Les manoeuvres de l'orbite terrestre et des missions interplanétairesContrôler et opérer un satellite en orbite terrestre nécessite l'emploi de diverses manoeuvres d'ajustement alors que les missions interplanétaires demandent, elles, différentes manoeuvres au long de leur exécution
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Les manoeuvres en orbite terrestreOn ne peut pas contrôler en orbite un satellite -ou la navette spatiale- au sens où l'on contrôle un avion: il n'y a pas d'atmosphère dans l'espace. Les contrôles aérodynamiques d'un avion ne servent donc à rien. De plus, les caractéristiques de l'orbite du satellite sont déterminées une fois pour toutes lorsque celui-ci atteint l'orbite: sa vitesse, son altitude, le périgée et l'apogée, ou l'inclinaison de l'orbite
Par la suite, au cours du vol, si l'on veut modifier des paramètres de l'orbite -comme atteindre une orbite plus élevée ou accroître l'apogée ou le périgée- il faut recourir aux moteurs embarqués du satellite. Ces manoeuvres sont appelées des "manoeuvres d'ajustement d'orbite" (en anglais: "Orbit Trim Maneuvers", OTM). Les moteurs embarqués, la plupart du temps, sont de petits moteurs-fusées ou des "thrusters" -de petits moteurs de poussée. Ils permettent le contrôle des trois axes et de la rotation du satellite sur lui-même. Les thrusters fonctionnent généralement à l'hydrazine, un carburant dangereux (du tétroxyde d'azote sert d'oxygénateur). Des systèmes gyroscopiques (en anglais "reaction wheels") aident aussi au contrôle de l'attitude; les "control moment gyroscopes" ("gyroscopes à contrôle de vitesse"), par exemple, consistent en des roues en rotation installées sur un système gyroscopique ce qui permet une force de torque et une action sur l'attitude du satellite. Les "reaction wheels" sont utilisées pour contrôler l'attitude du vaisseau, soit de quelle façon il point vers le Soleil, la Terre (ou une planète). Quand on augmente la vitesse de rotation d'une "reaction wheel", le vaisseau entre en rotation dans la direction opposée. Les "reaction wheels" constituent une façon moins consommatrice en carburant de procéder, comparé à l'utilisation des thrusters
Toutes les manoeuvres d'ajustement d'orbite fonctionnent de la même façon: le satellite est orienté dans la direction appropriée à la manoeuvre et l'on détermine l'amplitude et la durée de la poussée
Des manoeuvres efficaces en temps et en économie de carburant ou d'électricité pourrait, dans le futur, aider à des mouvements sur l'orbite plus rapides, ainsi pour les observatoires orbitaux ou les satellites militaires, qui ont besoin de pouvoir se ré-orienter rapidement d'un point à un autre. Jusqu'alors, les ingénieurs de vol faisait suivre au satellite une trajectoire en ligne droite. Les nouvelles procédures sont dérivées du mathématicien suisse du XVIIIème siècle, Bernoulli, qui avait montré que la ligne droite n'est pas le chemin le plus rapide entre deux points mais qu'une bille, par exemple, se déplaçant d'un point à un autre, le faisait plus rapidement si elle suivait une ligne courbe et laissait la gravité l'aider dans son accélération. De telles procédures pourraient aussi devenir communes à l'ISS. Les roues à réaction d'orientation d'un vaisseau sont alors utilisée simultanément, ajoutant de la vitesse à la manoeuvre et le satellite suit alors une sorte de tracé en forme d'étoile à 5 branches. Pour ce qui est des missions qui placent plusieurs satellites en orbite en même temps, ceux-ci, de façon habituelle, soit déployés l'un après l'autre sur leurs orbites. Pour un lancement par une Atlas, par exemple, le dernier étage Centaur se met en rotation, déploie le premier satellite puis arrête sa rotation et pointe de sorte à viser l'orbite du second satellite. Il se place de nouveau en rotation et il libère celui-ci. 149 satellites du gouvernement américain et 275 satellites commerciaux se trouvent sur l'orbite géosynchrone (GEO); aussi la NASA vise-t'elle à disposer d'un robot télé-commandé qui sera capable de réparer et apporter du carburant à un satellite en orbite. Ces techniques sont testées à bord de la Station Spatiale Internationale. Un tel satellite d'entretien, entièrement