4 million euros is for satellite construction and instrument integration and 37 million euros is for the launch.

II Le lancement de Vénus Express:

Ci-dessous explications en provenance du site http://www.interstars.net/index.php

Le mouvement des planètes dans le Système solaire permettra ce jour-là à Venus Express de profiter d’une fenêtre de lancement offrant la meilleure trajectoire possible. En effet, tous les dix-neuf mois, Vénus se trouve en un point de l’espace qui peut être atteint moyennant une consommation d'ergols minimale. Pour profiter de cette conjoncture, l'ESA a décidé de lancer Venus Express au cours de la prochaine fenêtre qui s'ouvrira le 26 octobre et se refermera environ un mois plus tard, le 24 novembre.

Compte tenu du mouvement relatif de la Terre et de Vénus ainsi que de la rotation de notre planète sur elle-même, on ne dispose, lors de ces fenêtres, que de quelques secondes par jour pour lancer une mission. La première possibilité de lancement de Venus Express est donc le 26 octobre à 6h43 (heure de Paris) ou 10h43 (heure locale).

Il faudra seulement 163 jours à Venus Express, soit un peu plus de cinq mois, pour atteindre Vénus. L'exploration proprement dite commencera donc en avril 2006, lorsque Vénus accueillera enfin une sonde spatiale entièrement européenne, plus de dix ans après la dernière mission à destination de cette planète.

C'est une fusée Soyouz-Frégate, l'un des lanceurs les plus fiables au monde, qui doit placer Venus Express sur sa trajectoire. Cette fusée, approvisionnée par la société euro-russe Starsem, se compose de trois étages principaux et d'un étage supérieur (Frégate) qui emportera la sonde de l’ESA vers sa destination finale.

L'injection de Venus Express sur la trajectoire interplanétaire qui l’amènera autour de Vénus se décompose en trois phases. La première phase, d’une durée de neuf minutes, se déroule sur une trajectoire ascensionnelle pratiquement verticale au cours de laquelle les trois étages de la fusée se séparent successivement et propulsent Soyouz à environ 190 kilomètres d'altitude.

Au cours de la deuxième phase, le composite Frégate-Venus Express, qui se sera alors séparé de Soyouz, sera injecté sur une orbite d’attente circulaire autour de la Terre, en direction de l'est. L'injection sera assurée par la première mise à feu du moteur Frégate qui doit avoir lieu à 6h52 heure de Paris (4h52 GMT).

La troisième phase débutera à 8h03 (heure de Paris), soit environ une heure vingt minutes après le décollage et après un tour pratiquement complet de la Terre. Au-dessus de l'Afrique, Frégate se rallumera une seconde fois pour quitter l'orbite terrestre et se diriger sur une trajectoire hyperbolique qui l'amènera vers Vénus.

Après cette mise à feu, Frégate libèrera doucement Venus Express en déclenchant un mécanisme de séparation. La mission du lanceur s’achèvera avec cette dernière opération.

" 9 November 2005 ESA PR 50-2005. The European spacecraft Venus Express has been successfully placed into a trajectory that will take it on its journey from Earth towards its destination of the planet Venus, which it will reach next April."

Venus Express launched

9 November 2005
Venus Express was launched at 04:33 CET by a Soyuz-Fregat rocket, from the Baikonur Cosmodrome in Kazahkstan.

Launch Date/Time: 2005-11-09 at 03:33 UTC 0
On-orbit Dry Mass: 670 kg

III LE VOL INTERPLANETAIRE:

Mission Profile

La trajectoire est clairement expliquée dans le schéma de l'ESA.

Cruise Phase

After launch and separation from the last of the four launcher stages, Venus Express will spend 153 days in an interplanetary transfer orbit. Any necessary trajectory corrections will be made using the spacecraft's thrusters.

After the spacecraft has acquired Sun pointing and deployed its solar arrays, spacecraft commissioning will start, followed by payload health checks. As soon as the trajectory is determined on ground, an injection error correction manoeuvre will be scheduled. No routine science operations are planned during the following cruise phase.

During the cruise to Venus, the spacecraft will be contacted daily for health checks and navigation using the High Gain Antenna. The spacecraft will be put on an arrival trajectory to Venus by mid-course navigation if required and a final course adjustment will be scheduled near the orbit insertion to fine tune the arrival hyperbola.

The planning of the interplanetary transfer takes into account the forces acting on the spacecraft due to the gravitational fields of the Sun, the Earth, the Moon, Venus, Mars, Saturn and Jupiter and the effects of solar radiation pressure.

