Une sonde planétaire et ses instrumentsPour illustrer ce que peut être une sonde planétaire et ses instruments, prenons comme exemple la mission Stardust. Le vaisseau Stardust a servi de support à une mission de la NASA, lancée début 1999 et qui survola avec succès la comète Wild 2 en janvier 2004. Elle y avait collecté des particules cométaires puis était revenue vers la Terre pour y larguer une capsule d'échantillons, en janvier 2006. La NASA ensuite, dans l'été 2007 avait étendu la mission sous le nom Stardust-NExT, la dirigeant vers un second survol, celui de la comète Tempel 1, laquelle, en février 2011 devait être en train de revenir d'un passage au Soleil. Cette comète, en 2005, avait été l'objet de la mission Deep Impact qui y avait largué un impacteur. Le vaisseau survola avec succès la comète en février 2011
 | une illustration de la sonde Stardust. site 'Amateur Astronomy' sur la base d'une image NASA/JPL-Caltech/LMSS |
En 1999, à son lancement, la sonde Stardust emportait ce qui étaient alors des technologies de pointe qui avaient été éprouvées par d'autres missions de l'époque. Ces technologies se combinaient avec un ensemble de pièces diverses qui formaient la base de beaucoup de missions et aussi avec des pièces ou des instruments de rechange venant de missions spatiales qui avaient précédé la mission Stardust. Le vaisseau se fondait sur une structure rectangulaire dite "SpaceProbe" qui venait de la firme Lockheed Martin Space Systems, de Denver, dans le Colorado. Cette structure mesure 1,7m de haut sur 2,16m de large et 2,16 de long (5,6x2,16x2,16ft) soit la taille moyenne d'un meuble de bureau. Ses panneaux solaires déployés, le vaisseau Stardust avait une forme de H. Pour ce qui du système propulsif, Stardust ne fut conçu que pour recevoir un système de propulsion relativement modeste car sa trajectoire avait été précisément calculée. Elle comprenait trois orbites héliocentriques, des passages à la Terre, à la comète Wild 2 et à un astéroïde ainsi qu'une orbite de retour vers la Terre pour y larguer une capsule. Le vaisseau comportait deux ensembles de thrusters qui utilisent de l'hydrazine comme carburant unique. 8 grands thrusters, chacun d'une poussée de 4,4, servaient aux corrections de trajectoire newton servaient à contrôler les attitudes du vaisseau ou son orientation et 8 thrusters plus petits, d'une poussée de 0,9 newton servaient à contrôler l'attitude du vaisseau et son orientation. Tous les thrusters étaient répartis en 4 groupes. Au lancement, Stardust emportait, au total, 85 kg (187 livres) d'hydrazine
Le système de contrôle de l'attitude est consacré à orienter la sonde dans l'espace. Comme la plupart des vaisseaux d'exploration du système solaire, Stardust est stabilisé sur ses 3 axes et son orientation reste donc fixe dans l'espace (par opposition aux vaisseaux dont la stabilité est assurée par une rotation). Le vaisseau détermine son orientation via une caméra de navigation visant une étoile ou via l'une des deux unités de mesure inertielle (qui consistent, chacune, en 3 gyroscopes à anneau laser et trois accéléromètres). On modifie l'orientation du vaisseau par les thrusters. Les unités de mssures inertielle ne servent que pendant les corrections de trajectoire et pendant que le vaisseau traverse le nuage de particules d'une comète, moments où il peut avoir du mal à repérer les étoiles. Dans les autres cas, le repérage de la position par étoile-guide est suffisante. S'ajoutent aussi aux éléments du système de contrôle de l'attitude deux capteurs solaires, lesquels servent d'unité de secours, n'étant utilisés que si on en a besoin pour augmenter ou remplacer l'information venant des autres éléments
Quasi tous les composants du vaisseau sont en double circuit. Les éléments critiques, de plus, sont interconnectés ("cross-strapped" en anglais) de sorte à pouvoir être facilement engagés ou désengagés. Les batteries sont augmentées d'une paire supplémentaire de cellules. Un logiciel de protection contre les défaillances ("fault protection software") fait que le vaisseau est protégé des défaillances les plus connues sans qu'il soit nécessaire de le placer en mode veille de sécurité s'il ne s'agit que d'erreurs de code imprévues mais bénignes. Les écrans qui protègent Stardust de l'abrasion des particules cométaires ont été baptisés les "écrans Whipple" du nom de l'astronome américain Fred L. Whipple qui, en 1950, énonça le modèle de la "boule de neige sale" comme représentation des noyaux cométaires, des mélanges de matériaux organiques sombres, de grains de roches et de glace. Whipple avait aussi eu l'idée qu'il faudrait protéger les sondes planétaires destinées à explorer les comètes ou les astéroïdes des morceaux et particules diverses éjectés par ces corps célestes. Le système d'écrans en comporte deux à l'avant de l'appareil, qui protègent les panneaux solaires et un autre qui protège le corps principal de la sonde. Chacun des écrans a été construit sur la base de panneaux de composites, lesquels dispersent les particules à l'impact, et augmenté d'un revêtement de céramique qui contribue encore à détourner et disperser les particules. Les écrans Whipple ont été conçus pour protéger Stardust d'impacts de fragments d'une taille pouvant atteindre 1 cm (0,4 inch)