robotisé et autonome pourrait donc entretenir les satellites, y compris ceux qui n'ont pas été conçus pour cet entretien. Cinq fonctions (dites en anglais, "five "R"" car leur nom, en anglais, commencent par la lettre R) seront disponibles: apport de carburant, repositionnement, surveillance à distance, remplacement de composant, réparation. Un tel concept remet en cause le paradigme actuel selon lequel les satellites doivent être dé-orbités quand ils ont épuisé leur carburant. Ces recherches s'effectuent depuis 2009 sous la responsabilité du Satellite Servicing Capabilities Office ("bureau des possibilités d'entretien des satellites", ou SSCO) du centre Goddard de la NASA
La façon dont la NASA a fait rentrer une mission des sciences de la Terre dans l'atmosphère pendant l'été 2010 est un bon exemple de comment on doit accomplir une telle ré-entrée et de comment une mission en orbite terrestre peut se terminer. La mission ICESat avait été lancée en janvier 2003, devait durer trois ans et collecter des données pendant cinq. Elle était la première mission spécialement conçue pour étudier les régions polaires avec un altimètre laser en orbite. La panne de l'instrument principal, en février 2010, mit un terme à la mission. Avant toute autre décision -puisque le satellite restait dans des conditions satisfaisantes par ailleurs- la direction des opérations scientifiques de la NASA accepta que des tests d'ingénierie soient effectués avec le satellite. Puis, dans la perspective de dé-orbiter définitivement la mission, les contrôleurs, le 23 juin 2010, ont alors mis à feu les thrusters de propulsion d'ICESat aux fins d'abaisser l'orbite. La mise à feu s'est terminée le 14 juillet et le plus bas point de l'orbite avait été abaissé avec succès jusqu'à 200 km (125 miles). Depuis l'orbite s'est abaissée naturellement. ICESat a officiellement été considérée comme un satellite dont la mission était terminée le 14 août. Tout le carburant à bord étant alors épuisé, le freinage atmosphérique s'est poursuivi lentement, continant d'abaisser l'orbite jusqu'à ce que le satellite rentre de lui-même dans l'atmosphère et y brûle. L'essentiel d'ICESat devait donc brûler lors de la ré-entrée et des 1 tonne, au total, du satellite, seulement un petit pourcentage devait atteindre le sol. On pense que des pièces, pesant au total une centaine de kilos (200 livres) devaient survivre à la ré-entrée et que le risque que des personnes soient blessées sur Terre était très faible. ICESat était une mission en orbite polaire. La ré-entrée non contrôlée de satellites depuis l'orbite terrestre peut répandre des débris sur une zone de plus de 800 km (500 miles) ou, dans le cas, par exemple, de la mission scientifique allemande ROSAT, une pièce qui résiste à la chaleur -ainsi le miroir du télescope- peut cause des dommages semblables à la perte d'un moteur par un avion de ligne. Depuis 1991, les agences spatiales des différents pays ont adopté de nouvelles procédures pour ces chutes de satellites (ainsi pour les déchets spatiaux en orbite). Ainsi, aucun satellite de la NASA ne devrait plus ré-entrer de façon incontrôlée pendant les 25 prochaines années. La ré-entrée et l'arrivée du satellite à une altitude de 150 km (90 miles) fait qu'il peut allonger sa trajectoire, changer de comportement voire de direction. L'essentiel des pièces brûle normalement pendant la ré-entrée mais des fragments peuvent atteindre le sol, pour un poids, par exemple, de 1,7 (1,87 tonnes US). Les règles internationales en la matière est que les ré-entrées non-contrôlées doivent avoir moins d'1 chance sur 10000 de blesser quelqu'un au sol. De façon habituelle, le corps principal des satellites se désagrège à 70-80km d'altitude puis ce sont les parties internes qui se dispersent. La NASA, dans le cas de l'ICESat devait suivre le satellite, au cours de sa descente, jusqu'à ses dernières orbites et publier les prévisions les plus à jour pour ce qui est de la chute possible de débris. L'abaissement d'une orbite, d'une façon générale, souvent dépend en grande partie de l'intensité de l'activité solaire. Les satellites de l'orbite géostationnaire peuvent ne pas retomber d'eux-mêmes