Rencontrez Ingenuity: l'hélicoptère de haute technologie conçu pour voler sur Mars

Lorsque la NASA lancera le rover Perseverance pour son voyage vers Mars cette semaine, il aura un compagnon à côté de lui dans le Cône avant de la fusée Atlas V: un hélicoptère appelé Ingenuity, qui devrait devenir le premier giravion à voler sur un autre planète. Cet hélicoptère miniature expérimental pourrait ouvrir un tout nouveau champ d’exploration de Mars en surveillant la planète depuis les airs.

Mais si vous pensez qu’il est difficile de concevoir un véhicule terrestre capable de manœuvrer autour d’une planète située à des centaines de millions de kilomètres, imaginez essayer concevoir un hélicoptère capable de voler dans une atmosphère si mince qu'il est à peine là, par des températures glaciales, pendant la navigation de manière autonome.

Nous avons discuté avec un ingénieur principal et un scientifique principal du projet Ingenuity au Jet Propulsion Lab de la NASA pour découvrir comment ils ont procédé et à quoi pourrait ressembler l’avenir de l’exploration de Mars.

Un défi sans précédent

Construire un hélicoptère capable de voler sur une autre planète comporte de nombreux défis, le plus urgent étant de savoir comment faire en sorte que quelque chose reste en l'air lorsque l'atmosphère est si mince. L’atmosphère de Mars ne représente qu’environ 1 % de la densité de l’atmosphère terrestre, ce qui équivaut à une altitude de 100 000 pieds. Pour démontrer à quel point cela rend le vol difficile, le record d’altitude pour le vol en hélicoptère sur Terre est d’un peu plus de 40 000 pieds.

Les hélicoptères fonctionnent en déplaçant l'air très rapidement à l'aide de pales rotatives, qui poussent l'air vers le bas et créent une portance. Mais sur Mars, l’air raréfié offre très peu de portance, même lorsqu’il est déplacé avec des pales. Bien que les concepteurs aient été aidés par le fait que la gravité est plus faible sur Mars, à un peu plus d'un tiers de la force de gravité sur Mars. Sur Terre, il restait encore le problème important de fabriquer un vaisseau capable de se maintenir sur lui-même avec seulement une fine atmosphère pour fonctionner. avec.

"La solution à ce problème est une faible masse", a déclaré Josh Ravich, responsable de l'ingénierie mécanique chez Ingenuity, à Digital Trends, "ce qui était le Le défi global le plus difficile de toute la mission, maintenir la masse à un niveau bas. L'hélicoptère entier devait peser moins de 4 livres (1,8 kilogrammes) ce qui a nécessité l'utilisation de matériaux soigneusement sélectionnés, et le châssis principal est très petit, étant un cube de 14 cm (5,5 pouces) en taille.

Et le problème du poids a également limité d’autres aspects du métier: « Nous devons trouver un équilibre entre la manière dont la quantité d'énergie que vous pouvez transporter sous forme de batteries pour faire fonctionner le véhicule et la taille de vos lames », Ravich dit. Les batteries sont nécessaires car l'énergie est collectée à l'aide d'un panneau solaire situé sur le dessus du véhicule, ce qui lui permet de se recharger de manière autonome.

Les pales de l'hélicoptère doivent être grandes – elles ont une envergure d'un peu moins de 1,2 mètre – pour fournir une portance suffisante au véhicule pour voler. Pour fabriquer des pales à la fois suffisamment grandes et légères, l’équipe a utilisé de nouveaux matériaux, notamment des composites similaires à la fibre de carbone. Il y a quatre pales au total, disposées en deux rotors, dont chacun tourne jusqu'à 2 400 tr/min, beaucoup plus rapide que la vitesse d'environ 500 tr/min typique des pales d'hélicoptère sur Terre.

