Magellan est une sonde spatiale interplanétaire américaine lancée en 1989 qui a réalisé la première carte détaillée de la surface de Vénus. Pour parvenir à percer la couche épaisse de nuages qui entoure la planète, la sonde a mis en œuvre un radar à synthèse d'ouverture. Au cours de sa mission, la sonde a également mesuré le champ gravitationnel de la planète.

Le projet Magellan résulte de la résurrection d'un premier projet, baptisé VOIR, arrêté pour des raisons budgétaires. Pour pouvoir développer Magellan, la NASA dut sacrifier tous les instruments autres que le radar et réutiliser de nombreux composants développés dans le cadre d'autres missions. La mission fut une réussite totale et s'acheva le . La sonde porte le nom du navigateur et explorateur portugais Fernand de Magellan.

Contexte L'exploration spatiale de Vénus

La planète Vénus a été avant les explorations spatiales qualifiée de planète sœur de la Terre, avec un diamètre, une masse et une densité similaires, mais cachée par sa couverture nuageuse qui fait pratiquement obstacle à toute observation par des télescopes optiques. À partir de 1962, les sondes américaines puis russes (programme Venera) montrent une planète où la température au sol avoisine les 450 °C dans une atmosphère de gaz carboniqueLe Monde du 11 août 1990.. Les deux sondes russes et l'américaine Pioneer Venus Orbiter, placées en orbite autour de Vénus en 1978 n'ont pu cartographier son relief.

Le projet de sonde VOIR thumb|upright=0.7|La sonde Magellan peu avant son lancement.

Au début des années 1970, deux équipes de la NASA se mettent à étudier une mission de cartographie de Vénus utilisant un radar : l'équipe du Centre de recherche spatiale Ames propose un engin basé sur la sonde Pioneer Venus que le centre est en train de mettre au point tandis que le JPL propose de développer une nouvelle sonde spatiale baptisée VOIR (Venus Orbiting Imaging Radar) dotée d'un radar utilisant soit une antenne parabolique similaire à celles montées sur les sondes Voyager et Pioneer soit une antenne réseau à commande de phase. Pour réduire le coût, le centre Ames propose d'insérer la sonde sur une orbite elliptique nécessitant moins de carburant tandis que la proposition du JPL est de placer la sonde sur une orbite circulaire : la sonde recueille ainsi les données à altitude constante ce qui simplifie le retraitement de celles-ciPaolo Ulivi et all op. cit. .

En 1977, la NASA opte pour le développement du projet VOIR. En parallèle, la NASA développe sa maitrise du radar à synthèse d'ouverture : en 1978, l'agence spatiale lance le satellite d'observation terrestre Seasat qui constitue la première application spatiale civile de cet instrument. Bien que la mission ait été victime d'une défaillance au bout d'une centaine de jours, les résultats obtenus impressionnent la communauté scientifique. Au début des années 1980, les industriels Martin Marietta Aerospace, Hughes Aircraft et Goodyear Aerospace Corporation remettent une proposition pour le développement de VOIR. La NASA inscrit la mission dans son budget 1981 pour un lancement par la navette spatiale américaine La navette spatiale effectue son premier vol en 1981. en 1983 ; cette date est repoussée par la suite à 1986. VOIR doit réutiliser certains composants comme les panneaux solaires fabriqués comme pièces de rechange pour Mariner 10, l'électronique de Voyager, l'altimètre radar de Pioneer Venus et le radar de Seasat. Son radar fonctionne sur la fréquence de plus longue que celle des radars aéroportés pour pouvoir percer la couche particulièrement épaisse des nuages. Outre le radar, VOIR doit embarquer plusieurs instruments. Il est prévu que la circularisation de l'orbite autour de Vénus soit réalisée en utilisant la technique balbutiante et risquée de l'aérofreinage qui permet d'économiser une quantité importante de carburant. En 1981, le président Ronald Reagan arrive au pouvoir et demande immédiatement à la NASA de réduire son budget. L'agence spatiale se voit dans l'obligation d'arrêter un de ses programmes majeurs. Le projet de la sonde VOIR, dont le coût est à l'époque estimé à 680 millions de dollars et dont la date de lancement vient d'être repoussée en 1988, est annuléPaolo Ulivi et all op. cit. .

