Ingenuity (hélicoptère)

drone expérimental de la mission martienne Mars 2020

Ingenuity
Hélicoptère d'exploration de Mars
Description de cette image, également commentée ci-après
Modèle de vol
Données générales
Organisation NASA
Constructeur JPL
Vaisseau mère Mars 2020/astromobile Perseverance
Type engin Aérobot de type Hélicoptère
Rôle étude technologique
Statut En transit
Site exploré Cratère Jezero (planète Mars)
Début de mission opérationnelle mars 2021
Durée de vie 30 jours
Caractéristiques techniques
Rayon d'action 600 mètres
Vitesse Horizontale : 10 m/s
Verticale 3 m/s
Masse 1,8 kg dont batteries 273 g.
Dimensions 13,6 x 19,5 cm (fuselage)
ø 1,21 m. (rotors)
Propulsion Rotors
Source d'énergie Cellules solaires
Puissance électrique 350 watts
Accumulateurs batteries lithium-ion
Autre caractéristique plafond vol : 5 mètres
durée vol : 90 secondes
Charge utile
Charge utile Caméra couleur

Mars Helicopter Scout ou MHS ou Ingenuity est un petit hélicoptère d'un peu moins de deux kilogrammes développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, qui doit être mis en œuvre à titre expérimental, sur le sol de la planète Mars au cours de la mission Mars 2020 lancée le à bord d'une fusée Atlas V. L'engin, fixé au châssis de l'astromobile Perseverance, sera libéré une fois celui-ci arrivé sur le sol martien. Pour la première fois dans l'histoire de l'ère spatiale, un engin effectuera un vol motorisé sur une autre planète. L'objectif est de tester les capacités d'un tel appareil dans le domaine de la reconnaissance optique du terrain dans cet environnement caractérisé par une atmosphère très ténue limitant la portance et des délais de communication qui interdisent tout contrôle direct du vol par un opérateur humain.

Contexte : l'exploration du système solaire par des aérobotsModifier

 
ARES projet de planeur volant dans l'atmosphère de Mars étudié dans le cadre du programme Mars Scout (vue d'artiste).

L'exploration du système solaire à l'aide de robots débute à la fin des années 1950. Commencée modestement avec des engins légers uniquement capables de survoler le corps céleste visé, elle s'est rapidement sophistiquée avec la mise au point en une quinzaine d'années d'engins capables de se placer en orbite (orbiteur) puis de se poser (atterrisseur) sur la surface et enfin de déplacer sur le sol (astromobile ou rover). La capacité d'exploration des astromobiles est toutefois restée limitée notamment du fait de leur vitesse réduite et de la nécessité de déposer ceux-ci sur un terrain relativement plat. Très rapidement les ingénieurs ont étudié l'envoi de robots capables de flotter, planer ou voler dans l'atmosphère : ces aérobots présentent l'avantage d'étendre la portée de l'exploration des planètes ou des lunes lorsque celles-ci sont dotées d'atmosphère (Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, Titan, Uranus et Neptune). Vénus, qui dispose d'une atmosphère dense, est la première destination d'un aérobot et reste la seule en 2021 : en 1985 un ballon, équipé d'instruments scientifiques, est largué par la sonde spatiale soviétique Véga et étudie avec succès l'atmosphère de Vénus. En 2021 ce ballon reste le seul aérobot à avoir été mis en œuvre. Le cas de la planète Mars, cible privilégiée de l'exploration spatiale, est une destination compliquée pour ce type d'engin. L'atmosphère très peu dense (1 % de celle de la Terre) génère une portance très faible et la mise au point d'un aérobot est beaucoup plus difficile (pour flotter dans l'atmosphère de Mars, un ballon doit être 150 fois plus volumineux que son équivalent largué à 50 kilomètres d'altitude dans l'atmosphère de Vénus). Plusieurs projets de planeur ou d'avion propulsé ont été étudiés et proposés à la NASA sans qu'aucun ne soit retenu[1] .

Développement du projet d'hélicoptère martienModifier

 
Un technicien sur un modèle de vol de l'hélicoptère durant la phase de test dans une chambre à vide au JPL.

