Alors que la fenêtre de lancement d'environ 20 jours de la mission Mars 2020 approche rapidement, le train de battage pour la prochaine grande mission sur la planète rouge prend vraiment de l'ampleur. Et pour cause – la mission Mars 2020 est en cours depuis une bonne partie de la décennie, et comme nous l'avons signalé plus tôt cette année, le rover qu'il livre à la surface martienne, depuis surnommé Perseverance, sera parmi les plus complexes de ce type. appareils jamais mis en service.

«Percy» – allez, ce surnom est naturel – est un laboratoire mobile, capable d'explorer la surface martienne à la recherche de preuves que la vie y a jamais trouvé un moyen, et de faire les bases nécessaires si jamais nous y allons nous-mêmes . Le rover à propulsion nucléaire est hérissé d'instruments scientifiques, et en supposant qu'il survit aux «sept minutes de terreur» ainsi qu'à son jumeau fraternel Curiosity en 2012, nous devrions commencer à voir des résultats étonnants revenir.

Aucune mission antérieure sur Mars n'a été mieux équipée pour répondre à la question essentielle: «Sommes-nous seuls?» Mais quelle que soit la capacité de Persévérance, il y a une limite à la quantité de science qui peut être emballée dans quelque chose qui coûte des millions de dollars le kilogramme pour se rendre sur Mars. Et donc la NASA a décidé d'équiper Perseverance de la capacité non seulement de collecter des échantillons géologiques, mais de les emballer et de les déposer à la surface de la planète en attendant une future mission qui les ramassera pour un voyage de retour sur Terre pour une étude plus approfondie. . Il est audacieux et avant-gardiste, et il ne ressemble à rien de ce qui n’a jamais été essayé auparavant. À bien des égards, le système de traitement des échantillons de Perseverance est le rover raison d'être, et c’est le sujet de cette plongée en profondeur.

Trois robots en un

La NASA a fait son travail admirable habituel de communication avec le public au sujet de la mission Mars 2020, et une partie de la sensibilisation comprend cette vidéo récente qui montre un peu de l'ingénierie qui a été intégrée au système de traitement des échantillons. Honnêtement, cependant, pour autant de bonbons pour les yeux technologiques que cette vidéo, cela n'a servi qu'à aiguiser mon appétit. Il se passait tellement de choses que je devais en savoir plus.

Pour avoir un peu de l'histoire de l'intérieur, je me suis tourné vers Kelly Palm, l'une des ingénieurs du JPL vue dans la vidéo ci-dessous. En tant que responsable de l'intégration et des tests pour le système de mise en cache des échantillons (SCS), elle est plutôt occupée ces jours-ci, mais elle a gracieusement répondu à mes questions et m'a aidé à me donner une idée de ce qui a été nécessaire pour construire et tester un équipement aussi complexe.

Tout d'abord, le SCS n'est pas vraiment un mais trois robots séparés, chacun avec un ensemble spécifique de tâches. Le «côté commercial» du SCS est le bras de robot de 2 mètres de long monté à l'avant du véhicule. Comme Curiosité devant lui, le bras porte une tourelle chargée d’instruments scientifiques, de capteurs et de caméras, ainsi que des outils nécessaires pour percer les roches martiennes et prélever des échantillons. Mais contrairement à son prédécesseur, où le foret de roche a été conçu pour abraser les roches et produire une poudre qui pourrait être facilement analysée par des instruments embarqués, le foret Perseverance est spécialisé pour obtenir des échantillons de carottes, adaptés à la fois à l'étude à bord et dans les laboratoires terrestres une fois le les échantillons sont retournés.

La perceuse dans la tourelle du bras du robot est un outil assez polyvalent. À l'aide du carrousel de forets (plus d'informations ci-dessous), la perceuse peut attacher des forets conçus pour différents travaux. La perceuse est capable de fonctionner soit en mode rotatif simple, soit en mode percussif, similaire à un marteau perforateur. Un petit réservoir embarqué d'azote purifié est utilisé pour éliminer en douceur la poussière générée par les opérations de carottage.

Détail du système de rupture et de rétention du noyau. Source: Honeybee Robotics

Le carottage dans la roche à une profondeur limitée à l'aide d'un foret cylindrique soulève une question: comment exactement la carotte est-elle récupérée? Sur Terre, la réponse serait d'utiliser un deuxième outil pour faire levier sur le cylindre de roche laissé après le retrait du trépan. Bien que quelque chose comme ça puisse certainement fonctionner sur Mars aussi, en particulier avec un bras robotique à votre disposition, la NASA a mis au point un système beaucoup plus intelligent.

Selon des tests de conception menés par une société appelée Honeybee Robotics en 2014, libérer le noyau de la roche mère et l'enfermer dans le tube à échantillon dans lequel il vivra jusqu'à sa réouverture dans un laboratoire sur Terre est un processus en une étape. Un tube à échantillon en titane est niché à l'intérieur du foret. Pendant le carottage, l'axe du tube à échantillon et le trépan de carottage sont alignés l'un avec l'autre, de sorte que le tube glisse sur le noyau de roche au fur et à mesure du forage. À la bonne profondeur, le tube à échantillon est tourné légèrement hors de son axe, exerçant une force suffisante sur la base de la carotte pour la rompre de la roche mère. Le noyau est retenu par une lèvre à l'intérieur du trépan de carottage, lui permettant d'être retiré du trou, déjà à l'intérieur du tube échantillon en titane dans lequel il restera jusqu'à la mission de retour de l'échantillon.

