ExoMars NOMAD: L’instrument NOMAD

NOMAD est composé de trois canaux de mesure: deux canaux opèrent dans l'infrarouge et se fondent sur l’expérience de l’Institut royal d’Aéronomie Spatiale de Belgique (IASB) qui a beaucoup de succès avec son instrument SOIR (Solar Occultation in the InfraRed) présent à bord de la sonde de l'ESA Venus-Express (VEX). Le 3ième canal opère dans le domaine ultraviolet-visible.  

 

 

Le canal d'occultation solaire (SO) de NOMAD est une copie de SOIR/VEX. Le canal Limbe, Nadir et Occultation (LNO) est une version améliorée de SOIR, mieux adaptée aux sources lumineuses de faible intensité.

En effet, il ne mesurera plus seulement en mode d'occultation solaire, mais également en mode nadir, c'est-à-dire en observant directement la lumière du soleil reflétée par la surface et l'atmosphère de la planète. La modification de la conception de SOIR inclut une fente d'entrée plus large, afin d'assurer qu'une quantité suffisante de lumière parvienne jusqu'à l'optique de l'appareil et un nouveau filtre actif plus performant permettant de sélectionner la bande passante de l'instrument (acousto-optical tunable filter).

Le canal UV-vis (UVIS) se base sur l'instrument UVIS qui faisait partie de la charge utile du Lander d'ExoMars et qui avaient été construit par l’Open University au Royaume-Uni. Ce canal mesurera en mode d’occultation solaire tant qu’en mode nadir.

Ci-dessous se trouve une vidéo qui présente la conception de NOMAD :

 

Comme ESA l’avait demandé, trois modèles de l’instrument ont été construits :

1. Structural-Thermal Model (STM): Un modèle représentatif de NOMAD ayant la même taille, masse et le même centre de gravité que l’instrument réel sans l’instrumentation optique. Ce modèle a été installé sur l’engin spatial avant que le modèle de vol réel soit complété de sorte que le satellite puisse déjà être soumis à des tests structuraux et thermaux tout en ayant une charge représentative sans devoir attendre l’instrument réel.
   
   
2. proto-Flight Model (pFM): L’instrument qui sera envoyé vers Mars. Le modèle a été soumis à toute une série de test afin de pouvoir assurer qu’il survivra le voyage vers Mars et qu’il y opérera comme prévu.
   
   
3. Flight Spare Model (FS): Une copie identique du pFM construite en cas de problème. On n’a qu’une occasion de lancement vers Mars tous les deux ans. Alors, s’il y a un problème qui se présente, il faut immédiatement un remplacement. C’était le cas pour NOMAD : on a découvert que le détecteur du canal LNO ne marchait pas bien donc on l’a remplacé par le détecteur du modèle de vol de réserve. Sinon, NOMAD aurait eu probablement été envoyé vers Mars sans un canal LNO opératif !

 

NOMAD STM

NOMAD pFM

NOMAD FS

 

Le développement et la construction de l’instrument NOMAD ont été réalisés par l'entreprise OIP, située à Oudenaarde, en collaboration avec des partenaires expérimentés espagnols, britanniques et italiens. L'électronique central et les microprogrammes ont été conçus par des collègues espagnols qui ont participé aussi aux missions Rosetta, Mars Express et Venus Express, et ont été construits par Thales Alenia Space Belgium (ou ETCA). UVIS a été développé et construit par Lambda-X à Nivelles et son électronique par le Mullard Space Science Laboratory au Royaume-Uni.

L'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique (IASB) a développé en grande partie les canaux SO et LNO, l’électronique et l’équipement de la salle de contrôle sur terre inclus. L’institut a réalisé aussi la coordination des différentes équipes au travers de toute l'Europe et tenait également à jour la documentation de l'ESA. De plus, le personnel de cet institut gèrait les aspects de protection planétaire, nécessaires pour toutes les missions martiennes, et prenait en charge les tests et la performance scientifique.

 

 

NOMAD est composé de trois canaux de mesure : deux canaux (SO et LNO) opèrent dans l'infrarouge et ont été construits sur le modèle de l'instrument SOIR (Solar Occultation in the InfraRed) et le toisième dans le domaine UV-visible (UVIS).

 

NOMAD/SO

Le canal SO est une copie de l’instrument SOIR, couronné de succès, à bord du satellite Venus Express.

Le canal infrarouge en mode occultation solaire fonctionne en observant jusqu'à 6 portions du spectre complet chaque seconde. Ceci permet d'observer différentes molécules cibles qui absorbent à différentes longueurs d'onde, tout en maximisant le rapport signal sur bruit pour chacune de ces portions. Une occultation solaire dure environ 5 minutes ce qui permet d'enregistrer 300 spectres à chaque longueur d'onde et de faire un profil vertical de la composition atmosphérique depuis le sommet de l'atmosphère jusque pratiquement la surface de la planète (en fonction de la quantité de poussière présente).

 

NOMAD/LNO

Le canal LNO est un canal infrarouge aux limbes, nadir et en occultation. C’est une version améliorée de SOIR afin d’en augmenter la sensibilité aux niveaux de lumière plus faibles qui seront observés au nadir sur Mars.

Les modifications concernent un nouvel AOTF permettant à plus de lumière d'entrer dans l'instrument, une fente d'entrée plus grande, une nouvelle électronique pour augmenter la puissance de calcul et un système de refroidissement plus performant pour réduire le niveau de bruit. SOIR utilise un cry-cooler pour refroidir son détecteur et accroître sa sensitivité. Ce système n'est utilisé que 20 minutes par jour sur Vénus, mais pour des observations de type Nadir sur Mars, il devra être utilisé sur de plus longues durées. Il faut donc trouver un système dont la durée de vie est accrue. De plus, toute une partie de l'instrument lui-même sera refroidi afin de réduire le bruit thermique. Cette partie du travail sera réalisée par nos collègues espagnols de Madrid.

Le canal infrarouge en mode nadir peut aussi observer jusqu'à six régions spectrales par mesure mais le temps d'intégration nécessaire pour obtenir suffisamment de signal pour détecter les molécules sous forme de trace pourrait être supérieur à 1 seconde. Les mesures nadir permettent uniquement de déterminer la colonne totale d'un gaz entre l'instrument et la surface réfléchissante, mais permettent par contre de cartographier des variations sur toute la surface de la planète, le long de la trace au sol de l'orbite. De cette façon, il est possible d'observer des différences entre le pôle et l'équateur ou au cours de la mission, ainsi que des différences en fonction des saisons martiennes.

 

NOMAD/UVIS

Le canal supplémentaire UVIS, fourni par nos partenaires britanniques, étendra la plage de longueurs d’onde de l’infrarouge à l’ultra-violet et au visible, permettant à NOMAD d’accéder en série à l’ozone, à l’acide sulfurique et à l’étude des aérosols. Cet instrument ultraléger et très performant avait été sélectionné pour l’atterrisseur démonstrateur mais avait été supprimé en même temps que ce dernier avait été annulé pour être remplacé par une mission à deux rovers en 2018.

UVIS sera adapté pour une mission en orbite et utilisera l’entièreté de sa plage de longueurs d’onde à chaque observation d’1 seconde, couvrant plusieurs molécules intéressantes et fournissant plus d’informations sur les aérosols dans l’atmosphère.