Ingenuity (hélicoptère)

(Redirigé depuis Mars Helicopter Scout)

Modèle de vol de l'hélicoptère martien photographié en salle blanche en février 2019.

Mars Helicopter Scout ou MHS ou Ingenuity est un petit hélicoptère d'un peu plus d'un kilogramme 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 qui sera lancée en . L'engin, fixé au châssis de l'astromobile Perseverance, sera libéré une fois celui-ci arrivé sur le sol martien. Ileffectuera pour la première fois dans l'histoire de l'ère spatiale, un vol sur une autre planète. L'objectif est de tester les capacités d'un tel engin dans le domaine de la reconnaissance optique du terrain dans cet environnement caractérisé par une atmosphère très ténue limitant la portance et le délai de communication qui interdit tout contrôle direct du vol par un opérateur humain.

Contexte

En 2014, un article décrivant un concept d'hélicoptère martien qui aboutira au MHS (Mars Helicopter Scout) est publié par AeroVironment et le Jet Propulsion Laboratory[1]. En , l'agence spatiale américaine, la NASA, après une phase d'évaluation, décide que la mission Mars 2020 embarquera à titre expérimental le petit hélicoptère de 1,8 kilogramme chargé de tester le recours à des vols de reconnaissance optique dans le cadre d'une expérimentation qui doit durer une trentaine de jours. Le coût de cette expérimentation, évalué à 55 millions de dollars américains, n'est pas inclus dans le projet [2],[3]. 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 très chargé des opérations au sol. L'hélicoptère est l'aboutissement de développements commencés cinq ans plus tôt au centre JPL de la NASA. Durant ceux-ci des vols d'essais utilisant un modèle sans batteries[1] ont été effectués dans une chambre de 7,5 mètres de diamètre dans lequel l'atmosphère de Mars avait été simulée (composition et densité)[4]. Le petit hélicoptère est baptisé Ingenuity (Inventivité) à la suite d'un appel à nommage lancé par la NASA auprès des étudiants américains[5].

Choix architecturaux

Schéma de l'hélicoptère martien. . 1 : Rotors conçus pour pouvoir voler dans l'atmosphère ténu de Mars - 2 Des cellules solaires fournissent l'énergie qui alimente la batterie - 3 Une caméra haute résolution permet de réaliser des photos de sites situés jusqu'à 600 mètres du rover - 4 Une caméra et d'autres capteurs associés à un ordinateur à tolérance de panne fournissent une autonomie importante - 5 L'atterrissage utilise des pieds souples, un système de vision actif et un altimètre - 6 Une isolation thermique de type aérogel et une résistance chauffante permettent aux batteries de survivre aux nuits - 7 L'hélicoptère communique avec le rover en bande UHF.

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

L'hélicoptère martien est fortement handicapé dans l'air extrêmement ténu de Mars. En effet, la portance aérodynamique exercée par les pales du rotor est définie de la manière suivante[6] :

avec :

  • S pour superficie couverte par le rotor (donc proportionnel à la longueur du rotor R).
  • pour proportionnel à la densité de l'air.
  • V pour vitesse verticale de l'air brassé par le rotor.

Cette portance s'oppose à la force exercée par la gravité

  • avec m pour masse de l'hélicoptère et g pour gravité sur Mars.

Ces deux forces doivent se contrebalancer. Or la densité de l'atmosphère représentée par le paramètre est 100 fois plus faible sur Mars que sur Terre (à basse altitude) tandis que la gravité martienne est 0,38 fois celle de la Terre. Par rapport à un hélicoptère terrestre, l'hélicoptère martien doit donc modifier les valeurs des paramètres masse (), vitesse () et superficie () de manière à améliorer le rapport d'un facteur de 38. Dans le cas du MHS les concepteurs ont joué à la fois sur les trois paramètres : rotor de grande longueur (influant positivement sur la superficie), vitesse de rotation du rotor élevé, masse transportée réduite[6].

Type d'hélicoptère

Le choix de la formule hélicoptère par opposition à celle du quadrirotor s'explique par la masse importante du rotor lié 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 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[7].