Le problème du froid

Un autre problème qui nécessitait des innovations matérielles était celui de la température de surface, qui peut descendre jusqu'à moins 100 degrés Fahrenheit la nuit. Lorsqu’il fait aussi froid, les systèmes électroniques ne fonctionnent pas de manière fiable et le véhicule doit utiliser une énergie précieuse pour rester au chaud. L’équipe Ingenuity a donc trouvé une solution utilisant de fines couches d’isolation autour des composants électroniques délicats du véhicule.

"Normalement, vous résoudriez ce problème en y mettant beaucoup d'isolant épais, cependant, l'isolation est assez lourde", a déclaré Ravich. « Nous avons donc fini par utiliser une partie de l’atmosphère elle-même, tout comme un canard ou une oie aurait une couche d’isolation sous ses plumes, nous utilisons le gaz de l’atmosphère martienne. Si vous utilisez des couvertures thermiques suffisamment fines, vous pouvez obtenir un peu d’isolation.

Un dernier problème compliqué causé par le froid est la façon dont les matériaux amortisseurs réagissent aux basses températures. "La plupart des hélicoptères sur Terre sont équipés d'amortisseurs physiques élastiques qui soulèvent le poids entrant dans le moyeu central de l'hélicoptère", a-t-il déclaré. Ces amortisseurs absorbent les vibrations considérables provoquées par les pales tournant à très grande vitesse. "Mais ceux-ci ne fonctionnent pas aussi bien aux températures de Mars, nous avons donc dû faire beaucoup de conception pour que cela fonctionne comme un système plus rigide."

Un explorateur autonome

Il n’est pas possible de faire voler l’hélicoptère directement depuis la Terre en raison du décalage de communication de plusieurs minutes entre ici et Mars. Au lieu de cela, Ingenuity sera essentiellement autonome, utilisant ses capteurs pour détecter l’environnement qui l’entoure et se déplaçant en conséquence.

Pour cette tâche, il utilisera des instruments embarqués, notamment une caméra de navigation, un altimètre laser et un ensemble gyroscope accéléromètre appelé unité de mesure inertielle (IMU). Grâce à ces outils, l’engin peut déterminer où il se dirige et à quelle distance il se trouve du sol. Il peut même détecter les dangers pour éviter les obstacles potentiels sur son chemin.

Cela signifie que les techniciens au sol donnent à l'engin un plan de vol, puis Ingenuity peut l'exécuter, comme l'explique Ravich: « La façon dont l'hélicoptère est piloté est que nous saisissez un plan de vol, essentiellement une trajectoire de vol, en disant « faites tourner les pales pendant aussi longtemps, survolez ici, faites demi-tour, survolez ici »… puis Ingenuity effectue cette séquence en lui-même. »

L'hélicoptère doit rester à portée de communication avec le rover, soit environ un kilomètre, et idéalement devrait avoir une ligne de vue directe. Mais au-delà de cela, Ingenuity peut fonctionner de manière indépendante et charger, décoller et atterrir sans aucune assistance du rover. Le plan est que l'hélicoptère relève un défi à la fois, pour voir à quel point il est capable de manœuvrer autour de la planète.

"Nous effectuerons une série de missions de plus en plus complexes", a déclaré Ravich. « Nominalement, la mission comprend un à trois vols, mais elle pourrait aller jusqu'à cinq vols selon la façon dont les choses se déroulent… Chaque vol va être un peu plus complexe. Le premier, nous allons nous lever, planer, atterrir. La seconde pourrait être de se lever, de faire demi-tour, peut-être de bouger un peu, puis de revenir et d'atterrir. Vers la fin, si les choses se passent bien, ils pourraient décider de se lever, de s’envoler par là et de trouver un nouveau point d’atterrissage et de le conserver comme prochaine base d’opérations.

Prouver le concept

Ingenuity n’est pas conçu comme une mission scientifique, elle ne collectera donc pas de données scientifiques – bien que les experts espèrent pouvoir utiliser certaines des données collectées. L’objectif de la mission est de démontrer qu’il est technologiquement possible de faire voler un giravion sur une autre planète et de collecter des données techniques pour aider à concevoir les futurs hélicoptères martiens.