avant 1000 ans et, d'une façon générale, on peut utiliser, pour les satellites dont la mission est terminée, une orbite parking. Il est difficile de prévoir le temps et l'endroit précis de la ré-entrée d'un satellite du fait de l'instabilité de l'environnement (celui qui cause directement le freinage orbital prématuré): la haute atmosphère et l'ionosphère réagissent fortement même à de petites modifications -de très petits apports d'énergie- dans l'espace proche de la Terre, quel que soit le lieu où ces apports ont lieu. De nombreux facteurs font que les satellites qui connaissent des problèmes adoptent des mouvements imprévisibles avant de ré-entrer dans l'atmosphère de façon incontrôlée. Les règles internationales obligent à ce qu'un minimum de débris soient laissés au risque de se répandre au niveau des orbites les plus utilisées (surtout les orbites basses qui sont les plus utilisées par les missions des sciences de la Terre et certaines catégories de satellites de communications, sans compter les vaisseaux habités et l'ISS). Elles demandent que les satellites de l'orbite basse soient débarassés de leur orbite dans les 25 ans qui suivent leur fin de vie et qu'ils devraient être abaissés jusqu'à une altitude où la friction atmosphérique provoquerait graduellement leur ré-entrée ou, alternativement, remontés jusqu'à des "orbites-cimetières". Concevoir, dès leur conception, les satellites de l'orbite basse pour leur fin de vie, pourrait aussi être une possibilité
Pour ce qui est du retour d'un vaisseau -habité ou non- on pourrait utiliser un système rotor au lieu de parachutes. Cela donnerait de la stabilité et permettrait de contrôler la rentrée jusqu'à l'atterrissage: celui-ci pourrait ainsi se faire n'importe où, sur une piste d'aviation ou le toit d'un immeuble. En d'autres termes, là où pourrait atterrir un hélicoptère, un vaisseau le pourrait aussi. Le concept du rotor pourrait aussi s'appliquer aux éléments des fusées de lancement. La NASA avait déjà envisagé la question au moment du programme Apollo mais avait choisi le système des parachutes (il s'agissait, dans le cadre de l'urgence de la course à la Lune, de trouver rapidement une solution au retour des capsules)
Les manoeuvres des missions interplanétairesLa logique des manoeuvres des missions planétaires peuvent être, au début d'une mission, les mêmes que les manoeuvres de l'orbite terrestre. Le vaisseau est généralement placé sur sa trajectoire planétaire par une dernière mise à feu du moteur du dernier élément du lanceur. A partir de ce moment, le vaisseau spatial va tout simplement effectuer un "vol plané", si l'on peut dire, jusqu'à sa cible. C'est ce que l'on appelle la "phase de croisière". Pendant cette phase de croisière, les ingénieurs de vols de la mission estiment la trajectoire du vaisseau via trois différents types d'information recueillies par les antennes du réseau de la NASA dit le Deep Space Network. Le "ranging", estimation de la distance, consiste à mesurer la distance du vaisseau en chronométrant précisément le temps qu'il faut à un signal radio pour l'atteindre et en revenir (méthode dite, en anglais "two-way method" -"méthode deux voies"). La technique Doppler consiste à mesurer la vitesse relative du vaisseau par rapport à la Terre via le degré de variation du ton du signal radio. Une méthode, plus récente, dite "mesure de distance à un seul sens par différentie delta" (en anglais "delta differential one-way range measurement") ajoute des informations quant à la position de la mission dans les directions perpendiculaires à la ligne de visée. Pour cela, des couples d'antennes, situées sur des continents différents, reçoivent simultanément les signaux du vaisseau puis les mêmes antennes observent les ondes radio provenant d'un point de référence céleste connu (tel un quasar, par exemple) qui sert de point de référence à la navigation. Actuellement, la plupart des missions interplanétaires utilisent, pour la navigation, des antennes au sol et des horloges atomiques. Les antennes envoient des signaux très précisément centrés au vaisseau lequel renvoie le signal. La NASA utilise la différence en termes de temps entre l'envoi du