Une étude suggérant le recours à un hélicoptère autonome pour explorer Mars est publiée en 2002[2]. En 2014 un article décrivant le concept d'hélicoptère martien préfigurant Ingenuity, est publié par AeroVironment et le Jet Propulsion Laboratory[3]. En , l'agence spatiale américaine (la NASA) décide après une phase d'évaluation que la mission Mars 2020 embarquera à titre expérimental le petit hélicoptère de 1,8 kilogramme afin de tester le recours à des vols de reconnaissance optique dans le cadre d'une expérimentation devant durer une trentaine de jours. Le coût de cette expérimentation, évalué à 55 millions de dollars américains, n'est pas inclus dans le projet [4],[5]. La décision est prise malgré l'opposition du responsable scientifique de la mission pour qui les tests prévus ne contribuent pas à la mission mais viennent bousculer le calendrier déjà très chargé des opérations sur le sol de Mars. L'hélicoptère est l'aboutissement de développements entamés cinq ans plus tôt au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. À compter de début 2019, pour vérifier le comportement de l'hélicoptère dans les conditions martiennes, l'équipe projet effectue d'abord des tests avec un modèle d'ingénierie qui représente une approximation proche de l'hélicoptère réel. Après avoir accumulé un temps de vol supérieur à 75 minutes, des tests plus réalistes sont effectués avec un modèle similaire à celui qui doit être envoyé sur Mars. Celui-ci est placé dans une chambre à vide de 7,5 mètres de diamètre du JPL dans laquelle est reproduite la composition de l'atmosphère raréfié de Mars et sont simulées sa pression (1% de celle de la Terre) et les températures extrêmes (jusqu'à -90°C). Pour reproduire la gravité de Mars (un tiers de celle de la Terre) une élingue dont la tension est adaptée en permanence soulève l'hélicoptère[3],[6],[7].

Le petit hélicoptère est baptisé Ingenuity (Ingéniosité) à la suite d'un appel à nommage lancé par la NASA auprès des étudiants américains[8].

Choix architecturauxModifier

 
Prototype utilisé en 2016 pour vérifier la faisabilité d'un hélicoptère volant dans l'atmosphère ténue de la planète Mars.

Contraintes du vol sur Mars et conséquences sur les caractéristiques du Mars Helicopter ScoutModifier

L'hélicoptère martien est fortement handicapé dans l'air extrêmement ténu de l'atmosphère martienne. En effet, la portance aérodynamique exercée par les pales du rotor est définie de la manière suivante[9] :

 

avec :

  • S pour la superficie couverte par le rotor, donc proportionnelle au carré de la longueur des pales du rotor R,
  •   pour la masse volumique de l'atmosphère
  • V pour la vitesse verticale de l'air brassé par le rotor,
  •   pour le coefficient de portance des pales.

Cette portance s'oppose à la force de gravité  , où m est la masse de l'hélicoptère et g la gravité sur Mars.

Ces deux forces devant s'équilibrer, on doit donc avoir :

  •  

ce que l'on peut réécrire sous la forme :

  •  

La densité de l'atmosphère représentée par le paramètre   étant 100 fois plus faible sur Mars que sur Terre à la même altitude, et la gravité martienne   étant 38 % de celle de la Terre, le rapport   est 38 fois plus gros sur Mars que sur Terre.

Compte tenu du fait que le coefficient de trainée   ne dépend que de la forme des pales et toutes choses égales par ailleurs, il faut donc que les valeurs des paramètres de superficie ( ) couverte par le rotor, de masse ( ) et de vitesse ( ) d'un hélicoptère martien soient ajustées de façon à augmenter le rapport   d'un facteur 38 par rapport à un hélicoptère terrestre. Dans le cas du MHS, les concepteurs ont joué sur ces trois paramètres à la fois : pales de grande longueur pour augmenter la superficie couverte, vitesse de rotation du rotor élevée et masse transportée réduite[9].