Cela signifie qu’il existe un certain degré de flexibilité dans la façon dont l’engin peut se déplacer, car il n’est pas nécessaire de se déplacer vers un emplacement précis sur la surface. L’engin restera probablement à quelques centaines de mètres du rover Perseverance, afin qu’il puisse se positionner par rapport à cela. "Dans une certaine mesure, je ne pense pas que la précision de notre vol importe peu: l'hélicoptère saura exactement où il pense se trouver", a déclaré Ravich. "À un niveau supérieur, peu importe qu'il se trouve à 10 pieds dans ce sens ou à 10 pieds dans ce sens lorsqu'il atterrit, du moment qu'il atterrit en toute sécurité."

Assistance aérienne

Si le concept Ingenuity fonctionne comme prévu, les hélicoptères pourraient fournir une aide inestimable. assistance aux futures missions du rover, prenant des images de la surface et rendant l'exploration plus rapide et plus précis.

Matt Golombek, un vétéran des missions scientifiques sur Mars, spécialisé dans le choix des sites d'atterrissage sur Mars et qui était le chercheur principal pour la première proposition pour l'hélicoptère sur Mars, a expliqué à Digital Trends comment les hélicoptères pourraient être bénéfiques pour l'exploration future opérations.

Combler le déficit de résolution

L’une des tâches les plus précieuses que pourraient accomplir les futures missions d’hélicoptères serait de prendre des photos haute résolution pour combler ce que l’on appelle le « déficit de résolution » des images de la surface de Mars. Cela fait référence à « la différence entre les images de plus haute résolution que nous avons depuis l’orbite, qui sont d’environ 25 centimètres (environ 10 pouces) par pixel et sont appelées Images HiRISE, par rapport à ce que vous pouvez voir au sol lors des précédentes missions de rover, où notre résolution est plus proche de 3 centimètres par pixel », a déclaré Golombek. "C'est à peu près un ordre de grandeur."

Bien que les images haute définition de la surface de la planète prises à l’aide de l’instrument HiRISE soient incroyablement détaillées étant donné qu’elles sont capturées depuis l’orbite, elles ne sont pas suffisamment détaillés pour montrer les caractéristiques structurelles du terrain comme les affleurements, ou pour identifier les zones d'intérêt scientifique telles que les roches particulières que les rovers peuvent explorer. visite. Les rovers doivent donc explorer la zone dans laquelle ils atterrissent pour trouver des roches ou d’autres éléments scientifiquement intéressants à étudier.

Un hélicoptère pourrait être utilisé comme éclaireur pour les missions de rover, prenant des images plus détaillées que celles possibles depuis l’orbite. Ces images pourraient être utilisées pour identifier les zones présentant un intérêt scientifique particulier, afin que l’équipe puisse envoyer le rover directement vers les cibles les plus précieuses pour la recherche.

Extension des zones de couverture des rovers

Une chose que vous ne réalisez peut-être pas à propos des missions de rover sur Mars est la petite superficie couverte par chaque rover, car ils ont une puissance limitée sur laquelle opérer et chaque mouvement qu'ils effectuent doit être soigneusement planifié. Perseverance, par exemple, parcourra entre 3 et 12 miles (5 et 20 kilomètres) sur sa mission principale. Et le rover le plus éloigné de la planète, Opportunity, a parcouru une distance incroyable de 45 kilomètres au cours de sa durée de vie de 14 ans. Aussi impressionnant que cela puisse paraître pour un rover explorant une planète lointaine, ces distances ne représentent qu’une fraction de la surface totale de Mars.

Un rover peut mettre des semaines pour parcourir un kilomètre, par exemple. Alors qu’Ingenuity pourrait parcourir jusqu’à un kilomètre en seulement 90 secondes, même si l’équipe ne prévoit pas de faire fonctionner l’hélicoptère à des vitesses aussi rapides lors de sa première mission. Mais les futurs hélicoptères pourraient explorer une zone beaucoup plus vaste de la planète, et les images qu’ils captureraient seraient inestimables pour replacer les découvertes du rover dans un contexte plus large. De telles images aideraient les scientifiques à comprendre la géologie globale de la planète et leur indiqueraient si les zones étudiées par le rover sont représentatives de l'environnement martien dans son ensemble.