L'ordinateur de bord du vaisseau est le cerveau de celui-ci. Il se trouve dans le sous-système commandes et gestion des données et il fournit une capacité informatique pour tous les autres sous-systèmes. Le coeur en est formé par un processeur de type RAD6000, une version améliorée en termes de protection contre les rayonnements de la puce PowerPC utilisée sur certains modèles d'ordinateurs de la marque Macintosh. Sa vitesse d'horloge peut être réglée sur diverses vitesses: 5, 10 ou 20 MHz. L'ordinateur de bord à une mémoire RAM de 128 mégabits. A la différence de vaisseaux qui l'avaient précédé, Stardust n'avait pas d'enregistreur de bord mais il stockait ses données dans la mémoire RaM pour ensuite les transmettre à la Terre. Les enregistreurs de bord, par contre, sont devenus communs de nos jours. L'ordinateur possédait aussi 3 mégabits de mémoire programmable, qui peut stocker des données même lorque l'ordinateur est éteint. Des 128 Mo de RAM, le vaisseau en utilisait 20% pour ses propres besoins internes et le reste était consacré au stockage des données et pour les programmes informatiques qui contrôlaient les observations scientifiques. La mémoire allouée ainsi, par exemple, comptait 77 megabits pour les images prises par la caméra de navigation, 13 pour les données de l'analyseur de poussière cométaire et interplanétaire et 2 pour celles du surveilleur de flux de particules. Deux panneaux solaires, faits d'un coeur en nid d'abeille d'aluminium avec couches extérieures de fibres de graphite et face en panneaux de polycyanate, se déployaient peu après le lancement, permettant la collecte de l'énergie via 6,6 m2 (7,9 yards carrés) par le biais de leurs batteries solaires au silicium à haute efficacité. Lorsque les panneaux n'étaient pas dirigés vers le Soleil ou pendant les opérations consommatrices de courant électrique, la puissance électrique était assurée par une batterie nickel-hydrogène de 16 ampères/h. Le sous-système chargé du contrôle thermique utilise un système qui permet le contrôle de la température des unités de mesure inertielle ainsi que des amplificateurs de puissance du système télécommunications. Les autres parties du vaisseau sont protégées de la chaleur ou voient leur température contrôlée par des revêtements thermiques et des couches isolantes multi-couches ainsi que par des réchauffeurs
Stardust utilisait un "transponder", un radio-émetteur-récepteur qui avait été conçu à l'origine pour la mission Cassini à Saturne ainsi qu'un amplificateur de fréquence radio de 15 watts. Les taux de transfert des données étaient prévus pour varier de 40 à 33000 bits/seconde. Pendant la croisière, les communications se font essentiellement via l'antenne à moyen-gain du vaisseau. Les communications à proximité de la Terre, après le lancement, sont assurées par trois antennes à bas-gain qui permettent aussi les échanges avec le vaisseau quelle que soit la position, ou presque, de celui-ci. L'antenne à haut-gain, de 60 cm (2 ft) sert essentiellement pour les communications ayant lieu après le survol de la comète. L'antenne à haut-gain se trouve au sommet du corps du vaisseau. Stardust a utilisé l'antenne à haut-gain, par exemple, pour transmettre les images de la comète ou les données recueillies par ses deux instruments scientifiques. La transmission se fait à un taux élevé de façon à minimiser le temps de communications et les risques de perdre des données pendant le temps plus long qui serait requis par l'utilisation de l'antenne à moyen-gain. L'essentiel de la réception des données venant de Stardust se fait par l'intermédiaire des antennes de 34m du Deep Space Network de la NASA. Les antennes de 70m sont également mises à contribution pour certaines des phases critiques des communications, ainsi lorsque Stardust transmet les données scientifiques pendant et après le survol de la comète
Trois ensembles scientifiques se trouvent à bord du vaisseau Stardust: le collecteur de particules ("Dust Collector"), l'analyseur de poussière cométaire et interplanétaire ("Comet and Interstellar Dust Analyzer") et le surveilleur de flux de particules "Dust Flux Monitor"). Peuvent aussi contribuer au travail scientifique de la mission des pièces d'équipement qui ne sont pas spécialement conçues pour cela, ainsi, la caméra de navigation, par exemple, dont les images de la comète servent aussi bien à définir précisément la trajectoire d'approche qu'à des analyses scientifiques