Date	Event
13 December 2005	End of NECP
11 April 2006 - 08:32:47 UT	Venus Orbit Insertion
7 May 2006	Final operational orbit aroundVenus

IV LE SURVOL DE VENUS:

Arrival at Venus will occur on 6 April 2006, followed by five days of manuevering to bring it into an elliptical 24 hour, 250 x 66000 km polar orbit with the periapsis centered over the mid-northern latitudes. The nominal mission duration is roughly two Venus sidereal days (486 Earth days).

Operational Orbit

The selected operational orbit is inertially fixed, so that coverage of all planetocentric longitudes will be accomplished in one Venus sidereal day (243 Earth days). The nominal mission orbital lifetime is two Venus sidereal days (roughly 500 Earth days).

The first Venusian day of the mission will be devoted to global latitude, longitude, and local time coverage of the planet. The second day will provide opportunities for filling observation gaps experienced during the first day, for studying in more detail objectives selected on the basis of the first day's observations, and for investigating the time variability of previously observed phenomena.

The Venus Express mission aims at exploring the Venusian atmosphere, the plasma environment and the surface characteristics of Venus from orbit. A high inclination elliptical orbit provides complete latitudinal coverage and gives the best compromise for allowing high-resolution observations near pericentre, global observations during the apoapse part of the orbit, and measurements of the Venusian plasma environment and its interaction with the solar wind.

Orbital parameter	Nominal Value
Pericentre altitude (km)	250 - 400
Apocentre altitude (km)	66 600
Period (h)	24
Inclination (°)	~90

The final altitude of the apocentre, and hence the length of the orbit period, depends upon the fuel load that can be embarked within the launcher lift capability. The lower the apocentre, the more fuel is required to achieve the final orbit. A range of possible apocentre altitudes have been selected, providing a degree of flexibility during the spacecraft development phase, and allowing for the uncertainties that exist in the mass budget while the design is being completed. A low apocentre is preferred for maximising scientific return. The final choice of the apocentre altitude will be made during the later part of the spacecraft development phase, and can even be adjusted during the transfer to Venus. The choice will be the result of trade-offs, balancing observation requirements with telecommunications periods, payload and spacecraft performances, and available fuel after trajectory correction during interplanetary transfer.

It is preferable to have a pericentre latitude at about 60-70° N in order to study all latitudes in at least one hemisphere with high spatial resolution. The selected baseline orbit provides full latitude and local solar time coverage for the atmospheric observations and convenient conditions for tracking the cloud features from the apocentre. This orbit also allows high-resolution surface observations of high latitudes in the northern hemisphere.

Orbit perturbation

The only major perturbation affecting the orbit of Venus Express is the effect of solar gravity, which raises the periapse. Over one Venus sidereal day (243 Earth days) the periapse altitude will increase by approximately 170 kilometres. To counteract this effect, the periapse will be lowered as necessary throughout the duration of the mission by using the spacecraft's thrusters.

The second order spherical harmonic (J2) term of Venus's gravity field, caused primarily by planetary dynamic oblateness effects, is low, so orbit apse rotation and nodal regression are very small.

Venus capture

On arrival at Venus, the spacecraft will use its main engine to reduce its velocity so that it is captured by the planet's gravity. The capture burn required is rather large (1310 ms^-1, total duration of about 53 minutes) so Venus Express will be inserted initially into a highly elliptical polar orbit with a pericentre altitude of about 250 kilometres, an apocentre altitude of 220 000 kilometres, and a period of about 5.5 Earth days. Only one additional main engine boost will then place the spacecraft in its final operational orbit. Once in a stable orbit around Venus, a further commissioning of the orbiter instruments will be performed and the operational phase will start.

Orbit

Its journey to its target world will last 162 days. Venus Express will be captured into an orbit around Venus by firing the main engine for 53 minutes. About five days later, a two-week long series of manoeuvres will start to put the spacecraft into its operational orbit, circling above the poles of the planet once every 24 hours. At its closest, it will reach 250 kilometres in altitude and at its furthest, it will be more than 60 000 kilometres from the planet. The closest point will be located at mid-northern latitudes.

B : LE PROJET

Il sera demandé à l'étudiant de reconstituer, au mieux la mission, naturellement au prix des approximations habituelles des sphères d'influence des planètes. Le repère de travail sera le REPERE HELIOCENTRIQUE ECLIPTIQUE ASSOCIE A J2000 noté Ro. Le repérage se fera en coordonnées rectangulaires.