L’hélicoptère pourrait également contribuer à étendre la zone d’investigation en réduisant considérablement le temps nécessaire aux rovers pour naviguer autour de la surface. Actuellement, les itinéraires de conduite des rovers sont déterminés à l'aide des images de la plus haute résolution disponible, mais ces images ne montrent pas toujours des obstacles ou des dangers, ce qui oblige les conducteurs à naviguer lentement et soigneusement.

"En règle générale, la distance maximale parcourue par les rovers par jour est de 60 à 100 mètres", a déclaré Golombek. "Mais si vous disposiez de ces informations haute résolution, cela vous indiquerait précisément où se trouve le chemin de sécurité. les chemins étaient, vous pouviez doubler ou tripler ce chiffre facilement et ainsi arriver à votre destination beaucoup plus rapidement.

Trouver un point d'atterrissage

Cependant, avant qu’un rover puisse explorer, il doit atterrir. Et le processus de sélection d’un site d’atterrissage pourrait également bénéficier d’un soutien aérien.

"La sélection du site d'atterrissage consiste à caractériser la sécurité de la surface pour atterrir avec le vaisseau spatial que vous avez conçu et construit - les atterrisseurs n'aiment pas avoir de gros rochers en dessous qui pourraient les empaler ou les renverser, les pentes raides ne sont généralement pas une bonne chose, et les zones très floues dans lesquelles vous pourriez vous enfoncer sont de mauvais choix – il existe donc toute une suite de ce que nous appelons des contraintes d’ingénierie », » dit Golombek.

Ces contraintes techniques sont également compliquées par la mince atmosphère de Mars, car cela rend plus difficile pour les véhicules de ralentir eux-mêmes à l’aide de parachutes lorsqu’ils atterrissent. L’équipe doit donc également prendre en compte l’élévation du site d’atterrissage, pour garantir que le véhicule puisse y atterrir en toute sécurité.

« Et puis vous avez des objectifs scientifiques, qui sont basés sur la charge utile que vous transportez et sur la objectifs scientifiques de la mission – les choses que vous voulez apprendre et découvrir sur Mars », a-t-il déclaré. sur. "Et vous devez peser tous ces éléments ensemble pour trouver un endroit [to land] qui soit à la fois sûr et scientifiquement intéressant pour cette mission particulière."

Les personnes qui sélectionnent les sites d'atterrissage, comme Golombek, s'appuient en grande partie sur des images prises depuis l'orbite pour déterminer quels sites répondront à ces critères. Et le moindre écart par rapport à ce qui est attendu peut causer des problèmes, comme ceux rencontrés par l’atterrisseur InSight qui a atterri sur Mars en 2018. L’équipe InSight a réussi à trouver un emplacement suffisamment plat et exempt de roches, et ses prédictions sur les matériaux qui composent la surface étaient tout à fait exactes. Cependant, le sol sous la surface de l'atterrisseur s'est avéré légèrement différent de celui prévu, ayant été compacté en un matériau plus résistant appelé duracrust. Et cela a posé de nombreux problèmes en essayant de enterrer la sonde thermique de l'atterrisseur sous la surface.

"Il y a toujours une ambiguïté dans les données orbitales que vous utilisez pour déduire ce qui se trouve réellement à la surface", a déclaré Golombek. "En général, pour la sélection du site d'atterrissage, nous avons très bien mesuré et caractérisé les contraintes techniques - la roche l'abondance et les pentes, etc. - principalement parce que les images HiRISE ont une résolution suffisamment élevée pour voir de gros rochers et mesurer pentes. Mais nous avons été un peu moins précis dans la compréhension de ce que j’appellerais le contexte géologique. Autrement dit, comment cette zone est née, quelles ont été les principales forces géologiques qui l’ont façonnée. Cela a été plus difficile.