Type d'aéronefModifier

Le choix de la formule hélicoptère par opposition à celle du quadrirotor s'explique par la masse importante du rotor liée à sa grande taille pour les raisons vues plus haut. La stabilisation d'un quadrirotor est effectuée en agissant sur la vitesse de rotation des rotors mais la vitesse de modulation est fonction de la masse de ceux-ci (inertie). Dans le contexte martien, la stabilisation d'un quadrirotor devient problématique comme sur Terre à haute altitude. L'utilisation de rotors contrarotatifs coaxiaux permet de gagner en encombrement par rapport au recours à un rotor anticouple[10].

Contraintes de masseModifier

Pour parvenir à faire voler l'hélicoptère dans l'atmosphère de Mars, il fallait concevoir un engin suffisamment léger, qui n'a été rendu possible que récemment grâce aux avancées réalisées dans le domaine des accumulateurs (liées au développement des téléphones portables), des cellules photovoltaïques, des systèmes inertiels et des ordinateurs embarqués[7]. Ainsi, il est conçu pour que sa masse ne dépasse pas 1,8 kg[6].

Une phase d'atterrissage délicateModifier

La phase la plus délicate du vol de l'hélicoptère est l'atterrissage, du fait des turbulences qui peuvent déséquilibrer l'engin. La solution retenue est d'arrêter la propulsion à un mètre au-dessus du sol et de laisser l'hélicoptère atteindre le sol en chute libre. La vitesse verticale à l'atterrissage est de plus d'1 m s−1. Le train d’atterrissage doit être conçu pour encaisser cette vitesse sur un sol qui peut présenter une pente importante[11].

Caractéristiques techniquesModifier

StructureModifier

Les dimensions du fuselage de l'hélicoptère sont de 13,6 sur 19,5 centimètres soit le diamètre d'un ballon de basket-ball. Avec son train d'atterrissage, ses rotors et les panneaux solaires qui les coiffent, Ingenuity est haut de 49 centimètres. Le volume très réduit du fuselage contient les ordinateurs, les batteries, les capteurs (caméras, altimètre) et le système de télécommunications. L'hélicoptère est construit autour d'un tube creux vertical dans lequel circule les liaisons électriques reliant le processeur aux rotors ainsi qu'au vaisseau mère (l'astromobile Perseverance) durant le transit vers Mars. Sur ce tube creux sont attachés de haut en bas : le système de fixation à l'astromobile, un panneau solaire, les deux rotors ainsi que les servomoteurs les mettant en mouvement, la partie centrale du train d'atterrissage et enfin le fuselage de forme carrée. Le train d'atterrissage comprend quatre pieds en composite carbone longs de 38,4 centimètres fixés sous le corps d'Ingenuity en faisant un angle oblique avec la verticale qui maintiennent le corps de l'aéronef à 13 centimètres au-dessus d'un terrain plat[12],[13]. Ingenuity a une masse de 1,8 kilogrammes sur Terre comme sur Mars mais son poids plus faible sur Mars équivaut à celui d'une masse de 680 grammes sur Terre du fait de la différence de gravité entre ces deux planètes[14].

 
Schéma de l'hélicoptère martien. 1. Antenne de l'émetteur-récepteur radio bande UHF - 2. Cellules solaires fournissant l'énergie qui alimente la batterie -3. Rotors conçus pour pouvoir voler dans l'atmosphère ténue de Mars - 4. Fuselage isolé thermiquement contenant principalement les batteries, l'avionique et les processeurs - 5. Caméra couleur haute résolution permettant de réaliser des photos des sites survolés - 6. Pieds du train d'atterrissage souples.

PropulsionModifier

 
Détails : parties centrales des rotors et des cellules solaires, antenne radio.
 
Dessous de l'hélicoptère photographié durant des essais dans une chambre simulant le vide spatial : l'optique de la caméra de navigation est située dans le cadre octogonal entre les deux lentilles de l'altimètre et légèrement en dessous tandis que la caméra de couleur est située en bas sous le cadre octogonal (voir notes sur l'image).
 
Le boitier doré (voir notes de l'image) installé sur le flanc arrière droit de l'astromobile contient le système de télécommunications qui gère les échanges entre la Terre et l'hélicoptère.

