La nouvelle était récemment en effervescence avec des histoires sur la façon dont la mission Mars 2020, qui a été lancée à partir de Cap Canaveral à la fin du mois de juillet, avait fait quelque chose qu'aucun autre vaisseau spatial n'avait fait auparavant: elle avait chargé avec succès les batteries à bord d'un minuscule hélicoptère qui attelait un rouler dans le ventre du rover Mars 2020, Perseverance.

Bien que l'hélicoptère, bien nommé Ingenuity, ne soit qu'un démonstrateur de technologie et que les opérations aériennes n'occuperont qu'une petite fraction du temps que Mars 2020 consacre à ses missions scientifiques, il a toujours captivé l'imagination populaire. Ce sera la première tentative de l’humanité pour un vol contrôlé et propulsé sur une autre planète, après tout, et cela seul suffit à susciter un intérêt intense pour ce qui équivaut à un projet parallèle pour la NASA. Voici donc un aperçu de l'ingéniosité et de ce qu'il faut pour construire un hélicoptère qui explorera un autre monde.

Conçu pour Mars

Malgré la couverture médiatique de la manière dont la NASA envoie un drone sur Mars, il n'y a pratiquement aucune ressemblance entre Ingenuity et n'importe quel multicopter terrestre conventionnel. Il s'avère que lorsque vous concevez un hélicoptère pour qu'il opère dans un endroit où l'air est aussi mince qu'il l'est à 115000 pieds (35 km) sur Terre et avec un tiers de sa force gravitationnelle, vous vous retrouvez avec une machine unique et inhabituelle.

Vue d’artiste de l’ingéniosité après le déploiement. Source: NASA / JPL

La différence la plus frappante entre Ingenuity et un multicopter plus traditionnel est le choix d'en faire une conception à double rotor. Il n'y aurait eu aucun moyen d'aller avec une conception de quadcopter, principalement en raison de la taille des rotors mais aussi parce que cela aurait considérablement compliqué l'arrimage de l'hélicoptère.

Selon un article publié par les ingénieurs qui ont conçu Ingenuity, la NASA s'inquiétait également du phénomène de battement des pales, causé par la flexion des pales du rotor au-dessus et au-dessous du plan de rotation. Sans l'atmosphère épaisse de la Terre pour amortir le battement des pales, une conception de rotor traditionnelle se déchirerait probablement sur Mars. Ainsi, les lames d'Ingenuity ont été conçues pour être extrêmement rigides tout en étant minces, légères et très larges sur le pied de la lame, pour fournir la portance supplémentaire nécessaire dans l'atmosphère martienne mince. Les pales sont construites à partir d'un composite de peaux en fibre de carbone sur un noyau en mousse moulée, et chacun des deux rotors coaxiaux mesure un peu plus de 1,2 mètre de diamètre.

Une autre manière dont l'ingéniosité diffère des multicoptères terrestres réside dans les systèmes de contrôle de vol. Là où la plupart des quads ne disposent que de pales de rotor à pas fixe et utilisent une vitesse de moteur différentielle pour contrôler le tangage, le lacet et le roulis, Ingenuity utilise une paire de plateaux cycliques pour contrôler le pas collectif et cyclique de chaque rotor. Chaque plateau cyclique en titane est contrôlé par un trio de minuscules servos ancrés au mât du rotor et est connecté au rotor à l'aide de bielles usinées à partir de plastique polyétheréthercétone (PEEK).

Sans surprise, les moteurs d'Ingenuity sont également assez spéciaux. Comme la plupart des multicoptères terrestres, les deux moteurs d'Ingenuity sont de conception CC sans balais, mais les similitudes s'arrêtent là. Le stator à 46 pôles a été enroulé à la main à l'aide d'un fil de cuivre de section transversale rectangulaire, pour permettre une meilleure garniture que ce qui serait possible avec un fil de cuivre rond. Le nombre élevé de bobines et les matériaux légers exotiques utilisés pour le boîtier rendent les moteurs très efficaces, très légers et très compacts. Ils sont également difficiles à repérer sur la photo ci-dessous; l'un sort à peine entre le rotor supérieur et le panneau solaire, tandis que l'autre est niché entre le rotor inférieur et le plateau cyclique du rotor supérieur.

Détail des plateaux cycliques et des moyeux de rotor d'Ingenuity. Notez que les liaisons PEEK des servos aux plateaux cycliques ne semblent pas encore être installées. Source: NASA / JPL

Déploiement

Conçu pour le vol, l'ingéniosité est tout aussi maigre et peu maniable que tous les autres hélicoptères. Trouver un moyen de ranger un hélicoptère dans un colis compact et livrable est une tâche complexe, et encore plus lorsqu'il doit survivre à un lancement de fusée, à un voyage interplanétaire de six mois et à un atterrissage autonome à haute énergie sur Mars.

