Mars11 - Rovers: arrivée et caractéristiques Avec la mission MER 2003 nous changeons d'échelle. Après Sojourner, voici Spirit et Opportunity équipés de caméras performantes qui jouent le rôle de robots détectives sur le sol martien depuis une année martienne. Avec eux nous avons pour la première fois découvert le paysage de Mars. Pour
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Rouge sang et notoirement déloyal, la planète Mars est terriblement tentante à proximité de la Terre et pourtant très difficile atteindre. Historiquement seulement une mission sur trois a atteint la planète. Pendant des décennies, la faible chance d'explorer Mars avec succès a sévèrement limité notre capacité d'en savoir plus sur notre voisine planétaire. Incroyablement, en 1997 la Nasa a commencé un renversement de tendance remarquable dans l'exploration de la planète rouge quand l'agence a fait atterrir la première sonde sur Mars depuis 22 ans. Non seulement l'atterrissage casse la tendance, mais il a également ouvert la voie d'une nouvelle exploration permettant d'affirmer que c'est simplement la "Planète Rouge" !
Lorsque le géologue
Matt Golombek accepta le défi d'envoyer le robot Pathfinder explorer
Mars en 1994, il "Pathfinder fut une mission dont le but était de tester la méthode "plus rapide à construire, moins cher et mieux" avec un lander compact et un système ingénieux pour amortir son atterrissage. Le lander était emmitouflé dans un airbag, dont c'était la première utilisation par les américains" déclara Golombeck. Avant Pathfinder, les sondes martiennes étaient équipées de rétrofusées complexes pour commander avec précision leur atterrissage. Le nouveau système d'airbag était bien plus simple et plus indulgent, parce qu'il a permis à la sonde de rebondir en douceur et de rouler comme un ballon de plage jusqu'à l'arrêt.
Pour en savoir plus sur la séquence: http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/mpf/edl/edl1.html
C'est à 284 m au-dessus du sol que les airbags sont gonflés (8s avant l'atterrissage). Le lander et le rover sont repliés à l'intérieur bien protégés contre le choc de l'impact. Ensuite, à 100 m, 3 rétrofusées sont mises à feu (poussée 1 tonne pendant 2s) pour réduire la vitesse verticale à 0 et réduire au minimum la vitesse horizontale. A une hauteur de 12 m l'ensemble airbags et lander se détachent tombent en chute libre sur la surface. L'impact s'est fait à 25 m/s sous un angle de 30°. L'ensemble rebondit de 12 m pour retomber 100 m plus loin et ainsi de suite (> 15 bonds) sur un peu plus d'un kilomètre et ce, pendant quelques minutes. Après l'arrêt, il faut attendre plus d'une heure pour que les airbags se dégonflent et se rétractent complètement. Finalement au bout de 3 heures, tout est prêt.
Pour en savoir plus: Airbags et ouverture Ce 4 juillet 1997, replié à l'intérieur des airbags, se trouvaient le lander avec ses pétales articulés en forme de pyramide, qui se sont dépliées au bout de quelques heures, libérant la plate-forme scientifique Pathfinder et le petit véhicule Sojourner. Pathfinder était la station principale équipée de caméras, scanners et équipements de transmissions pour les liaisons avec la Terre et qui servait de relais au micro rover. Côte à côte avec Pathfinder, fixé sur un pétale, il y avait l'intrépide Sojourner. Ne pesant pas plus de 11 kg sur la Terre ou 4 kg sur Mars, Sojourner est arrivé sur Mars avec un seul but. "La fonction primiaire de Sojourner était de démontrer qu'un petit véhicule pouvait opérer sur Mars. Le travail de Sojourner fut de vagabonder et d'étudier quelques roches, la question étant de savoir les limites du petit géologue de 63 cm. Sa vitesse de déplacement était de 1 cm/s. Pathfinder est équipée, entre autre, d'une caméra CCD, installée sur un mât, à 1,5 m de hauteur, permettant de suivre les évolutions de Sojourner et de voir le paysage. Sojourner est équipée lui aussi d'une caméra, à 1 m du sol, permettant une vision grand angle à 180°. L'ensemble permit à la Terre entière de suivre les pérégrinations du robot, en direct sur Internet. Au loin, les 2 collines de quelques dizaines de m de haut, sont distantes de 1 km et furent baptisées, par le JPL: Twin Peaks. Sojourner fact sheet: http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/mpf/fact_sheet.html
Après l'atterrissage, une rampe d' accès de chaque côté permit au robot de descendre. Il y a eu un petit problème, lors de la phase de descente, car l'enveloppe des ballons était repliée partiellement sur la rampe, l' empêchant de descendre. Bien qu'éloignés de 200 millions km, les techniciens ont réussi à télécommander les opérations de descente, malgré les temps de transmissions longs, avec la Terre (10 mn). Sojourner mesure 630 mm de long et 480 mm de large. 6 roues indépendantes, lui permettent de se déplacer quelque soit le terrain, toutefois les obstacles ne devaient pas dépasser les 120 mm de haut. La puissance électrique disponible, assurée par un panneau solaire, était de 10 W, pour une vitesse max de 24 m/h. Sa vitesse de croisière fut de 40 cm/mn.