Comme les images obtenues depuis l’orbite ont une résolution limitée, il est difficile de voir le type de détails qui sont nécessaires pour identifier le plus précisément possible les cibles d'intérêt scientifique, telles que des sédiments rochers. Disposer d'images de résolution beaucoup plus élevée, comme celles qui pourraient être capturées par un hélicoptère, serait inestimable choisir des sites d'atterrissage qui soient à la fois sûrs pour les véhicules et maximisant les chances de réaliser d'importants résultats scientifiques résultats.

Les hélicoptères pourraient même transporter différents types d'instruments, tels qu'un radar pénétrant dans le sol, qui pourraient informer directement les scientifiques de ce qui se cache sous la surface martienne.

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À la recherche de la vie d'en haut

Les hélicoptères pourraient cependant être utilisés pour plus que le simple soutien d’autres missions. Une telle machine pourrait potentiellement être équipée de tout type de caméra, telle que des instruments radar, infrarouges ou d’imagerie thermique, capables de révéler la composition et la minéralogie du sol martien.

Ceci est important car ces outils peuvent identifier certains minéraux, comme l’argile, qui se forment en présence d’eau. Les zones à forte densité de ces minéraux argileux sont des cibles clés pour la recherche visant à déterminer s'il y a c'était peut-être autrefois la vie sur Mars.

Certaines des cibles les plus intéressantes à étudier pour les scientifiques sont les escarpements ou les falaises abruptes formées par l’érosion, car elles révèlent les couches de roches qui se sont déposées au fil du temps. Regarder ces couches, c’est comme regarder en arrière dans l’histoire martienne. Cependant, comme elles sont escarpées et rocheuses, ces zones sont difficiles à explorer pour les rovers et ils doivent procéder avec beaucoup de prudence. Le rover Opportunity, par exemple, a passé une année entière à contourner prudemment le bord de l'un de ces escarpements. pour l'imager, alors que « ce genre d'images aurait pu être acquise en quelques jours par un hélicoptère », Golombek dit.

Lorsqu’on lui a demandé s’il y avait un endroit particulier sur Mars qu’il aimerait personnellement explorer avec des hélicoptères, Golombek a ri. "Il y en a des centaines, des milliers!" il a dit. « La surface de Mars est similaire à la surface exposée au-dessus de l’eau de la Terre. Pensez aux différences entre le Grand Canyon et l'Himalaya, entre les zones côtières et les intérieurs. Il y a tellement d’endroits différents qui pourraient vous raconter des choses intéressantes.

Outils de la boîte à outils martienne

Les deux experts ont convenu que l’avenir de l’exploration de Mars ne dépendait ni des hélicoptères ni des rovers, mais plutôt de l’utilisation des deux selon les besoins pour différentes tâches.

"Je suis un ingénieur dans l'âme, donc pour moi, ce sont tous des outils dans la boîte à outils", a déclaré Ravich. « Pour les corps atmosphériques comme Mars, il y aura de fortes raisons de penser qu’un véhicule aérien est la réponse à tout ce que vous voulez faire. Si vous voulez descendre dans un grand trou comme un canyon, ou si vous voulez gravir une montagne, ce sera la meilleure réponse. Mais il y a toujours une limite à ce que nous pouvons transporter – c’est pourquoi les oiseaux sont si légers, contrairement aux éléphants – donc vous serez toujours en mesure de faire plus de science et de transporter plus avec un véhicule [sol].

La nécessité de disposer de plusieurs types de véhicules devient encore plus évidente lorsque les humains entrent en scène, lors de la planification de futures missions habitées vers Mars. "Nous aurons probablement besoin des deux aussi", a déclaré Ravich. "Si vous regardez les gens aujourd'hui, nous interagissons avec des véhicules terrestres et aériens, et je ne vois pas cela changer."

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