Scellé avec un bélier

Le carrousel de bits, qui fait passer les bits et les échantillons de la verticale à l'horizontale avec un seul axe de rotation. Source: Mission Mars 2020 par Ken Farley

Le carrousel de bits est le prochain robot dans le processus de mise en cache de l'échantillon. Assis à l'avant du châssis du rover, le carrousel de bits est extérieurement simple – juste une tourelle rotative qui transporte les bits vers et depuis le stockage dans le ventre de Perseverance. Mais ce qui manque de complexité est plus que compensé par sa conception intelligente. Le corps du carrousel est une roue avec des stations autour du bord. Chaque station est à un angle de 45 ° par rapport à l’axe du rotor, lui-même orienté à 45 ° par rapport à l’axe long du châssis. La combinaison des angles signifie qu'un tube peut passer de la verticale à l'horizontale simplement en faisant tourner le carrousel avec un seul moteur. Il existe de nombreux capteurs et actionneurs qui garantissent que tout est aligné, bien sûr, mais la simplicité de la conception est vraiment quelque chose.

Système d'étanchéité du tube échantillon. Le joint (jaune) tombe dans le tube à échantillon et une virole (grise) est enfoncée dans une tige de guidage pour étendre le joint dans les parois du tube. Source: Redmond, Laura et coll. «Conception d'un mécanisme d'étanchéité robuste pour les tubes d'échantillonnage Mars 2020», J. Spacecraft et Rockets

La capacité de transférer des outils et des échantillons entre les orientations horizontale et verticale est essentielle à la mission de mise en cache des échantillons, car le robot qui s'occupe de tout stocker vit à l'intérieur de la section avant du châssis du rover. Le bras de manipulation d'échantillons, ou SHA, ressemble un peu aux robots SCARA (bras de robot articulé à conformité sélective) qui sont répandus dans les usines de semi-conducteurs. Le SHA est capable d'accéder à plusieurs emplacements à l'intérieur du compartiment de mise en cache des échantillons et de les transférer entre eux et la zone de présentation du carrousel de bits. Pour dégager les instruments et les tubes d'échantillonnage qui occupent la majeure partie de l'espace dans la baie, le SHA dispose d'un axe Z supplémentaire afin que le tout puisse tomber sous le bord inférieur du châssis du rover. En plus de 42 silos de stockage pour les tubes d'échantillons de carottes et de régolithes, le SHA peut atteindre le stockage d'un certain nombre d'outils et d'accessoires, ainsi que des instruments pour effectuer une analyse préliminaire des échantillons, comme l'évaluation du volume et l'imagerie.

Une fois qu'un tube à échantillon est rempli, il doit être hermétiquement scellé pour garantir que le contenu survivra pendant une durée indéterminée sur la surface martienne et résistera aux rigueurs du voyage éventuel de retour sur Terre. Le scellement doit être réalisé sans contaminer l'échantillon, de sorte qu'aucun adhésif ne peut être utilisé et aucune chaleur ne peut être utilisée non plus, de peur que l'échantillon ne soit soumis à des températures extrêmes.

Pour sceller un tube d'échantillon, le SHA l'amène dans l'un des sept distributeurs de scellés. Un bouchon en forme de coupe est déposé dans l'extrémité ouverte du tube par un distributeur. Le tube bouché est ensuite déplacé vers une station d'étanchéité, qui utilise un vérin motorisé pour entraîner une virole conique vers le bas d'une tige de guidage à l'intérieur du bouchon. Lorsque la virole est pressée vers le bas, le rebord du bouchon se dilate, entraînant une dent pointue sur sa circonférence extérieure dans la paroi intérieure du tube d'échantillon. Le résultat final est essentiellement une liaison soudée à froid entre le capuchon et le tube échantillon, scellant hermétiquement le tube et protégeant l'échantillon de la contamination.

Retourner à l'expéditeur

Une fois qu’un échantillon a été scellé dans son sarcophage en titane, il est prêt à être déposé sur la surface martienne. La plupart des profils de mission que j'ai pu trouver se réfèrent à l'utilisation de la «mise en cache de dépôt», où Perseverance revient à plusieurs reprises à un seul endroit à partir de diverses régions d'intérêt pour déposer des tubes d'échantillons. Cela est parfaitement logique; trouver un gros tas de 42 tubes en titane est probablement une tâche beaucoup plus facile pour une future mission de récupération d'échantillons que d'errer à la recherche de tubes individuels déposés là où ils ont été prélevés.

Comme le géocaching, mais sur Mars. La stratégie de mise en cache du dépôt à utiliser au cratère Jezero. Source: NASA

Pourtant, quel que soit le robot envoyé pour nettoyer après que Perseverance ait du pain sur la planche; comme le SHA ne peut pas atteindre la surface, les tubes devront être lâchés, ce qui signifie qu'une pile ordonnée de tubes d'échantillons ne sera probablement pas ce que le robot de récupération trouvera. Tout ce qui suit dans les pistes de Perseverance va avoir besoin de l'agilité pour ramasser et ranger en toute sécurité chaque tube d'échantillon précieux quelle que soit son orientation, éventuellement après l'avoir creusé dans un régolithe soufflé par le vent, et l'intelligence pour tout faire de manière autonome.

Avec un peu de chance, Perseverance sera bientôt en route vers Mars, et à la fois lors de son lancement et lors de son atterrissage en février, nous serons collés à nos sièges en attendant les résultats. Nous suivrons également le développement de la mission de retour, qui pourrait s'avérer encore plus difficile et nécessiter une ingénierie encore plus froide pour réussir.

Images en vedette: NASA / JPL-Caltech

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