Pour sélectionner le site d'atterrissage, Golombeck n'a pu se baser que sur des images de mauvaises qualités, prises 20 ans auparavant, à gauche de Viking. Se basant sur les meilleures estimations, il choisit de débarquer dans un "lit de fleuve asséché" où il pensait obtenir des roches intéressantes et obtenir une zone suffisamment grande pour un atterrissage risqué. "Nous avions besoin d'une autoroute" déclara Golombek. Le jeu de Golombek a payé avec un atterrissage sûr et un incroyable engouement sur Terre."Dans un sens, ce fut la première zone d'atterrissage pour une nouvelle génération; Pathfinder a eu la premier page du New-York Times et du Los Angeles Times pendant une semaine" raconta Golombek. L'abondance des roches trouvées par Sojourner ont fait frémir de joie tous les scientifiques. Le site se trouve à l'embouchure (largeur 100 km) de l'ancien lit d'une rivière. Ares Vallis est une vallée de 1500 km de long sur 25 km de large et de quelques centaines de mètres de profondeur. Le lieu fut, il y a plus d'un milliard d'années, inondé. La hauteur de l'eau a semble-t-il, atteint de 10 à 20 m. Pour la première fois, la forme et les types de roches examinées par le rover ressemblaient à celles situées à des millions de km sur Terre. De plus, il y a eu une découverte de quelque chose bien plus significative. "Il y avait des indices d'un passé aqueux" continue Golombek. Le véhicule trouva de petits cailloux ronds ressemblant à un type de roche qui se forme dans l'eau appelé "conglomérat". Golombek et ses collègues commencèrent à se demander si Mars la sèche et sans vie, n'avait pas été une terre humide et fertile. "Cela ouvrit le champ aux géologues martiens" conclut Golombek. Tandis que Pathfinder et le Sojourner creusaient dans la poussière, un nouveau satellite -- Mars Global Surveyor -- était sur le chemin pour étudier Mars depuis le ciel. "Pour Surveyor, l'idée était de mettre la sonde sur une orbite polaire pour étudier systématiquement le temps et la surface" raconte le chef du projet scientifique Arden Albee. Le satellite fut lancé de Floride le 7 novembre 1996. Filant comme un éclair dans l'espace, la sonde avait besoin d'être freinée pour être prise par la gravité martienne. Pour obtenir ce résultat, Albee et son équipe d'ingénieurs et de scientifiques utilisèrent une méthode expérimentale et radicale pour ralentir la course du satellite. "Nous fûmes les pionniers de l'aérofreinage autour de Mars, avec Mars Global Surveyor" dit Albee. L'aérofreinage fut utilisé pour la première fois en 1993 par la sonde Magellan, autour de Vénus. Il permet une économie substantielle de carburant, ce qui profite aux équipements scientifiques.
L'aérofreinage est initialisé après l'insertion en orbite, ce qui place l'engin sur une orbite fortement elliptique. Dans le cas de Mars Global Surveyor, l'orbite elliptique après l'orbite d'insertion, était une orbite de 48 h qui fut réduite à une orbite circulaire de 2 h. Pour que l'aérofreinage fonctionne efficacement, quelques petites impulsions à l'aide de petits propulseurs sont requises pour affiner le périapse. Lors des premières manoeuvres d'aérofreinage de MSG, les paramètres atmosphériques furent sous-estimés. Il s'ensuivit des vibrations qui faillirent devenir catastrophiques. Un panneau fut déformé. La manoeuvre fut mise en sommeil, le temps que les contrôleurs de vol comprennent le phénomène. Depuis, des limites atmosphériques de densité sont placées sur la mission selon les possibilités dynamiques maximales de pression et de la température de la sonde.