signal et la réponse pour calculer la position, la vitesse et la trajectoire de la mission. Les missions interplanétaires emportent habituellement un moteur principal (dit "main solid rocket motor"), des moteurs-fusées plus petits (avec une poussée de l'ordre de 400 newtons) et des thrusters (qui ont une poussée de 1 à 20 newtons). Les moteurs-fusées peuvent jouer le rôle d'un moteur principal. Les thrusters, eux, sont essentiellement utilisés pour conserver l'attitude du vaisseau pendant les manoeuvres et l'empêcher de "rouler". Les missions planétaires sont également équipés de systèmes gyroscopiques, qui aident aussi au contrôle de l'attitude. A titre d'exemple du comportement d'un vaisseau planétaire en route, on peut prendre celui du rover Curiosity qui, pendant l'hiver 2011-2012, était en route vers Mars; il tournait sur lui-même 2 fois par minute. Cette rotation améliore la stabilité
Pour ce qui concerne les moteurs ionique, ils expulsent un faisceau de particules ionisées pour propulser un vaisseau. Leur action commence par être faible mais, finalement, cela finit par donner des vitesses énormes. En effet, ils produisent une puissance relative à des vitesses d'expulsion plus élevées que les moteurs classiques. Un moteur ionique a donc une efficacité, en termes d'utilisation de carburant embarqué 10 à 12 fois plus élevée que celle d'un moteur chimique. Pour pouvoir progressivement atteindre une vitesse qui permette à une sonde d'atteindre la ceinture des astéroïdes ou au-delà, un moteur ionique doit fonctionner plus que 10000 heures. Début 2013, un moteur ionique a fonctionné plus de 43000 heures, soit l'utilisation de 770 kg de xénon et 30 millions de newtons/s de poussée totale. Un tel test montre que la technologie du moteur ionique permet désormais à des sondes d'accomplir des voyages variés, ainsi un voyage à de multipes astéroïdes ou comètes, ou vers les planètes géantes et leurs satellites. Aussi, les moteurs ioniques constituent un substitut possible à la poussée initiale d'une mission interplanétaire qui, aujourd'hui, est fournie par l'un des étages de la fusée de lancement
Le "International Terrestrial Reference Frame" ("cadre de référence terrestre international", ou ITRF) est utilisé par les satellites en orbite terrestre et il est également une référence fondamentale pour la navigation des missions interplanétaires. L'ITRF se trouve sous l'autorité du International Terrestrial Reference System Product Center du International Earth Rotation and Reference Systems Service, qui se trouve à l'IGN (dont le nom complet est "Institut National de l’Information Géographique et Forestière"), l'institut français. L'ITRF est constitué de positions géographiques spécifiques réparties sur le globe ainsi que des informations concernant leurs éventuelles dérives. L'équipe de la mission, au cours de la trajectoire interplanétaire, va devoir exécuter ce que l'on appelle des "manoeuvres de correction de trajectoire" (en anglais: "Trajectory Correction Maneuvers", TCM). Les TCM sont également obligatoires car la mise à feu du dernier éage du lanceur doit viser un point différent de la trajectoire de la mission de sorte que les éléments de fusée, qui se sont pas traités contre la bio-pollution pour les objets planétaires comme le sont les sondes, ne prennent pas, aussi, la destination de ces derniers. Pour estimer les effets d'une TCM sur une trajectoire, les ingénieurs de vol se basent sur les mesures de télémétrie venant des stations de suivi au sol et sur des modèles qu'ils élaborent au fur et à mesure que la trajectoire s'effectue. Cependant, "naviguer n'est qu'une question de statistiques, de probabilité et d'incertitudes". Comme une mission met à feu quotidiennement certains de ses thrusters pour maintenir ses panneaux solaires orientés vers le Soleil et ses antennes vers la Terre, ces mises à doivent finalement aussi être pris en compte. Certaines missions sont si bien lancées que la trajectoire définie par l'impulsion qui suit le lancement permet de sauter les premières corrections de trajectoire prévues. Ces manoeuvres ont pour but de corriger tout écart entre la trajectoire prévue et la trajectoire réelle