L'hélicoptère se déplace dans les airs grâce à deux rotors contrarotatifs (tournant en sens contraire) coaxiaux bipales. Le diamètre des rotors est de 1,21 mètre et ils se situent à 0,8 mètre de hauteur. Les pales sont réalisées en fibre de carbone. La vitesse de rotation est comprise entre 2 400 et 2 900 tours par minute soit 10 fois celle d'un hélicoptère sur Terre, pour pouvoir être efficace dans l'air particulièrement peu dense de Mars (équivalent à l'atmosphère terrestre à une altitude de 25 kilomètres)[15].

ÉnergieModifier

L'énergie est le principal facteur limitatif concernant les capacités de l'hélicoptère. L'énergie nécessaire pour la propulsion, le fonctionnement des capteurs (altimètre, caméras), les résistances chauffantes, l'avionique, les processeurs et le système de télécommunications est fournie par six accumulateur lithium-ion d'une capacité de 36 watts-heures et d'une masse totale de 273 grammes qui occupent une grande partie du volume du fuselage. Elles sont rechargées par des cellules photovoltaïques qui sont fixées au-dessus des rotors et qui ont une surface active de 544 cm2. Une réserve de 21 watts-heures est réservée, dont 10,7 watts pour l'alimentation des résistances chauffantes chargées de maintenir les différents systèmes à une température compatible avec les contraintes de fonctionnement durant la nuit martienne. Les 10 Wh restant permettent un vol de 90 secondes sur la base d'une consommation en pointe de 510 watts durant 20 % du temps et de 350 watts durant le reste du vol[16],[17].

CapteursModifier

Les capteurs, qui sont des composants achetés sur étagère, comprennent une caméra de navigation noir et blanc, une caméra couleur haute résolution, un centrale à inertie, un inclinomètre et un altimètre[18] :

  • La caméra de navigation NAV est située sous le fuselage et fournit des images en noir et blanc de 0,5 mégapixel. Elle est pointée vers le sol et est utilisée pour déterminer l'altitude et la position de l'hélicoptère. Elle dispose d'un champ de vue de 133° sur 100 degrés. et permet d'acquérir 10 images par seconde.
  • La caméra couleur RTE (Return to Earth) à haute résolution (13 mégapixels) de Sony a un champ de vue de 47° sur 47°. Elle est fixée sur un des coins inférieurs du fuselage et pointe 22 degrés sous l'horizon. Elle doit effectuer quelques prises d'image du terrain qui sont transmise à Terre pour tester les capacités de reconnaissance d'Ingenuity.
  • L'hélicoptère dispose de deux centrales à inertie 3 axes pour assurer une redondance utilisant la technologie MEMS et fournies par Bosch.
  • L'inclinomètre deux axes utilise également la technologie MEMS.
  • L'altimètre fourni par Garmin fournit l'altitude jusqu'à une hauteur de quelques dizaines de mètres.

TélécommunicationsModifier

Compte tenu du délai dans les échanges avec la Terre (une dizaine de minutes dans la configuration Terre-Mars la plus favorable), l'hélicoptère est obligé de voler de manière autonome en appliquant des instructions transmises avant le vol. Un système radio embarqué à bord de l'hélicoptère reçoit ces commandes et transmet les images et les télémesures. Les échanges avec la Terre sont relayés par un système de télécommunications dédié installé sur l'astromobile. L'hélicoptère dispose de deux émetteurs/récepteurs radio fonctionnant sur 900 MHz avec une puissance d'émission de 0,9 Watts en consommant 3 Watts à l'émission et 0,15 Watts à la réception. L'antenne filaire est fixée au sommet de l'hélicoptère. Le débit est compris entre 20 et 250 kilobits par seconde pour une portée allant jusqu'à 1000 mètres. En vol l'hélicoptère ne reçoit pas mais émet pour communiquer les données collectées[16].