La densité critique pour MSG avait été déterminée à 143 kg/km3 (donnée au périapse), laquelle fut utilisée pour la qualification des panneaux solaires, dont la surface est de 17,02 m2. Ainsi, le périapse doit être augmentée si la densité s'accroît au- delà d'une certaine limite. Dès sa mise en orbite, l'engin commence à ralentir à l'aide de ses panneaux solaires, grâce à la forte densité due aux poussières flottant dans une atmosphère aussi ténue que celle située à 30 000 m sur Terre. Durant ses orbites elliptiques de 14 à 2 heures, le passage au périapse (160 km) freine la sonde. Pendant chacune de ses longues boucles elliptiques autour de Mars, la sonde traverse les couches supérieures de l'atmosphère chaque fois qu'elle fait son approche au plus prés de la planète. Le frottement de l'atmosphère sur le vaisseau spatial et ses panneaux solaires, positionnés comme des ailes, lui fait perdre une partie de son élan à chaque approche étroite, connu comme un "passage aérodynamique". Puisque le vaisseau ralentit à chaque passage au périapse, l'orbite se circularise progressivement. L'aérofreinage se produit en 3 phases que les ingénieurs appellent entrée, phase principale et sortie. La phase d'entrée se produit durant les quatre premières des huit orbites suivant l'arrivée. La phase principale commence une fois que le point le plus proche de la sonde à la planète, a été abaissé à environ 100 kilomètres au-dessus de la surface. Comme l'orbite du vaisseau spatial est réduite et circularisée pendant approximativement 273 freinages en 76 jours, le périapse se déplace vers le nord, presque directement vers le pôle nord. De petites rétrofusées mises à feu quand le vaisseau spatial est à son point le plus éloigné de la planète maintiennent le niveau de traînée désiré pour limiter l'échauffement et la pression dynamique. La phase de sortie se produit durant les derniers jours lorsque la période orbitale est la plus courte.
Une fois que MSG fut sur l'orbite visée, il a commencé à l'aide de ses caméras par nous montrer les structures majestueuses de la planète. Dans le ciel martien, Surveyor nous a révélé une planète avec des terrains surprenants. Les pôles sont apparus peu accidentés et couverts de neige carbonique, tandis qu'aux latitudes moyennes furent découverts des volcans peut-être endormis, de grands déserts et des plateaux rocheux. Le plus étonnant fut la découverte de chenaux probablement découpés par l'eau. La sonde a aussi détecté près de l'équateur une parcelle d'oxyde ferreux sur 500 km de large, un produit qui ne se forme qu'en présence de l'eau. Sur une échelle globale, le satellite a déterminé que Mars a de nombreux champs magnétiques. Très tôt dans l'histoire martienne, le magma fondu apparaît avoir filtré à travers la croûte. Le magma montant s'est refroidi dans des poches magmatiques, créant des champs magnétiques d'intensité irrégulière. La forme et l'organisation des champs indiquent également le déplacement des plaques de la planète et les fractures de la croûte pour former rifts et montagnes comme ceux sur Terre.
En 2001, Surveyor fut rejoint par Mars Odyssey. Odyssey fut envoyé pour
analyser la composition de surface et le niveau de radiations. Initialement, les
2 satellites avaient des missions indépendantes. Mais peu de temps après, 2
nouveaux engins eurent besoin de leur coopération: les Mars Exploration Rovers
Opportunity et Spirit. Joy Crisp scientifique au projet Mars Exploration Rover croit que ses géologues robotisés doivent beaucoup au travail de Surveyor et Odyssey. "Ils ont joué un rôle de premier plan sur le choix des sites d'atterrissage. Ils furent la clé de notre succès scientifiquement et pour l'atterrissage" a déclaré Crisp. Les MER, Opportunity et Spirit, sont les directs descendants du couple Pathfinder/Sojourner. Mais cette fois, chaque lander a porté un plus grand rover tout-terrain.