I LE VOL INTERPLANETAIRE :

1°) Utilisation des éphémérides du BDL :

Soit vous allez sur le site, soit vous exécutez planeph.exe du répertoire ephemeri, vous aurez auparavant lu soit ephemeri.htm soit planeph.doc

Conservant les dates et heures de début et fin de mission, vous retrouverez :

1 - La position et vitesse de la Terre dans Ro

2 - La position et vitesse de Vénus dans Ro

2°) Utilisation des routines du problème de Lambert :

Vous vous lancerez dans la compréhension du problème de Lambert ( Voir le cours ). Puis vous utiliserez les routines

1 - DEUX_PTS.EXE en Pascal moins précis que les 2 suivants

2 - LAMBERT1.EXE en Pascal

3 - LAMBERTC.EXE en C++

qui conduiront aux mêmes résultats, avec un maximum de précision pour LAMBERTC.EXE et LAMBERT1.EXE, strictement identiques à part leur langage de mise en œuvre.

Vous en tirerez les caractéristiques de l'orbite de transfert, les valeurs de la constante C3 de départ ou d'arrivée, importantes pour les questions d'énergie.

3°) Fenêtre de tir :

Venus Express is scheduled for launch from the Baikonur Cosmodrome in Kazakhstan with a launch window opening on 26 October 2005, and closing on 24 November. Launch is currently planned for 26 October 2005 at 04:43 UT (06:43 CEST). It will be lifted into space by a Soyuz rocket, using a Fregat upper stage to place it in a transfer orbit to Venus.

La lecture des renseignements ESA, fournit notamment des indications sur la fenêtre de tir.

Vous effectuerez plusieurs balayages avec un pas de 2 jours :

1 - En gardant la date de départ et en faisant varier celle d'arrivée de 2 jours en plus ou en moins dans la fenêtre.

2 - En gardant la date d'arrivée et en faisant varier celle de départ de 30 jours en plus ou en moins, avec un pas de 2 jours.

3 - En tirant au sort sur les possibilités, une vingtaine de couples de dates.

Dans tous les cas, vous calculez notamment la valeur du C_3D de départ et celle du C_3A d'arrivée.

Vous recherchez en particulier un minimum du C₃ de départ et montrez sur un graphe l'évolution des valeurs.

En quoi ces constantes sont-elles importantes?

4°) Vitesse à l'infinie de départ

Vous donnerez la déclinaison et l'ascension droite de la vitesse à l'infinie de départ de la terre. Ce qui pourra vous servir pour le choix d'un lanceur en V.

NB : La figure du vol réel suggère une trajectoire voisine d'un tir de type Hohmann. Qu'en pensez-vous?

5°) Choix du lanceur ?

Vous vous renseignez sur les performances des diverses versions du lanceur ARIANE 5 en évasion et concluez sur la possibilité d'envoi de la masse de Vénus Express, avec le C3 désiré.

II AMELIORATION POSSIBLE DU TRANSFERT INTERPLANETAIRE :

Si le temps le permet, vous pouvez affiner l'hypothèse des sphères d'influence, avec un calcul plus fin que vous trouverez dans le cours.

L'hyperbole de descente sera ainsi plus précise pour les calculs de IV

III AU COURS DU TRANSFERT INTERPLANETAIRE :

En matière de communication avec la Terre, les positions d'alignement ou de quasi alignement Terre - Soleil - Vénus créent des problèmes sérieux, car les émissions hertziennes du Soleil se mélangent au signal, ou encore les antennes sont éblouies.

Il y a donc lieu de détecter ces positions dangereuses, que ce soit durant la période du transfert ou ensuite au cours de la mission d'observation de la planète.

1°) Utilisation des éphémérides du BDL

1 - Vous récupérez les paramètres orbitaux osculateurs de la Terre ou vous les reconstruisez à partir d'une donnée POSITION - VITESSE - DATE

2 - Même travail avec Vénus

2°) Programme des oppositions - conjonctions

Vous réalisez une routine de calcul qui doit permettre de donner en fonction de la date du voyage en jours juliens et calendaires :

1 - La distance Terre - Vénus

2 - L'angle en degrés Terre - Soleil - Vénus en détectant et annotant en particulier:

le minimum ( près de 0° ) pour les conjonctions

le maximum ( près de 180° ) pour les oppositions

3 - Vous vous serez renseigné auprès de gens compétents sur la valeur rédhibitoire de l'angle minimal en dessous duquel une communication correcte est impossible et vous donnerez les créneaux interdits.

