Lorsque le dernier rover martien de la NASA, Perseverance, sera lancé cette semaine, le robot aura un petit passager clandestin à bord: un petit hélicoptère en forme de boîte. Si l'hélicoptère réussit à survoler le terrain martien, ce sera la première fois qu'un véhicule fabriqué par l'homme vole sur un autre monde - et cela pourrait ouvrir une toute nouvelle façon d'explorer le système solaire à l'avenir.
L'hélicoptère, nommé Ingenuity, n'est pas l'objectif principal du rover. Le principal objectif de Persévérance est de rechercher des signes de vie sur Mars et de déterrer des échantillons de terre qui pourraient un jour être renvoyés sur Terre pour étude. Mais les ingénieurs ont réussi à trouver de la place sous le ventre du rover pour ranger le petit hélicoptère. À un moment donné durant le voyage de Perseverance, le rover déploiera Ingenuity sur la surface de Mars, où il fera tourner son rotor et tentera de décoller.
Fournir un nouveau point de vue pour explorer Mars
Cette expérience interplanétaire espère fournir une nouvelle point de vue pour explorer Mars, au-delà des options actuelles - limitées. Les orbiteurs de Mars ne peuvent pas obtenir l’imagerie haute résolution qu’un vaisseau spatial peut approcher du sol. Les atterrisseurs ne peuvent obtenir des informations qu'à partir d'un emplacement fixe, tandis que les rovers ne peuvent se déplacer que jusqu'à présent, avec des informations limitées sur ce qui les attend. Mais un hélicoptère peut agir comme un éclaireur, faire de la reconnaissance pour d’autres vaisseaux spatiaux ou atteindre des zones difficiles d’accès.
Cette capacité de reconnaissance pourrait être très utile si les humains se rendent sur le Martien surface. «Le fait de vraiment voler en avant et d’obtenir des images haute définition pour informer les humains et les rovers pour les traversées fera vraiment progresser l’exploration du monde», déclare MiMi Aung, chef de projet pour l’hélicoptère Mars au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. "Être capable de voler ajoutera une dimension entièrement nouvelle à l'exploration."
Il y a encore un très gros obstacle pour voler sur Mars: l'atmosphère. L'air qui entoure la planète n'est que de 1 pour cent de l'épaisseur de l'atmosphère terrestre. Avec si peu d'air à déplacer, il sera très difficile d'obtenir une portance sur Mars. La faible gravité à la surface de Mars aide; c'est environ 38% celle de la gravité terrestre. Mais même avec cette aide, un véhicule ne peut toujours pas voler sur Mars avec les mêmes technologies que nous utilisons pour voler sur notre planète.
Pour que quoi que ce soit décolle dans cet environnement, il doit être super légères, et les hélices doivent se déplacer incroyablement vite. Mais elles ne peuvent pas aller trop vite, ou les choses commencent à devenir risquées. «Vous ne pouvez pas continuer de plus en plus vite, car ce qui se passe alors est que les pointes de vos pales commencent à s'approcher de Mach 1 », explique Bob Balaram, l'ingénieur en chef de l'hélicoptère Mars au JPL, à The Verge .« Ils commencent à vouloir devenir supersonique, et vous ne voulez pas pour même les laisser passer en transson parce que vous obtenez des effets beaucoup plus turbulents. »
Il y a un très gros obstacle au vol sur Mars: l’atmosphère
Avec ces limites à l’esprit, une équipe d’ingénieurs de la NASA JPL a décidé d’inventer le premier martien hélicoptère. L'équipe derrière Perseverance a défini les dimensions de l'hélicoptère, déterminant que le rover pouvait accueillir un minuscule hélicoptère dont les pales atteignaient environ 1,2 mètre - ou environ 4 pieds - de large. Cela a finalement dicté le poids de l'hélicoptère, le plaçant à seulement 1,8 kilogramme, soit environ 4 livres. Créer un véhicule aussi petit et rempli d'électronique n'est que quelque chose qui aurait pu arriver aujourd'hui, dit Aung. «Il y a quelques décennies, la technologie de l'électronique légère - ordinateurs, capteurs, caméras, gyroscopes - tout cela n'était pas disponible», dit-elle.
La conception finale du Hélicoptère ressemble à un papa à longues jambesaraignée avec un casque complexe. Le corps principal d'Ingenuity est une boîte avec quatre membres saillants qui maintiennent le véhicule droit sur le sol. Quatre pales en fibre de carbone sont montées sur le dessus, ainsi qu'un panneau solaire pour générer de l'énergie. Ces lames sont conçues pour tourner jusqu'à 2400 tours par minute - soit 40 fois par seconde. Les pales d'un hélicoptère terrestre typique tournent à environ 450 à 500 tours par minute . Cependant, les lames d'Ingenuity ne doivent pas dépasser la vitesse du son, atteignant moins de 0,7 Mach.
Construire l'ingéniosité n'était que la moitié de la bataille, cependant. L'équipe devait s'assurer que l'hélicoptère pouvait réellement voler sur un autre monde. «Parallèlement à l'invention de l'hélicoptère, il y a aussi:« Comment le testez-vous? », Déclare Aung. "Parce que cela n'a jamais été fait auparavant."