Les rovers de la taille d'une voiturette de golf robotisée et autonome, transportent leur propre matériel scientifique, leur propre alimentation et leur propre équipement de transmissions. Spirit et Opportunity ont atterri en janvier 2004, sur des zones du globe martien à l'opposé l'une de l'autre. Spirit s'est posé à l'intérieur du cratère d'impact Gusev. Un hémisphère plus loin, Opportunity avait pour cible la grande plaine désertique appelée Meridiani Planum. Les deux rovers sont arrivés pour continuer de rechercher les preuves géologiques de la présence de l'eau permanente dans un passé lointain. Opportunity a deviné les premiers signes de l'eau sur un petit affleurement rocheux. "L'eau aurait été présente dans la zone pendant un certain temps car elle s'est déposée sur des roches et plus tard les a infiltrées" a expliqué Crisp. Il s'avéra qu'un gros morceau de roche en place avait, par le passé, baigné dans l'eau.
Crisp
et son équipe ont découvert de petites billes sphériques parsemant la roche en place.
Ils
suspectèrent que ces petites billes étaient pour la plupart susceptibles
d'être une autre forme de concrétions qui se forment quand le fer précipite hors de l'eau qui a
imprégné les roches. Trouvées à côté des concrétions, il y avait de petits
cachettes et crevasses identifiées comme " vides lenticulaires." Peu de temps après, Spirit trouva aussi la preuve d'un passé aquatique de l'autre côté de Mars. Tandis qu'il explorait le cratère Gusev, le rover étudia un bloc rocheux et poussiéreux, sur les flancs du cratère Bonneville, appelé Mazatzal (ci-dessous) qui était faite de couches et de bandes de différents matériaux. Les géologues suspectent que la roche, du basalte, ait été autrefois mouillée par des eaux souterraines et que les fractures seraient des fissures remplies par des minerais portés à l'intérieur par un mince filet d'eau.
Avec la découverte de l'existence d'une eau passée, les deux rovers ont stupéfié des scientifiques et
les observateurs en parvenant à explorer la planète bien plus longtemps que prévu.
" Les prévisions parlaient de 90 jours, mais nous avons été agréablement étonnés qu'ils ont continué à
fonctionner" a dit Crisp. Les 2 rovers ont survécu pour l'instant à plus de
600 jours avec, il faut bien le dire quelques jours de déprime vite oubliés.
Tandis que Opportunity parvenait à éviter l'issue de Spirit, le rover a littéralement
eu ses propres ennuis. Au 446e jour sur le sol martien, Opportunity s'enlisa
du 13 mai au 4 juin 2005.
Environ 2,4 m de long pour 30 cm de haut et une pente de 15° ont prouvé que
c'était trop difficile à grimper pour le rover, dans ce sable si fin.
La dune semblait être faite de grains de sable très fins offrant
ainsi un faible pouvoir de traction aux roues. Ne voulant pas aggraver les
choses et s'enfoncer plus profondément, les ingénieurs ont arrêté la
rotation des roues pour travailler à un plan d'échappement.
Les ingénieurs construisirent un bac à sable et le remplir d'un
mélange de matériaux divers pour simuler le piège à sable dans lequel se
trouvait Opportunity. Ensuite, ils ont reproduit les conditions d'enlisement
avec un rover d'essai, resté sur Terre. Ils ont pu trouver une solution et
sortir le rover de ce pétrin grâce à une marche arrière soigneusement
étudié sur le bac à sable. Depuis, ils ont donné de nouvelles directives
au rover pour progresser avec beaucoup de précautions en testant le
dérapage Exactement
comme les rovers roulant à travers la surface martienne, la marche de
la
NASA à travers la planète énigmatique continue. La sonde Mars
Reconnaissance Observer, lancée en août 2005, va arriver début mars 2006
pour rejoindre MSG et Mars Odyssey en orbite.