Ingéniosité rentrée en toute sécurité dans le ventre de Persévérance (en bas au centre, cliquez pour agrandir). Source: NASA / JPL

La conception d'Ingenuity rend au moins le travail de rangement de l'engin simple, grâce à son profil mince lorsque les pales du rotor sont alignées les unes avec les autres. Les jambes d'atterrissage sont une autre chose, cependant. Les charnières des quatre pattes doivent permettre aux pattes de se plier vers les rotors pour rendre le paquet aussi petit que possible, tout en offrant une absorption des chocs pour les atterrissages. Pour atteindre les deux objectifs, chaque jambe est attachée au corps par une charnière de déploiement, qui enclenche la jambe dans sa position déployée sous la pression du ressort. Juste après la charnière de déploiement se trouve une flexion en titane et en aluminium, un mécanisme conforme qui absorbe les chocs jusqu'à 2 mètres par seconde d'atterrissage.

Le déploiement d'Ingenuity sur la surface martienne sera un processus complexe et hautement orchestré. L'hélicoptère est rangé dans le ventre de Perseverance, derrière la baie contenant l'assemblage de mise en cache adaptative. Malgré la présence d'un bras de robot dans la baie ACA, Ingenuity ne sera pas arraché du stockage et placé avec précaution en surface. Au contraire, comme le montre la vidéo ci-dessous (source: NASA / JPL), après qu'un bouclier anti-débris est largué et que le rover s'éloigne vers une zone dégagée, l'hélicoptère bascule de sa position de stockage horizontale à une orientation verticale. Les jambes seront relâchées pour se mettre en place et l'hélicoptère tombera de quelques centimètres sur la surface martienne. C’est une opération qui prendra sans aucun doute des jours à s’achever, car chaque étape du déploiement sera précédée et suivie de multiples vérifications des systèmes et de relevés de la zone avec les nombreuses caméras jaillissant du rover et de l’hélicoptère lui-même.


Opérations de surface

Une fois libérée du ventre réchauffé au plutonium de la Persévérance, Ingenuity devra faire face au froid extrême des nuits martiennes à elle seule. L'électronique nécessaire pour faire fonctionner l'hélicoptère, y compris les batteries déjà chargées, le contrôleur de vol, ainsi que les caméras et autres capteurs nécessaires au système de navigation et aux altimètres à vue vers le bas, sont tous logés dans une enceinte de gestion thermique appelée Helicopter Warm Electronics Box. , ou HWEB. Cette boîte se balance entre les jambes d'atterrissage de l'hélicoptère et utilise une combinaison de radiateurs à couche mince et d'une couche d'isolation en polyamide pour absorber autant d'énergie thermique solaire que possible tout en réduisant les pertes de chaleur de l'intérieur du HWEB vers l'atmosphère martienne.

Gros plan sur le noyau central d'Ingenuity, y compris les flexions du train d'atterrissage, les servos du plateau cyclique inférieur du rotor et HWEB. Cliquez pour agrandir. Source: NASA / JPL

Avoir un hélicoptère autonome à votre disposition peut sembler être un rêve devenu réalité pour les planificateurs de mission, leur permettant de voir rapidement une fonctionnalité intéressante pour voir s'il vaut la peine de ralentir le pilotage du rover pour un examen plus approfondi. Et en effet, c’est quelque chose que la NASA a en tête pour les futures missions. Mais l'ingéniosité a des objectifs beaucoup plus modestes, principalement en tant que preuve de concept de vol non terrestre.

Après avoir prouvé qu'il pouvait survivre au trajet vers Mars, à la descente et à l'atterrissage, et avoir été déployé avec succès à la surface, Ingenuity n'est prévu que pour quelques vols courts. Aucun des vols d'essai entièrement autonomes ne durera pas plus de 90 secondes, et l'hélicoptère restera à moins de 50 mètres de Perseverance et ne dépassera jamais 5 mètres au-dessus de la surface.

En supposant qu'Ingenuity soit capable de quitter la surface et d'atterrir à nouveau en toute sécurité, jusqu'à quatre vols supplémentaires au total auront lieu. Mais une fois la période de test terminée, Perseverance continuera, avec un peu de chance, laissant l'hélicoptère spidery debout sur la surface martienne, ayant rempli sa mission de prouver que les avions peuvent opérer sur d'autres mondes.

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