Hayabusa (はやぶさ, « faucon pèlerin » en japonais), ou MUSES-C pour Mu Space Engineering Spacecraft C, est une sonde spatiale de l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA), ayant pour objectif l'étude du petit astéroïde Itokawa et la validation de plusieurs techniques d'exploration robotique innovantes. Pour sa mission, la sonde, qui pèse 510 kg, embarque plusieurs instruments scientifiques ainsi qu'un atterrisseur de petite taille pesant 600 grammes. L'objectif le plus ambitieux du projet est le retour sur Terre d'un échantillon de quelques grammes prélevés sur le sol de l'astéroïde.
Lancée en 2003, la sonde atteint Itokawa en 2005 et étudie ses caractéristiques à l'aide des instruments embarqués. Plusieurs tentatives d'atterrissage, dont deux sont menées jusqu'au bout, ne parviennent pas à prélever un échantillon : la manœuvre, menée de manière autonome par la sonde, est rendue difficile par la très faible gravité d'Itokawa. Un peu de poussière a malgré tout été collectée. La sonde prend le chemin du retour vers la Terre pour ramener la capsule contenant d'éventuels échantillons. Plusieurs incidents de fonctionnement, qui affectent notamment sa propulsion, diffèrent la date d'arrivée initialement prévue en 2007. La capsule contenant les échantillons s'est détachée de la sonde à faible distance de la Terre le 13 juin 2010 avant de réaliser une rentrée atmosphérique et d'atterrir sur le sol australien comme prévu.
À la suite des sondes spatiales américaines l'ayant expérimenté auparavant, Hayabusa confirme la capacité des moteurs ioniques à assurer la propulsion principale d'engins chargés de missions d'exploration du système solaire. Malgré leur poussée très modeste (moins d'un gramme), ces moteurs ont accéléré la sonde de plus de 3,5 km/s en consommant 50 kg de combustible. Les équipes de l'agence spatiale japonaise ont démontré leur savoir-faire en parvenant à ramener à bon port un engin privé à la fois des deux tiers de son système de contrôle d'attitude, de sa propulsion chimique et d'une partie de sa propulsion principale. Quelque 1500 particules de très petite taille (<10 micromètres) collectées sur le sol de l'astéroïde sont en cours d'analyse. Hayabusa a également contribué à améliorer de manière significative la connaissance des astéroïdes grâce aux mesures effectuées à l'aide de ses instruments scientifiques et aux photos à haute résolution prises sur place.
Les objectifs de la mission Hayabusa
La sonde spatiale Hayabusa poursuit à la fois des objectifs scientifiques de grande valeur et contribue à valider l'utilisation de technologies qui seront utilisées pour les futures missions de sondes spatiales dans le système solaire notamment dans le domaine de l'approche des corps à faible gravité.
Hayabusa est officiellement un démonstrateur technologique qui doit mettre au point des techniques permettant l'exploration d'objets célestes mineurs par des sondes spatiales. Cinq technologies clés sont mises en œuvre par Hayabusa :
le recours aux moteurs ioniques en tant que système de propulsion principal ;
le système de navigation et de guidage autonome utilisant des systèmes de mesure optique. Compte tenu de l'éloignement de l'astéroïde durant les tentatives d'atterrissage, il s'écoule 40 minutes entre deux échanges avec la Terre. La sonde doit donc être en grande partie autonome pour mener à bien l'atterrissage de précision et la récupération de l'échantillon ;
le système de collecte d'échantillon développé pour les environnements en microgravité ;
la rentrée directe depuis une orbite interplanétaire de la capsule contenant les échantillons ;
la combinaison des propulseurs à faible poussée et de l'assistance gravitationnelle utilisée pour les modifications d'orbite.