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Le coeur de chaque Mars Exploration Rover (MER) c'est le rover. C'est le laboratoire géologique mobile qui a étudié l'emplacement d'atterrissage et le parcours pour examiner les roches choisies afin d'en faire une étude approfondie. Les MER différent de leur prédécesseur (Pathfinder et Sojourner) en de nombreux points. Sojourner mesurait 65 cm de long et pesait 10 kg. Chaque MER mesure 1,66 m de long pour 174 kg. Sojourner a parcouru quelques dizaines de mètres en 12 semaines. Opportunity et Spirit furent programmés pour parcourir une distance 10 fois plus longue en 12 semaines. Or, 1 année martienne plus tard (presque 2 années terrestres), ils fonctionnent toujours. Au sol 686 (8 dec 2005), Spirit a roulé 5 510 mètres et au sol 681 (23 Dec 2005), Opportunity a parcouru 6 502 mètres.Le lander Pathfinder abritait les fonctions de télécommunications, caméras et ordinateur, pas Sojourner. Les MER transportent leurs équipements et sont autonomes des landers. Sur chaque rover, le coeur de la structure est fait d'un matériau composite en nid d'abeilles isolé avec un matériau high-tech, un aérogel. C'est un matériau unique, à la fois extrêmement puissant et léger, composé de 99,8% d'air et qui a mérité son surnom de "fumée solide". La partie centrale, le boîtier électronique thermostaté dont les parois sont couvertes d'une peinture à base d'or pour conserver la chaleur, est complétée d'une surface triangulaire appelée plate-forme d'équipement du rover. Cette plate-forme est équipée de 3 antennes, du mât équipé des caméras (caméras panoramiques, caméras de navigation) et des panneaux solaires. Des panneaux solaires additionnels sont reliés par des charnières aux bords de la plate-forme. Les panneaux solaires étaient repliés à l'intérieur du lander pour le voyage vers Mars et furent déployés après l'atterrissage pour former une aire totale de 1,3 m2 de 3 couches de cellules photovoltaïques. Chaque couche est faite de matériaux différents: phosphore gallium indium, gallium arséniure et germanium. L'ensemble produit 900 W/h par sol (jour martien). Il était prévu qu'au bout de 90 jours, la puissance disponible tombe à 600 W/h en raison de l'accumulation de poussières sur les panneaux et la saison. Mais les ingénieurs avaient oublié un paramètre important: le vent, qui a nettoyé les panneaux permettant de conserver l'énergie sur une durée nettement supérieure. Les panneaux solaires fournissent l'énergie à 2 batteries lithium-ion à l'intérieur du boîtier électronique. Faisant
mieux que les voiturettes de golf, chaque rover est équipé de commandes
sur chacune des 6 roues. Un système de suspension, qui se plie
grâce à ses articulations plutôt qu'en utilisant chaque saut, permet
de rouler sur de gros blocs supérieurs au diamètre des roues de 26 cm.
Le centre de gravité du rover est tel que le centre des masses passe
par le point pivot des suspensions. C'est construit sur le modèle de
notre oreille interne. Cela permet au rover d'accepter des
inclinaisons de 45° dans toutes les directions, sans se retourner, bien
que les calculateurs soient calibrés pour 30° maximum. Indépendamment
du pilotage, les fronts avant et arrière servent à virer. Le rover
possède un logiciel de navigation et des capacités de sécurité
qu'il peut employer chaque jour pour faire sa propre
route vers l'objectif désigné. Il ne faut pas oublier que la distance
impose des temps de transmissions qui peuvent être importants lorsque
la Terre et Mars se trouvent de part et d'autre du Soleil, soit 400
millions de km. Il faut donc que les rovers puissent prendre leur
destinée en main. Ils peuvent se déplacer à raison de 5 cm/s sur
terrain plat et dur, tandis qu'en mode autonome la vitesse moyenne est