de la mission. La trajectoire peut être ajustée en vitesse et/ou en direction. Le vaisseau est généralement orienté dans son cadre de référence tri-dimensionnel et les moteurs-fusées ou les thrusters sont allumés pendant une certaine durée de façon à ce que soit atteinte l'amplitude de changement voulue. Les moteurs concernées peuvent utiliser deux carburants -comme de l'hydrazine et du tétroxyde d'azote- ou un seul. Un changement dans la vitesse du vaisseau est appelée un "delta-V". Elle est généralement de l'ordre de quelques mètres ou de quelques dizaines de mètres/s, ce qui représente une infime fraction de la vitesse du vaisseau. Ce dernier se repositionne ensuite dans son attitude de vol initiale. L'amélioration dans le calcul et la modélisation des trajectoires a été tel, récemment, que les plus récentes missions peuvent souvent se permettre de ne pas exécuter les manoeuvres de correction de trajectoire prévues. C'a été le cas, par exemple, de la mission des Twin Rovers lorsqu'elle faisait route vers Mars. Une TCM, par exemple, début 2011, effectuée par la mission Stardust (prolongée à destination d'une comète), a ajusté la trajectoire et elle a changé la vitesse du vaisseau de 2,6 m/s (2,6 yards/s) alors que la mission voyageait à une vitesse de 39000 km/h (24236 miles/h) et se trouvait encore à 13,5 millions de km (8,37 millions de miles) de sa cible. Le vaisseau a, ainsi, allumé des thrusters pendant 130 secondes et consommé 300g de carburant. Pour ce qui est d'un vaisseau tel Stardust, ses thrusters d'attitude et de translation ont procédé à 500 000 mises à feu en 12 ans. Toute mission planétaire reçoit la quantité de carburant que l'on estime nécessaire à sa mission mais aussi une réserve pour les manoeuvres et autres évènements imprévus. Un changement de trajectoire destiné à modifier à la fois la vitesse de déplacement et l'axe général de celle-ci (vers la droite ou la gauche, par exemple), utilise, d'une part, un changement de vitesse dans la direction de l'axe du déplacement et une modification latérale; la première est généralement réalisée par quelques thrusters pendant un temps assez long (19 mn par exemple pour obtenir un accroissement de vitesse de 5,5 m/s); la seconde l'est par la mise à feu des thrusters chaque fois que la rotation du vaisseau les amène au point de poussée désiré (on peut, par exemple, les mettre à feu 200 fois 5 secondes pendant une période de 2 heures soit un total de 40 minutes de poussée). Un vaisseau spatial tourne habituellement sur lui-même pour des raisons de stabilisation et cela se fait habituellement sur l'axe du déplacement. Toute modification de trajectoire est vérifiée, depuis la Terre via les modifications des données transmises par la sonde ainsi que les changement Doppler des signaux radio. Sur son chemin vers sa cible planétaire, par ailleurs, l'équipe au sol vérifie le statut des instruments (par exemple, en les mettant sous tension, en les calibrant, etc.). On procède ainsi, entre autres actions, à la prise de "darks" pour les capteurs images. La réalisation dans le temps de ces vérifications dépend des missions. Un autre aspect des voyages interplanétaires qu'il convient de mentionner est le fait que les vaisseaux, sur leur trajectoire, sont sujets aux radiations des évènements énergétiques solaires et celles des rayons cosmiques, lesquels sont encore mal connus ainsi que comment le vaisseau réagit à ces effets. Ces tempêtes solaires frappent aussi les vaisseaux en orbite; ainsi, en 2012, l'instrument orienteur et stabilisateur de la mission européenne Venus Express, en orbite autour de Vénus, a été aveuglé par les radiations (cas dans lequel une sonde passe l'épreuve, habituellement, sans trop de dommages). Pour ce qui est de la mesure du temps pour les missions interplanétaires, élément qui est critique pour le moment, par exemple, d'un atterrissage ou d'un fly-by, le temps, actuellement, est calculé par un système d'échange entre le satellite et la Terre: sur la base d'informations transmises, l'équipe au sol calcule le temps puis le re-transmet au vaisseau. On va bientôt tester une technologie embarquée, ce qui améliorera la navigation et la quantité