Le volet scientifique de la mission de Hayabusa porte sur l'étude de l'astéroïde Itokawa, baptisé en l'honneur du fondateur de l'astronautique japonaise Hideo Itokawa. Ce géocroiseur de petite taille (550 × 180 mètres), découvert en 1998 dans le cadre du projet LINEAR, décrit une trajectoire qui à son apogée se situe légèrement à l'extérieur de l'orbite martienne (1,695 Unité astronomique) et à son périgée légèrement à l'intérieur de l'orbite terrestre (0,953 UA). La sonde a pour mission d'obtenir des informations sur ce type d'astéroïde de type S d'une taille inférieure au kilomètre. La sonde doit mener une étude géologique et géomorphologique : analyse de la forme de l'astéroïde, de son axe de rotation, relevé topographique, mesure de sa densité. Enfin, sa composition sera déterminée notamment grâce à un spectromètre fonctionnant dans le proche infrarouge et un spectromètre de fluorescence X ainsi que par la mesure de l'intensité lumineuse et de la polarisation de la lumière réfléchie par la surface. Mais l'objectif le plus ambitieux de cette mission consiste à ramener un échantillon du sol de l'astéroïde.
Les météorites, qui sont souvent des fragments d'astéroïdes tombés sur Terre, fournissent des résultats difficiles à interpréter sur la composition de ces petits corps célestes ; des différences significatives apparaissent par rapport aux observations d'astéroïdes effectuées à l'aide de télescopes situés sur Terre. Des sondes spatiales comme Galileo et NEAR Shoemaker, cette dernière s'étant posée sur l'astéroïde (433) Éros en 2001, ont permis d'expliquer une partie de ces écarts. Mais un échantillon prélevé sur place permettrait de confirmer les théories élaborées. Un retour d'échantillon apporte beaucoup plus d'informations qu'une analyse faite sur place par une sonde, car les équipements disponibles sur Terre sont beaucoup plus puissants que le laboratoire mobile qu'un engin spatial est en mesure d'emporter. La connaissance de la composition des astéroïdes et de leur mode de formation doit contribuer à la compréhension du mode de formation du système solaire. Hayabusa, du fait de sa petite taille et de la modicité du budget de la mission, emporte une instrumentation scientifique réduite (4 instruments) si on la compare à la sonde européenne Rosetta dont les 21 instruments représentent à eux seuls une masse de 180 kg. La sonde japonaise a néanmoins la capacité d'effectuer des investigations poussées.
Les caractéristiques techniques de Hayabusa
La sonde Hayabusa a la forme d'un parallélépipède rectangle long et large de 1,5 mètre et haut de 1,05 mètre. La sonde japonaise, qui pèse au lancement 510 kg, emporte 50 kg de carburant utilisé par des moteurs chimiques et 65 kg de xénon utilisé par des moteurs ioniques. La sonde est stabilisée sur 3 axes. Deux panneaux solaires (SCP), constitués de cellules solaires en arséniure de gallium et d'une superficie totale de 12 m2, se déploient de chaque côté de la sonde et fournissent 2,6 kW lorsque la sonde se trouve à une unité astronomique du Soleil ; l'électricité produite, primordiale pour la propulsion ionique, est stockée dans des batteries rechargeables de type lithium-ion (Li-ion) d'une capacité de 15 ampères-heures. Une antenne parabolique à haut gain (HGA) de 1,5 mètre de diamètre occupe une des faces du satellite. Elle assure les communications en bande X avec la Terre : la puissance atteint 20 W et le débit 8 ko/s ; elle est assistée par deux autres antennes à faible gain fixées sur d'autres faces de l'engin et fonctionnant en bande X. Les panneaux solaires, comme les antennes, sont fixes. Sur la face opposée à l'antenne principale, un cornet long d'un mètre et comportant à sa partie inférieure une ouverture de 40 centimètres de diamètre doit permettre la récupération des échantillons du sol de l'astéroïde.
Hayabusa est dotée de deux systèmes de propulsion :
pour les manœuvres orbitales ou de changement d'orientation qui nécessitent d'être exécutées rapidement, la sonde est dotée de 12 petits moteurs-fusées chimiques (RCS) fournissant individuellement 22 N de poussée (2,2 kg). Les moteurs-fusées utilisent du peroxyde d'azote et de l'hydrazine qui constituent des ergols hypergoliques habituels pour des missions de longue durée. Les tuyères sont réparties sur les angles du parallélépipède pour pouvoir réaliser avec efficacité tous les types de correction. L'impulsion spécifique est de 290 secondes ;