réduite à 1 cm/s. Le reste de l'instrumentation scientifique se trouve à l'extrémité du bras articulé qui est replié sous l'avant du rover tandis que le véhicule progresse. Ceci n'est plus valable pour Opportunity qui a rencontré un problème de câblage. Pour résoudre le problème, le bras n'est plus replié, lors du déplacement. Ce bras est équipé d'un imageur servant de microscope permettant des gros plans sur les matériaux étudiés. De plus il est équipé d'un outil d'abrasion de la roche, qui permet un décapage superficiel. Les batteries et les autres composants qui ne supporteraient pas le froid des nuits martiennes sont placés dans le boîtier électronique thermostaté. La nuit, la température descend à - 105°C. Les batteries ont besoin d'une température supérieure à - 20°C lorsqu'elles fournissent l'alimentation et supérieure à 0°C en mode recharge. La chaleur à l'intérieur du boîtier électronique vient d'une combinaison de réchauffeurs électriques, de huit unités de réchauffage à radio-isotope et de la chaleur dégagée par les composants électroniques. Chaque réchauffeur à radio-isotope produit 1 W de chaleur et contient 2,7 g de dioxyde de plutonium de la taille et de la forme d'une gomme à l'extrémité d'un crayon de papier. Chaque granule est enfermée dans une couche protectrice d'un alliage de platine-rhodium et entourée par de multiple couches de composite carbone-graphite, le tout formant un ensemble de la taille et de la forme d'une pile de type C. Le design de ces ensembles a été testé dans les conditions les plus sévéres y compris un accident au lancement. d'autre sondes ont déjà utilisé ces générateurs radio-isotopiques, comme Pathfinder et Sojourner. Le calculateur de chaque rover est bâti autour d'un microprocesseur 32 bits Rad 6000. C'est une version PC durcie aux radiations, qui traite 20 millions d'instructions par seconde. Il y a principalement une RAM de 128 Mb, plus une mémoire flash de 256 Mb, ainsi que d'autres mémoires annexes non volatiles, qui permettent de conserver les informations en l'absence d'alimentation. Le calculateur principal se charge aussi du suivi de la santé du rover. Son logiciel s'assure que tous les systèmes fonctionnent correctement et qu'il peut continuer à communiquer avec les contrôleurs sur Terre. http://marsrovers.jpl.nasa.gov/technology/bb_avionics.html
Tableau ci-dessus: http://www.cs.cmu.edu/~personalrover/PER/downloads/MER%20PER%20Comparison3.xls
Press kit: http://www.ing-steen.se/share/text/tektext/merlandings.pdf Panne de mémoire: http://www.news.cornell.edu/Chronicle/04/1.29.04/Spirit_update.html |
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Fort du succès retentissant en 1997 de la mission Pathfinder, la Nasa était conforté dans son choix de sa politique du plus petit, plus rapide et pas cher. Hélas les 2 échecs cuisants de Mars Polar Lander et de Mars Climate Orbiter ont mis en lumière les défauts de cette politique. Ce qui tua, c'est le "rapide". Cela se traduisit par du travail bâclé, pour livrer dans les délais, des contrôles réduits au minimum, lorsqu'ils étaient effectués ! Une erreur humaine fut très souvent la cause de l'échec. Ces engins plus petits et moins chers, ne possédaient plus de redondance. C'est ainsi que la NASA fut acculée et devait réussir sa mission suivante. La maquette d'un nouveau rover fut construite. C'est ainsi que FIDO (Field Integrated Design Operations) du Jet Propulsion Laboratory de Pasadena vit le jour. Il avait la taille d'un St Bernard et pesait 70 kg. Il mesurait 75 cm de large, 1,05 m de long et 55 cm de haut. Il se déplaçait à 200 m/h en utilisant son propre système de vision. Ses yeux, situés au bout d'un grand mat, permettaient des vues panoramiques. Il était alimenté par panneaux solaires fournissant l'électricité à des batteries. Il avait 2 fois la taille de Sojourner et était capable de se gérer sans l'assistance humaine. Il a fait ses premiers pas dans un terrain imitant le sol martien, le 20 mai 2000. Cette maquette donnant naissance aux 2 MER (Mars Explorer Rover). La Nasa devait réussir pour faire oublier les 2 échecs précédents. Ils furent lancés en 2003 et reçurent leur nom de baptême après le décollage: Spirit et Opportunity. Ci-dessous nous voyons le chemin parcouru entre les 2 générations de rover. Pathfinder et Sojourner furent conçus pour vérifier la faisabilité de techniques nouvelles, notamment l'atterrissage au moyen d'airbags.
Au 686e sol (8 dec 2005) Spirit a parcouru 5510 m et Opportunity, au 681e sol (23 dec 2005) 6 502 m.
Pour voir cette
vision stéréoscopique il suffit de loucher de façon à former une
3e image virtuelle. D'autres images, mais
attention, les vues étant inversées, il vous faudra diverger et non
pas converger : http://mpfwww.jpl.nasa.gov/MPF/mpf/stereo-arc.html
Neuf: 154 cm (caméras sur le mât) |