Avionique et processeursModifier

L'avionique est répartie sur cinq circuits imprimés dont quatre forment les côtés du fuselage cubique et le cinquième sa partie inférieure. L'ordinateur embarqué utilise un microprocesseur Snapdragon cadencé à 2,26 Ghz et doté d'une mémoire vive de 2 gigaoctets et d'une mémoire flash de 32 gigaoctets. L'ordinateur prend en charge la fonction de navigation en utilisant les données fournies par les caméras et pilote en conséquence les rotors via deux microcontrôleurs redondants. Le logiciel qui tourne sur le microprocesseur est assisté par un circuit intégré de type FGPA qui prend en charge certaines fonctionnalités comme le contrôle d'attitude (avec une fréquence de 500 Hz), la gestion des entrées/sorties de la centrale à inertie de l'altimètre et de l'inclinomètre et la gestion des télécommunications. Le FGPA est une version militarisée du ProASIC3L de MicroSemi[19].

Mise en œuvreModifier

 
L'hélicoptère sur Mars (vue d'artiste).

L'hélicoptère martien embarqué est fixé sous le châssis de l'astromobile Perseverance avec ses hélices alignées en position couchée sur le côté. Une fois Perseverance à la surface de Mars, une vérification générale des différents sous-système de Perseverance est effectuée dont ceux de l'hélicoptère. Les batteries de celui-ci sont rechargées. Une fois cette phase achevée, l'astromobile se met à circuler en recherchant un terrain de 10 mètres sur 10 pouvant servir de zone d'atterrissage pour l'hélicoptère. L'équipe projet a calculé que la probabilité de trouver un terrain convenable (terrain quasi plat, pas de roche de plus de 5 centimètres de haut) dans l'ellipse retenue pour l'atterrissage (7,6 x 6,6 kilomètres) était de 75%. L'hélicoptère est alors déposé sur la zone d'atterrissage de l'hélicoptère retenue (voir vidéo en annexe) : le cache qui le protège des débris à l'atterrissage est largué, ses pieds sont déployés puis il est pivoté dans sa position naturelle avant d'être largué sur le sol (la garde au sol de l'astromobile est supérieure à la hauteur de l'hélicoptère déployé). De nombreux tests statiques sont effectués. Dix jours sont prévus pour le déploiement et 30 jours pour tester les capacités en vol. Pour le premier vol, l'astromobile s'éloigne de l'hélicoptère à une distance de sécurité (50 à 100 mètres) puis l'hélicoptère s'élève à la verticale jusqu'à une hauteur de 3 mètres avant de faire du surplace durant 30 secondes (voir animation en annexe). Quatre autres vols de quelques centaines de mètres sont prévus avec une durée pouvant aller jusqu'à 90 secondes[4]. Une fois la phase d'expérimentation achevée, l'hélicoptère sera abandonné sur place et l'astromobile entame sa mission scientifique. Les tests effectués durant les cinq vols programmés sont les suivants[5],[20] :

Détail des vols[21]
N° vol Objectif Déroulement
1 Validation fonctionnement en vol Vol effectué vers 11 heures du matin (vents faibles). Ascension à 3 mètres avec une vitesse verticale de 1 mètre par seconde, vol stationnaire durant 20 secondes et descente avec une vitesse verticale de 1 mètre par seconde (voir animation/vidéo en annexe)
2 Vol horizontal distance réduite Vol jusqu'à 5 mètres d'altitude et quelques mètres de distance.
3 Vol horizontal distance accrue Distance portée à 50 mètres
4 et 5 Objectif fixé en fonction des résultats des vols précédents Par exemple vol avec vents plus forts, distance accrue, plusieurs changements d'altitude, d'azimut et de vitesse

Premier envolModifier

Il est prévu que l'engin soit utilisé la première fois, environ soixante jours après l'atterrissage[22]

Vers une utilisation future à des fins opérationnelles ?Modifier

Sans attendre la fin des tests de Ingenuity sur la planète Mars, la NASA a commencé à étudier une deuxième génération d'hélicoptère capable cette fois de remplir une mission scientifique sur la planète Mars avec une portée entre deux recharges de ses batteries de 2 kilomètres et un temps de vol maximal de 4 minutes. La principale contrainte est le volume nécessaire pour stocker les ailes des rotors. Selon l'étude de la NASA publiée début 2020, le véhicule de descente des missions martiennes existantes de type Pathfinder utilisé par les astromobiles MER (2,5 mètre de diamètre intérieur) pourrait transporter un hélicoptère d'une vingtaine de kilogrammes de type hexacoptère (6 rotors) en transportant une charge utile (instrument scientifique, caméra,...) de 2 à 3 kilogrammes. Le volume disponible dans l'étage de descente permettrait de transporter des équipements supplémentaires comme un système de télécommunications, des instruments scientifiques , etc... [23]