des données transmises par un facteur 2 à 3, la qualité des données jusqu'à 10 fois et les futures missions habitées dans le système solaire demanderont plus de précision que ce que le Deep Space Network peut actuellement fournir. Aussi, entre en jeu la "Deep Space Atomic Clock", ou DSAC, une horloge atomique installée à bord des missions qui pourra calculer ses propres données de temps et de navigation en temps réel ainsi que des atterrissages précis (ce qui réglera la question des problèmes posés lorsque le temps que mettent les signaux pour aller de la Terre au vaisseau ou réciproquement est trop grand pour que l'équipe de la mission puisse réagir dans les temps pour une action donnée. Même encore affectée par la gravité, une horloge atomique aura une précision qui aura été accrue de sorte qu'elle ne variera pas de plus d'1 nano-seconde sur 10 jours. Ces progrès sont dûs aux ingénieurs de la NASA et du Jet Propulsion Laboratory. La NASA, d'une façon générale, a réussi à améliorer de façon remarquable la précision de la trajectoire de ses missions planétaires. Particulièrement, par exemple, pour les missions vers Mars, ce qui permet des ellipses d'atterrissage réduites. Les vaisseaux, maintenant, peuvent également recevoir des mises à jour logicielles au long de leur voyage vers leur cible. En termes de navigation des vaisseaux habités, le sextant -outil de navigation utilisé depuis très longtemps, qui permet de faire des mesures d'angle précise sur terre ou en mer- a été pris en considération par la NASA -et l'est encore pour les missions habitées lointaines. Ce furent les missions Gemini qui firent les premières mesures au sextant depuis un vaisseau spatial et les concepteurs Apollo inclurent un sextant dans les capsules (et Jim Lowell, lors de la; mission Apollo 8, fit la preuve que la navigation au sextant pouvait ramener un véhicule spatial sur Terre). Cette capacité de mesurer les angles entre la Lune -ou les planètes- et les étoiles permettrait aux équipages un moyen de naviguer dans le cas de panne de communications ou des ordinateurs principaux
Une fois à destination, les manoeuvres d'une mission planétaire dépendent de la nature de la mission: celle-ci peut être une mission de passage planétaire ("flyby") -la mission ne fait que passer (un seul passage) près de la planète- une mission orbitale (le vaisseau va s'installer en orbite autour de la planète) ou une mission atmosphérique ou d'atterrissage -le vaisseau va descendre jusqu'à la surface pour collecter des données dans l'atmosphère ou un lander va se poser sur la planète. Dans tous les cas, ces phases de la mission marquent la fin de la phase de croisière. Les équipes de scientifiques et d'ingénieurs de vol d'une mission planétaire commencent généralement de travailler ensemble dans un seul lieu -souvent le JPL- pendant les deux ou trois premiers mois qui suivent, par exemple, un atterrissage. Sur Mars, de plus, les équipes commencent de travailler selon les jours martiens (dit "sols"), qui sont plus longs de 40 minutes que les jours terrestres puis en reviennent à un planning en temps terrestre. Des "passages non-calculés" (en anglais, "non-targeted flybys") sont des passages d'opportunité ne nécessitant pas de manoeuvres spéciales: il se trouve que l'objet céleste se trouve relativement près de la trajectoire d'une mission; de tels passages ont surtout lieu pour les missions qui orbitent au sein des systèmes des géantes gazeuses et de leurs satellites
Pour ce qui est de la fin d'une mission planétaire, diverses possibilités existent. Une façon peut être d'éteindre les transmetteurs radio du vaisseau (de façon que ceux-ci ne puissent pas interférer à l'avenir sur des fréquences de missions actives) puis de laisser la mission partir, pour des siècles, sur une orbite donnée, les caractéristiques de cette orbite étant également déterminée pour éviter toute interférence. Une autre façon de procéder, comme ç'a été le cas pour la mission Galileo, par exemple, est de faire servir la fin de la sonde comme expérience scientifique: Galileo avait été volontairement précipité dans les couches supérieurs de Jupiter et elle avait continué de transmettre des