3°) A propos des corrections après le tir :

En utilisant judicieusement les programmes du problème de Lambert, vous calculerez la norme d'une correction de trajectoire:

a) Qui avance la date d'arrivée de 1 à 5 jours, ceci 15, 45, 90 jours après le tir

b) Même question avec une arrivée retardée de 1 à 5 jours

4°) A propos des télécommunications: voir article

Vous évaluerez la vitesse relative VR de la sonde par rapport à la Terre, en fonction de la date. Vous en déduirez :

a) La composante radiale qui joue sur l'effet Doppler. Auparavant vous vous serez renseigné sur les fréquences utilisées et donnerez le décalage en fréquence.

b) Le décalage en temps de la transmission.

IV INSERTION EN ORBITE VENUSIENNE :

Vous avez dû lire que le jour vénusien est de 243 jours terrestres. Etonnant ?. Faites les recherches nécessaires en ce qui concerne la rotation, l'axe des pôles, l'aplatissement polaire, le jour et l'année vénusiens

1°) Première manœuvre d'insertion :

Venus capture

On arrival at Venus, the spacecraft will use its main engine to reduce its velocity so that it is captured by the planet's gravity. The capture burn required is rather large (1310 ms^-1, total duration of about 53 minutes) so Venus Express will be inserted initially into a highly elliptical polar orbit with a pericentre altitude of about 250 kilometres, an apocentre altitude of 220 000 kilometres, and a period of about 5.5 Earth days. Only one additional main engine boost will then place the spacecraft in its final operational orbit. Once in a stable orbit around Venus, a further commissioning of the orbiter instruments will be performed and the operational phase will start.

Vous vérifiez le DV indiqué, si une petite divergence apparaît vous en expliquez l'origine et vous évaluez par exemple la correction d'écart angulaire qui aurait pu intervenir, ou toute autre raison.

1°) Manœuvre finale :

Orbital parameter	Nominal Value
Pericentre altitude (km)	250 - 400
Apocentre altitude (km)	66 600
Period (h)	24
Inclination (°)	~90

1 - Vous vérifier le phasage avec les horaires terrestres

2 - Vous calculez le " coup de frein" au périgée en le supposant optimal et instantané ( à défaut de renseignements plus précis )

3 - En matière de perturbation ( lire plus haut ) indiquez pourquoi l'aplatissement polaire vénusien n'a que peu d'incidence sur l'évolution de l'orbite.

4 - MOTORISATION : voir article

Si vous réussissez à récupérer des informations sur le moteur principal qui délivre les 1310 m/s, notamment Isp et indice de construction w , vous pourrez suivre l'évolution de la masse restante après chaque manœuvre. Peut-être pourriez vous chercher du côté de Mars Express puisque la sonde en est une déclinaison.

a) Cependant, il vous est possible de retrouver Isp grâce aux données de la poussée F = 415 N, du temps de combustion DT = 53 mn, DV = 1310 m/s, Mp = q DT, F = q Isp.

Vous montrez que la masse d'ergols nécessaire est solution de

A vous de résoudre.

b) Ergols de la deuxième manœuvre :

Vous connaissez maintenant Isp, vous évaluez le DV qui permet de passer sur l'orbite définitive de période 24 h, en supposant les vitesses colinéaires à défaut d'autres données.000

Vous déduisez la masse des ergols et devriez constater une petite réserve de carburant. Comentez.

V AVEC ARIANE 5 :

On s'intéresse ici au lanceur. Est-ce qu'une des versions Ariane5 aurait pu envoyer Vénus Express suivant le même C_3D ?

Vous irez sur le site de ce lanceur, ou consulterez le MUA ( Manuel Utilisateur d'Ariane ) du lanceur, pour rechercher les performances en C3 ou en évasion, ce qui est pareil.

Conclusions?

VI DOCUMENTATION:

1 - Vous ferez un court historique des études vénusiennes.

2 - Peut-être aurez-vous la chance de trouver sur le site de l'ESOC, des données numériques sur le vol et la mission. C'est classique à partir de quelques jours après le tir. Si tel était le cas, vous tenteriez de recouper vos résultats ou de préciser les corrections orbitales effectuées après la libération.

Guiziou Robert novembre 2005, sept 2011