Notes et référencesModifier

RéférencesModifier

  1. (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, (ISBN 978-0-521-12958-9), p. 56-61
  2. (en) Larry Young, E.W. Aiken, Virginia Gulick, Rocco Mancinelli et Geoffrey Briggs, Rotorcraft as Mars Scouts, vol. 1, 1 er février 2002, 1–378 vol.1 p. (ISBN 978-0780372313, DOI 10.1109/AERO.2002.1036856, lire en ligne)
  3. a et b (en) Håvard Fjær Grip, Wayne Johnson, Carlos Malpica, Daniel P. Scharf, Milan Mandić, Larry Young, Brian Allan, Bérénice Mettler et Miguel San Martin, « Flight Dynamics of a Mars Helicopter » [PDF], sur rotorcraft.arc.nasa.gov.
  4. a et b (en) « Mars Helicopter to Fly on NASA’s Next Red Planet Rover Mission », NASA,
  5. a et b (en) Kenneth Chang, « A Helicopter on Mars? NASA Wants to Try », New York Times,
  6. a et b (en) Tony Greicius, « NASA's Mars Helicopter Completes Flight Tests », sur NASA, (consulté le 31 mars 2019)
  7. a et b (en) Stephen Clark, « Helicopter to accompany NASA’s next Mars rover to Red Planet », sur spaceflightnow.com,
  8. (en) « Alabama High School Student Names NASA's Mars Helicopter », NASA,
  9. a et b (en) Rhett Allain, « The Physics of NASA's New Mars Helicopter », sur Wired,
  10. (en) Gary M Ortiz, « NASA Chooses Helicopter for Mars Drone », sur UAS Vision, .
  11. (en) Gary M Ortiz, « Mars 2020 Helicopter Landing Gear Dynamics » [PDF], sur Jet Propulsion Laboratory, .
  12. Mars Helicopter Technology Demonstrator, p. 9-10
  13. Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, p. 25
  14. Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, p. 12
  15. Mars Helicopter Technology Demonstrator, p. 8-9
  16. a et b Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, p. 12
  17. Mars Helicopter Technology Demonstrator, p. 15
  18. Mars Helicopter Technology Demonstrator, p. 13-14
  19. Mars Helicopter Technology Demonstrator, p. 10-13
  20. Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, p. 18-21
  21. Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, p. 21--22
  22. D.C. Agle, Gray Hautaluoma et Alana Johnson, « How NASA's Mars Helicopter Will Reach the Red Planet's Surface », NASA,‎ (lire en ligne[archive du ], consulté le 23 février 2021)   Cet article reprend du texte de cette source, qui est dans le domaine public.
  23. (en) Withrow-Maser Shannah, Koning, Witold, Kuang, Winnie, Johnson, Wayne R et al., « Recent Efforts Enabling Martian Rotorcraft Missions », Papier de conférence,‎ , p. 1-10 (lire en ligne)

BibliographieModifier

  • (en) et al. (8-12 janvier 2018) « Mars Helicopter Technology Demonstrator » (pdf) dans 2018 AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference : 18 p..  — Caractéristiques techniques détaillées, description des études et des tests effectués.
  • (en) NASA, Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, NASA, , 33 p. (lire en ligne) — Dossier de presse de la NASA sur l'hélicoptère Ingenuity.
  • (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, (ISBN 978-0-521-12958-9)
  • (en) Withrow-Maser Shannah, Koning, Witold, Kuang, Winnie, Johnson, Wayne R et al., « Recent Efforts Enabling Martian Rotorcraft Missions », Papier de conférence,‎ , p. 1-10 (lire en ligne)
    Etude de faisabilité d'un hélicoptère martien de deuxième génération (1er génération Ingenuity)

Voir aussiModifier

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Articles connexesModifier

VidéosModifier