données jusqu'à destruction par la pression atmosphérique. A savoir: les missions dans le système solaire ou les satellites en orbite peuvent être affectées par les essaims de météorites qui s'y déplacent. Ainsi la mission planétaire de la NASA, le Mariner IV, qui a rencontré des météorites entre les orbites de la Terre et de Mars en septembre 1967; 17 coups ont eu lieu en 15 minutes ce qui a causé un changement temporaire de l'attitude du vaisseau (sans perte d'alimentation) et des dommages au bouclier thermique (mais la mission a pu continuer au bout d'une semaine); ou un satellite de télécommunications de l'ESA, Olympus, frappé par une météorite des Perséides (alors qu'on était proche du pic, en août 1993); le satellite a été déstabilisé et, le temps que le contrôle soit rétabli, il avait consommé tout son carburant; ce qui mit fin à la mission
Pour ce qui est des missions d'impact (sur une comète ou un astéroïde), la NASA a élaboré un système automatique de navigation dit, en anglais "AutoNav" -pour "Autonomous Navigation"- dont le système automatique de détermination de l'orbite détectera l'objet et calculera sa position par rapport à la mission. Ce mode décidera aussi des dernières mises à feu moteur, dites "Impactor Targeting Maneuvers" ("manoeuvres de ciblage de l'impacteur", ou ITM) car aucune commande envoyée de la Terre n'arriverait à temps. La dernière ITM aura lieu à 2400km (1500 miles) de l'objet à impacter
Les équipes au sol, pour ce qui est d'ordonner à une mission d'exécuter telle tâche ou telle manoeuvre, envoient à destination du vaisseau -via les réseaux de télécommunications- une série de commandes (en anglais une "commande load") et l'exécution de cette série peut durer quelques jours ou plus longtemps. La série est une suites de lignes de code informatique. La liste des commandes envoyées à une sonde pour accomplir une série d'observations scientifiques est appelé une "séquence". La plupart du temps, les missions planétaires disposent d'un "jumeau" resté au sol qui permet de vérifier leur fonctionnement ou leurs problèmes
Les dommages causés par les radiations, d'une façon générale, ont toujours repréprésenté un défi pour les constructeurs des vaisseaux spatiaux aussi bien en orbite terrestre que pour les missions planétaires. Une expérience menée dans les années 2010 sur deux jumeaux, 93% des gènes de l'astronaute sont revenus à la normale une fois de retour sur Terre alors que les gènes liés au système immunitaire, à la réparation de l'ADN, à la formation osseuse, l'hypoxie (manque d'oxygène des tissus) et l'hypercapnie (C02 dans le sang) pourraient connaître des changements sur le long terme. Un séjour spatial fait également s'allonger les télomères des chromosomes, ces éléments liés au vieillissement lorsqu'ils se raccourcissent. Pour ce qui est des voyages habités de longue durée -par exemple jusqu'à Mars- par ailleurs, on sait maintenant qu'un séjour prolongé dans l'espace fait que les astronautes subissent des changements physiques désagréables tels la perte du tissu osseux et de la masse musculaire, une baisse de la production de cellules rouges, une atrophie cardiaque voire une détérioration de la vue. Les régimes alimentaires et l'exercice physique sont les façons de contrebalancer ces effets. On a également découvert récemment que l'apesanteur empêche le fonctionnement d'un transmetteur des cellules de l'immunité dit, en anglais, le "Rel/NF-?B pathway" ("chemin Rel/NF-kB"), altérant ainsi l'immunité des astronautes. L'instrument Radiation Assessment Detector, ou RAD), qui se trouvait à bord de la mission Curiosity qui a atteint Mars en 2012 a été le premier instrument à mesurer les radiations subies par une mission vers Mars depuis l'intérieur d'un vaisseau qui, en termes de protection, était équivalent à un vaisseau habité. Il a permis de mieux définir les besoins en termes de protection. Les radiations, dans l'espace, sont de plusieurs types; les rayons gamma, rayons x et autres particules chargées, comme les neutrons -des particules provenant du Soleil et de l'extérieur du système solaire interagissant avec d'autres particules ou matière- sont nuisibles aux astronautes. Les