vignette|upright=1.5|Premiers tests d'un moteur ionique au caie de recherche Lewis en 1959.
1 est une mission spatiale de l'agence spatiale américaine, la NASA, destinée à tester de nouvelles techniques. Elle est lancée le et s'achève le . Cette petite sonde spatiale de est le premier engin à utiliser un moteur ionique comme propulsion principale. 1 est également la première mission du programme , dont l'objectif est de mettre au point les équipements utilisés par les engins interplanétaires de taille réduite imposée par la nouvelle stratégie d'exploration du système solaire ().
1 accomplit sa mission avec succès, en démontrant en particulier que la propulsion ionique dispose de l'endurance nécessaire pour propulser une mission interplanétaire de longue durée sans perturber le fonctionnement des instruments scientifiques. La sonde spatiale atteint également ses objectifs secondaires en survolant l'astéroïde (9969) Braille et la comète Borrelly tout en collectant des données scientifiques et des photographies de ces corps mineurs.
Contexte
Le programme
1 est la première mission spatiale du programme (NMP) de la NASA. s'inscrit dans la nouvelle stratégie d'exploration du système solaire de la NASA mise en place par son administrateur Daniel Goldin, consistant à développer des missions moins coûteuses que par le passé () mais plus nombreuses. Jusque là, les nouvelles techniques spatiales étaient testées sur les missions opérationnelles en profitant de leurs budgets très importants comme le recours aux mémoires flash durant la mission Cassini. Cette option n'est plus envisageable dans le cadre des nouvelles missions, qui imposent pour limiter les coûts, d'utiliser des techniques parfaitement rodées. Pourtant ces nouvelles missions nécessitent la mise au point de nouvelles techniques spatiales permettant la miniaturisation et la réduction des coûts. Pour gérer ce besoin Charles Elachi, directeur du centre JPL, propose à Goldin, un nouveau programme rassemblant des missions développées dans l'esprit du et consacrées à la qualification de ces nouvelles techniques avant leur déploiement sur des missions plus opérationnelles. Parmi ces techniques figurent notamment la propulsion ionique. La gestion du programme est confiée au centre (JPL) de la NASA. Les objectifs principaux de ces missions sont donc d'abord d'ordre technique, les retombées scientifiques étant un objectif secondaire. En , le Congrès américain donne son accord pour le lancement du programme et en particulier pour le développement d'une mission 1 consacrée principalement à la mise au point de la propulsion ionique.
Recherche sur la propulsion ionique à la NASA vignette|Assemblage de 1 : le revêtement isolant est fixé sur la sonde spatiale en salle blanche peu avant le lancement.
Le développement de la propulsion ionique débute à la NASA dans les années 1950. Le docteur Harold Kaufman du centre de recherche Lewis (établissement de la NASA), construit le premier moteur de ce type en 1959. En 1964, un petit satellite expérimental, Space Electric Rocket Test 1 (SERT-1), est lancé par une fusée Scout. Un des deux moteurs parvient à fonctionner durant . SERT 2 également équipé de deux moteurs ioniques est mis en orbite en 1970 : un des deux moteurs fonctionne durant ( en continu), l'autre durant . Ces premiers moteurs utilisent comme ergols soit du césium soit du mercure. Mais ces deux éléments chimiques présentent des inconvénients et les ingénieurs choisissent pour les moteurs suivants le xénon qui s'avère plus simple à utiliser. Au début des années 1960 le centre de recherche HRL Laboratories situé à Malibu (Californie), filiale du constructeur aérospatial Hughes, travaille également sur la propulsion ionique. Un premier moteur expérimental de ce constructeur est testé à bord du satellite militaire Geophysics Laboratory's Spacecraft Charging at High Altitude lancé en 1979. En , une version opérationnelle est installée à bord du satellite de télécommunications PanAmSat 5 : le moteur ionique est utilisé pour maintenir le satellite sur sa position géostationnaire et contrôler son orientation. Au début des années 1990, le et le centre de recherche Lewis développent ensemble le moteur ionique NSTAR dans l'optique de l'utiliser pour propulser des engins spatiaux interplanétaires. Le centre Lewis fait fonctionner le moteur dans une chambre à vide durant heures. Les tests qui s'achèvent en sont un succès et la NASA décide de développer un moteur ionique opérationnel avec Hughes pour la mission 1.
Conception et construction de 1
La propulsion électrique ( ou SEP) avait été proposée dès les années 1970 pour des missions d'exploration du système solaire de la NASA ne nécessitant pas de manœuvres de freinage brutales (hors de portée de ce type de propulsion) comme le survol de comètes et d'astéroïdes (par exemple mission Halle/Tempel 2 International Comet Mission). Mais, malgré les tests effectués dans le cadre des missions SERT, cette technique était considérée comme immature car les interactions avec les instruments scientifiques étaient mal connues tandis que la conception de missions utilisant ce type de propulsion, soumises à de fortes contraintes, n'était pas maitrisée. 1, première mission du programme , est initialement, dans l'esprit de ses concepteurs, une mission d'exploration d'objets mineurs (comètes, astéroïdes) destinée à tester une forte miniaturisation de tous les composants. L'objectif est que la masse totale au lancement de la sonde spatiale soit inférieure à . Une étude plus poussée démontre que la technologie critique permettant d'alléger une sonde spatiale est la propulsion électrique et 1 devint une mission consacrée à la qualification de cette technique. 1 embarque également un système de navigation autonome expérimental utilisant la position des étoiles pour la correction de sa trajectoire. Les responsables du JPL décident de développer cette nouvelle mission en un temps très court () en se donnant comme objectif un lancement en . Spectrum Astro, une petite société de l'Arizona, est retenue pour la construction de la plateforme.