Résurrection de la mission de cartographie de Vénus Immédiatement après l'annulation de VOIR, les ingénieurs et les scientifiques impliqués élaborent un nouveau projet permettant d'atteindre les mêmes objectifs à un coût compatible avec les impératifs budgétaires du moment. Pour réduire son coût, la nouvelle sonde baptisée Venus Radar Mapper (VRM) n'emporte plus qu'un seul instrument scientifique, le radar. La résolution de celui-ci, de 500-600 mètres, est inférieure à celle prévue pour VOIR. On renonce à l'orbite circulaire : la sonde doit être placée sur une orbite elliptique moins coûteuse en carburant au prix d'un retraitement plus complexe des données car celles-ci seront recueillies à une distance variable de la surface. L'antenne utilisée pour le radar est également celle utilisée pour les télécommunications. Enfin, la plupart des composants de la sonde sont soit des pièces de rechange issues de sondes existantes ou en développement soit des évolutions d'équipements existants. Bien que ne faisant pas partie des programmes d'exploration du système solaire à bas coût mis en place à l'époque par la NASA (Planetary Observer pour les planètes intérieures et Mariner Mark II pour les planètes extérieures), VRM en reprend largement la philosophie. Le coût résultant était estimé à l'époque à 300 millions de dollars soit la moitié de celui du projet VOIR. En 1984, le projet est sélectionné par la NASA : l'agence n'avait plus lancé le développement de nouvelles sondes interplanétaires depuis de nombreuses années. La société Martin Marietta à Denver est retenue pour développer la sonde spatiale tandis que la réalisation du radar est confiée à Hughes Space and Telecommunications. La sonde est rebaptisée en 1985 Magellan en l'honneur du navigateur et explorateur portugais Fernand de Magellan Paolo Ulivi et all op. cit. .

Objectifs scientifiques de la mission Les objectifs de la mission Magellan sont : obtenir une image radar de pratiquement l’ensemble de la surface de Vénus avec l'équivalent d'une résolution optique d'un kilomètre ; réaliser une carte topographique avec une résolution spatiale de et une résolution verticale de ; cartographier le champ de gravité de la planète avec une résolution de et une précision de 2 à 3 milligals (1 gal = ) ; parvenir à une compréhension globale de la structure géologique de la planète y compris la distribution de sa densité et sa dynamique.

Caractéristiques de la sonde spatiale thumb|Schéma 1 : principaux composants de la sonde. thumb|Module de propulsion et étage Star48. thumb|Compartiment d'équipements avant. Magellan est une sonde spatiale de dont pour le moteur chargé d'insérer la sonde en orbite autour de Vénus. Lorsque ses panneaux solaires sont déployés, la sonde forme un ensemble haut de et d'une envergure de . Magellan comprend de haut en bas (cf schéma 1)Paolo Ulivi et all op. cit. Carolynn Young op. cit. Chapter 4 : The Magellan Spacecraft : l'antenne parabolique grand gain de de diamètre est une structure constituée de couches de graphite epoxy sur une âme réalisée en nid d'abeilles d'aluminium. Elle sert à la fois d'antenne radar et d'antenne de télécommunications. Une antenne en forme de corne utilisée pour les mesures altimétriques lui est accolée : il s'agit d'une structure en aluminium longue de et pesant ; le compartiment avant, formant un parallélépipède rectangle de en aluminium usiné chimiquement pour l'alléger, contient l'électronique du radar et des télécommunications ainsi que le système de contrôle d'attitude. La chaleur dégagée par ce compartiment qui consomme électriques est évacuée par des persiennes ; deux panneaux solaires orientables sont rattachés par des axes pivotant à deux des côtés du compartiment avant ; la plateforme de la sonde est une structure en aluminium en forme de prisme droit à 12 côtés d'un diamètre de et d'une épaisseur de . C'est un héritage du programme Voyager. Ses dix compartiments contiennent notamment l'ordinateur de vol, le système de stockage des données, l'électronique contrôlant l'orientation des panneaux solaires et les dispositifs pyrotechniques. Son centre évidé contient le réservoir d'hydrazine alimentant les moteurs de la sonde spatiale ; un ensemble de poutrelles formant une croix supportant à chacune de ses extrémités plusieurs moteurs-fusées destinés à effectuer les manœuvres orbitales et contrôler l'orientation de la sonde spatiale. Au centre de ces poutrelles se trouve un réservoir contenant l'hélium utilisé pour mettre sous pression l'hydrazine injecté dans les moteurs ; l'étage de fusée à propergol solide de chargé d'insérer la sonde spatiale en orbite autour de Vénus.