radiations sont dangereuses pour les astronautes car elles traversent la peau, déposent de l'énergie et causent des dommages aux cellules et à l'ADN; ces dommages peuvent accroître le risque d'occurrence de maladies plus tard dans la vie ou faire que les astronautes soient malades des radiations pendant une mission. Les rayons galactiques sont émis par des évènements supernova sous la forme de nuages immenses de particules à haute énergie; les radiations piégées, qui spiralent à l'intérieur de la magnétosphère terrestre; les particules énergétiques solaires, qui proviennent des évènements énergétiques du Soleil. Les radiations ultraviolettes, enfin -les moins énergétiques de toutes- qui transfèrent de l'énergie aux atomes et molécules avec lesquels elles interagissent. Toutes ces radiations ont des effets soit immédiats (nausées, fatigue due aux nausées, etc.) soit retardés (cancers, cataractes, etc.) sur les astronautes. L'exposition aux radiations se mesure en unités Sievert (Sv) ou de milliSievert (1 millième de Sv). La NASA a posé comme limite acceptable au long d'une carrière d'astronaute en orbite terrestre basse une augmentation de 3% du risque de cancer mortel. Les écrans des vaisseaux actuels protègent plus efficacement contre les évènements solaires que contre les rayons cosmiques. Un "albédo" de rayons cosmiques galactiques est également réfléchi de la surface lunaire; il provient du fait que les protons pénètrent jusqu'à 1m (1 yard) sous la surface, y bombardant le matériau et créant une vapeur de radiation secondaire et un mélange de particules de haute énergie qui repartent vers l'espace. Pour ce qui est de la puissance électrique des missions, la NASA s'est d'abord tournée vers la technique des panneaux solaires, qui permet d'utiliser la lumière solaire; le Vanguard 1, lancé en 1958, a été la première mission planétaire équipée de panneaux solaires. De nos jours, la technologie solaire ne peut alimenter un satellite que jusqu'à l'orbite de Jupiter. Aussi une nouvelle génération de panneaux est-elle en train d'être étudiée et elle sera plus légère et plus efficace dans la conversion de la lumière; une première étape a été accomplie par la mission Juno (mission de la NASA vers Jupiter) avec des panneaux de plus grande taille, qui peuvent éviter le trop ou l'insuffisance de puissance ainsi que des teintes diverses qui utilisent différentes gammes de lumière. En termes de production d'électricité, la NASA envisage aussi de plus en plus d'équiper ses missions planétaires de générateurs à base de carburant nucléaire; cependant, du fait des circonstances, elle ne dispose que de 35 kg de plutonium 238, lequel est la variété utilisée. Les premiers générateurs nucléaires d'électricité pour les satellites ont commencé d'apparaître à au tournant des années 1960 aussi bien par les Etats-Unis que l'URSS (l'ESA européenne, elle, n'en a jamais utilisé). Les Etats-Unis ont utilisé de tels générateurs pour 27 missions, d'un satellite de navigation pour l'U.S. Navy en 1961 au rover martien Curiosity en 2011. L'isotope choisi est le plutonium 238 car il donne une forte quantité d'électricité par gramme et aussi parce qu'il est plus sû (il n'émet que des particules a, dont on peut relativement facilement se protéger). D'une demi-durée de vie de 87,7 années, le plutonium 238 peut produire de l'électricité pendant des décennies (bien qu'il faiblisse avec le temps). Via un contrat avec le Département américain de l'énergie, la NASA pourra disposer d'une fourniture stable de plutonium, la quantité progressivement produite étaint suffisante pour équiper deux missions tous les 10 ans
Les organismes qui seraient apportés sur des planètes du système solaire par des missions planétaires pourraient les contaminer et rendre difficile de savoir si la vie y existait ou non. Actuellement, les missions d'atterrissage sur des planètes ou des satellites où la vie pourrait exister doivent ne pas dépasser un maximum autorisé en termes de vie microbienne, dit, en anglais "bioburden" ("charge biologique"). On utilise des ultraviolets et des traitements au peroxyde pour nettoyer les vaisseaux
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