Objectifs technologiques
L'objectif principal de 1 est de valider douze nouvelles techniques spatiales et plus particulièrement l'utilisation de la propulsion ionique qui n'a, jusque là, jamais été utilisée comme propulsion principale d'une mission interplanétaire.
Moteur ionique NSTAR vignette|Un moteur ionique NSTAR, identique à celui propulsant 1, est testé dans une chambre à vide du .
NSTAR est le premier moteur ionique utilisé dans le cadre d'une mission interplanétaire. Le moteur alimenté électriquement par des panneaux solaires constitue le système de propulsion principal de la sonde spatiale.
Panneaux solaires
SCARLET () : des panneaux solaires expérimentaux utilisant des cellules photovoltaïques de type GaInP2/GaAs/Ge recouverts de lentilles cylindriques ayant pour rôle à la fois de concentrer la lumière et de protéger les cellules. Ce système de lentille permet d'augmenter de 20 % l'énergie produite par les cellules solaires et donc de réduire la masse consacrée à la production d'énergie.
Autonomie de la sonde spatiale
La multiplication des sondes spatiales qui découlent de la stratégie du entraîne un plan de charges plus important pour les antennes géantes du Deep Space Network. 1 teste trois nouvelles technologiques dont l'objectif est de permettre à la sonde spatiale d'être plus autonome et donc de réduire les échanges avec les équipes au sol : Autonav : un système de navigation autonome qui réduit le nombre d'interventions depuis le sol. Il est en mesure de déterminer la position précise de l'engin spatial dans l'espace et, à partir des caractéristiques de la trajectoire planifiée, d'utiliser les moteurs chimiques ou le moteur ionique pour effectuer les corrections de trajectoire nécessaires ; est un système permettant d'informer périodiquement et de manière simple (signal ponctuel suffisamment puissant pour pouvoir être reçu par une antenne parabolique de quelques mètres de diamètre) les équipes sur Terre que l'engin spatial est en bonne santé ; est un programme qui permet à la sonde spatiale de diagnostiquer les anomalies et de les corriger de manière autonome.
Instruments scientifiques
MICAS () comprend deux caméras comportant une optique commune (ouverture de ). Le rayonnement lumineux observé va de l'ultraviolet () au proche infrarouge (1,2 à ) en passant par la lumière visible (longueur focale de ). Les deux caméras réalisent des images en lumière visible : l'une utilise un CCD fournissant des images de qui alimente en images le système de navigation autonome Autonav tandis que l'autre utilise un détecteur CMOS de 256 x 256 pixels. Un spectromètre ultraviolet analyse les longueurs d'onde 80-185 nm avec une résolution spectrale de . Un spectromètre infrarouge analyse la bande spectrale avec une résolution spectrale de . L'instrument, fortement miniaturisé, a une masse totale de . MICAS est utilisé pour étudier la composition chimique, la géomorphologie, la taille, la vitesse de rotation et l'atmosphère des astéroïdes et comètes lors de leur survol par la sonde spatiale. MICAS dérive de l'instrument PICS () développé au milieu des années 1990 pour la mission Pluto Fast Flyby qui fut annulée pour des raisons budgétaires avant son lancement. PEPE () est un spectromètre à ions et électrons utilisé pour mesurer le vent solaire.
Télécommunications vignette|L'émetteur/récepteur radio compact SDST.
SDST () combine dans un ensemble compact et léger () les différents équipements nécessaires aux échanges avec le sol : récepteur radio, détecteur de commande, modulation de télémesures, contrôles Cet équipement fonctionne en émission/réception en bande X et en émission en bande Ka ; un amplificateur de puissance à semi-conducteurs fonctionnant en bande Ka est testé pour la première fois. La bande Ka permet de disposer d'un débit beaucoup plus élevé qu'en bande X sans pour autant augmenter la taille de l'antenne et l'énergie nécessaire. Mais cette fréquence est plus facilement perturbée par les phénomènes météorologiques terrestres.
Micro électronique
tests d'équipements électroniques utilisant une tension plus basse et donc moins gourmands en énergie. traditionnellement les équipements de régulation thermique, les circuits électroniques et les éléments de structures de la sonde spatiale sont conçus séparément et réunis lors de l'assemblage final de l'engin spatial. Cette expérience vise à tester une structure polyvalente combinant de manière compacte toutes ces fonctions. tests d'interrupteurs électriques permettant de mesurer la tension et l'intensité et de limiter le courant distribué.
Objectifs scientifiques vignette|upright=2|Animation montrant la trajectoire suivie par la sonde spatiale (en mauve) et les orbites respectives de la Terre (en bleu foncé), Borrelly (bleu clair) et Braille (vert).
1 est principalement une mission destinée à mettre au point de nouvelles techniques mais des objectifs secondaires scientifiques, adaptés aux caractéristiques techniques de la sonde spatiale, ont également été définis. Il s'agit de survoler des corps mineurs orbitant sur des orbites proches de celle de la Terre. Selon la planification initiale la sonde spatiale doit survoler mi- l'astéroïde (3352) McAuliffe à une vitesse relative de puis en la comète 76P/West-Kohoutek-Ikemura à une vitesse relative de . En la sonde spatiale devait survoler Mars et potentiellement effectuer à cette occasion un survol à faible distance de Phobos, lune de cette planète.