De nombreux composants de la sonde ont été développés dans le cadre d'autres missions : Voyager (plateforme, antennes), Galileo (ordinateur de bord, distribution électrique), UlyssesThe Magellan Venus Explorer's Guide chapitre 4....

Télécommunications La sonde spatiale Magellan utilise la bande S (émetteur de ) pour envoyer vers la Terre les informations sur son fonctionnement et la bande X (émetteur de ) pour transmettre les données scientifiques recueillies sur Vénus. L'antenne parabolique grand gain, héritée du programme Voyager est utilisée pour transmettre les données collectées à l'aide du radar. Son débit est de 268,8 ou de 115 kilobits par seconde en fonction de la taille de l'antenne réceptrice sur Terre. La largeur du faisceau est de 2,2° en bande S et de 0,6° en bande X. Lorsque l'antenne grand gain ne peut être utilisée (notamment lorsqu'elle est utilisée par le radar et pointée vers la surface de Vénus), la sonde peut avoir recours à une antenne moyen gain fixée sur le compartiment avant ou à une antenne faible gain omnidirectionnelle fixée sur la source de l'antenne grand gain. L'antenne moyen gain de forme conique a une largeur de faisceau de 18 °. Elle est utilisée notamment lors des manœuvres d'insertion en orbite autour de Vénus et durant certaines phases du transit entre la Terre et Vénus. Elle peut être utilisée également dans des situations d'urgence lorsque l'antenne grand gain n'est pas pointée vers la Terre avec suffisamment de précision. L'antenne faible gain omnidirectionnelle a une largeur de faisceau de 180°. Elle est utilisée notamment pour reprendre le contrôle de la sonde spatiale lorsque le système de contrôle d'attitude est défaillant.

Énergie L'énergie est fournie par deux panneaux solaires orientables qui fournissent au niveau de l'orbite de Vénus. Les panneaux solaires de sont repliés sur le corps de la sonde durant le lancement et déployés une fois la sonde dans l'espace. Pour maintenir la température des panneaux solaires en dessous de , 35 % de la surface du côté des cellules solaires et 100 % de la face arrière sont couvertes de miroirs réfléchissants.

Propulsion L'insertion en orbite autour de Vénus est effectuée par un étage de fusée à propergol solide de STAR-48B dont de propergol. Ce moteur d'apogée a été développé pour placer les satellites de télécommunications sur leur orbite géostationnaire. Les manœuvres orbitales et les corrections d'orientation sont prises en charge par plusieurs propulseurs mono propergol utilisant de l'hydrazine placés aux quatre extrémités de la structure en forme de croix située à l'arrière de la sonde. On trouve à chacun des quatre coins deux moteurs-fusées d'une poussée de 445 newtons utilisées pour les corrections de trajectoire ou d'orbite importantes, un moteur-fusée de 22 N. utilisé pour limiter le roulis durant ces manœuvres et une grappe de 3 propulseurs de 0,9 N pour le contrôle de l'orientation.

Contrôle d'attitude