Heureusement, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA est équipé de salles d'essais géantes qui pourraient être utilisées pour ce travail. Une grande chambre appelée Space Simulator au JPL peut recréer un vide total et manipuler toutes les températures extrêmes qu'un vaisseau spatial pourrait subir après avoir quitté la Terre. Pour tester Ingenuity, l'équipe d'ingénierie a transformé la chambre en un environnement semblable à celui de Mars. «Nous avons essentiellement réduit cette chambre à un vide proche et l'avons remplie de dioxyde de carbone, de sorte que la pièce contienne maintenant une densité atmosphérique semblable à celle de Mars», explique Aung.
" Parallèlement à l'invention de l'hélicoptère, c'est aussi: 'Comment le testez-vous?' "
Un autre défi de test est resté: se débarrasser de la pesanteur de la Terre. Pour simuler la gravité inférieure de Mars, les ingénieurs ont attaché une attache légère à des prototypes d'Inauthenticité chaque fois qu'ils volaient dans la chambre d'essai. Appelé le système de déchargement par gravité, le câble d'attache fournissait un remorqueur constant vers le haut sur le vaisseau spatial, donnant l'impression que le véhicule était à 38% de la gravité de la Terre.
Ces tests ont contribué à façonner la conception finale d'Ingenuity. Au cours des deux premiers essais en vol, l'équipe a constaté que les pales des hélicoptères d'essai continuaient à battre de haut en bas. La tendance à battre se produit également avec les hélicoptères terrestres, car les pales sont longues et grêles. Mais l'atmosphère épaisse atténue cet effet. La faible atmosphère martienne, en revanche, ne réduit pas ce battement.
"C'était un peu une découverte pour nous lorsque nous avons effectué les premiers vols", dit Balaram, ajoutant que le battement aurait pu interférer avec les commandes de l'hélicoptère. La solution? Les ingénieurs ont rendu les pales très rigides, beaucoup plus rigides qu'un hélicoptère normal de taille similaire sur Terre.
L'équipe a effectué des dizaines de vols d'essai dans diverses conditions extrêmes - y compris un froid profond pour simuler les nuits martiennes qui peuvent atteindre -130 degrés Fahrenheit, ou -90 degrés Celsius. Maintenant, après tout ce dur travail, il est temps pour Ingenuity de se lancer dans son voyage. Pour se rendre sur Mars, l'hélicoptère roulera replié sur le dessous de Perseverance, couvert par un bouclier pendantprotection. Lorsque le rover arrive sur Mars et trouve le bon endroit, Ingenuity fera de la gymnastique compliquée, se déployant dans sa forme finale avec ses jambes pointées vers le sol. Il tombera ensuite à la surface, alors que Perseverance roule et la laisse derrière.
L'équipe n'a eu que 30 jours martiens pour faire fonctionner Ingenuity, soit environ 31 Terre journées. Le tout premier vol sera simple: l'hélicoptère tentera de décoller et de monter à une hauteur d'environ 10 pieds, ou 3 mètres, en planant là-haut pendant 30 secondes environ. Ce sera bref, mais cela déterminera si tout le travail acharné des ingénieurs a porté ses fruits. «Je pense que je me sentirai comme: enfin, notre enfant, pour ainsi dire, est dans l’environnement dans lequel il a été développé pendant toutes ces années», déclare Aung.
"J'espère que nous aurons ce que j'aime appeler notre 'moment des frères Wright.'"
Ingenuity effectuera jusqu'à quatre vols courts, repoussant les limites à chaque décollage progressif. Aucun vol ne durera plus de 90 secondes environ. Mais l'ingéniosité pourrait atteindre jusqu'à environ 15 pieds ou 5 mètres de haut et se déplacer horizontalement d'environ 160 pieds ou 50 mètres.
Tous ces vols devront être autonomes , grâce au long délai de communication entre la Terre et Mars. L'équipe enverra une liste de commandes à Ingenuity, et elle exécutera toutes les étapes par elle-même. Le plan est que l'hélicoptère capture des images lorsqu'il vole, et il est possible que Perseverance prenne également des images lointaines d'Ingenuity planant dans les airs.
À la fin du jour, Ingenuity est une démonstration de technologie, c'est pourquoi ses vols se veulent courts et simples. Mais cela pourrait prouver que les machines volantes peuvent être précieuses pour les futures missions sur Mars. Les ingénieurs travaillent déjà à la conception d'hélicoptères plus gros pesant jusqu'à 44 livres ou 20 kilogrammes. De plus gros hélicoptères pourraient porter beaucoup plus significant des charges utiles scientifiques et des caméras plus belles que celles d'Ingenuity.
Mais avant de pouvoir marcher, vous devez d'abord ramper. Et c’est l’intérêt de l’ingéniosité. «J'espère que nous aurons ce que j'aime appeler notre« moment des frères Wright »», déclare Balaram. "Mais c'est un vol contrôlé sur une autre planète."
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