Contraintes de masse

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 (liés au développement des téléphones portables), des cellules photovoltaïques, des systèmes inertiels et des ordinateurs embarqués[4]. Ainsi, il sera normalement conçu pour que sa masse ne dépasse pas 1,8 kg[8].

Un atterrissage difficile

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[9].

Caractéristiques techniques

L'hélicoptère se déplace dans les airs grâce à deux rotors contrarotatifs (tournant en sens contraire) coaxiaux bipales. 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). Le corps de l'hélicoptère a le diamètre d'un ballon de basket-ball. Les rotors ont une longueur d'une extrémité à l'autre de 1,21 mètre et la hauteur totale est de 0,8 mètre. L'hélicoptère martien est propulsé par l'énergie électrique fournie par un accumulateur lithium-ion. Celui-ci est rechargé par des cellules photovoltaïques. Des résistances chauffantes maintiennent les systèmes à une température compatible avec les contraintes de fonctionnement. L'hélicoptère emporte une caméra de navigation et une caméra couleur à haute résolution pour effectuer des prises d'image du terrain et ainsi remplir les objectifs qui lui sont assignés. Compte tenu du délai des échanges avec la Terre (une dizaine de minutes pour un échange dans la configuration Terre-Mars la plus favorable), l'hélicoptère vole de manière autonome à partir d'instructions transmises avant le vol. Un système radio embarqué reçoit ces commandes et transmet les images et télémesures[1],[2],[4]. Grâce à un modèle technique, la responsable du Jet Propulsion Laboratory, MiMi Aung, a déclaré : « Pour notre premier vol sur Mars, nous avons enregistré plus de 75 minutes de temps de vol avec un modèle technique, ce qui représentait une approximation proche de notre hélicoptère »[8].

Synthèse des caractéristiques
Caractéristique Valeur
Masse 1,8 kg dont batteries 273 g.
Hauteur 80 centimètres
Diamètre des rotors coaxiaux 120 centimètres
Vitesse de rotation des rotors 1900 à 2800 tours/min.
Vitesse de l'extrémité des pales < 0,7 mach
Dimension du corps de l'hélicoptère Cube de 14 cm de côté
Énergie 220 Watts
Durée d'un vol jusqu'à 90 secondes, une fois par jour
Rayon d'action 600 mètres
Altitude maximale 400 mètres
Vitesse maximale Horizontale : 10 m/s (36 km/h)
Verticale 3 m/s
Charge utile 2 caméras

Mise en œuvre

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

L'hélicoptère martien embarqué est L'hélicoptère est fixé sous le chassis de l'astromobile Perseverance avec ses hélices alignées en position couchée sur le côté. Une fois l'astromobile à la surface de Mars, l'hélicoptère est déposé sur le sol et de nombreux tests statiques sont effectués. Trente jours sont consacrés à tester ses capacités. Pour le premier vol, le rover 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. Quatre autres vols sont prévus de quelques centaines de mètres dont la durée peut aller jusqu'à 90 secondes[2]. Une fois la phase d'expérimentation achevée, l'hélicoptère sera abandonné sur place[3].

Notes et références

Références

  1. a b et c (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.
  2. a b et c (en) « Mars Helicopter to Fly on NASA’s Next Red Planet Rover Mission », NASA,
  3. a et b (en) Kenneth Chang, « A Helicopter on Mars? NASA Wants to Try », New York Times,
  4. a b et c (en) Stephen Clark, « Helicopter to accompany NASA’s next Mars rover to Red Planet », sur spaceflightnow.com,
  5. (en) « Alabama High School Student Names NASA's Mars Helicopter », NASA,
  6. a et b (en) Rhett Allain, « The Physics of NASA's New Mars Helicopter », sur wired,
  7. (en) Gary M Ortiz, « NASA Chooses Helicopter for Mars Drone », sur UAS Vision,
  8. a et b Tony Greicius, « NASA's Mars Helicopter Completes Flight Tests », sur NASA, (consulté le 31 mars 2019)
  9. (en) Gary M Ortiz, « Mars 2020 Helicopter Landing Gear Dynamics », sur Jet Propulsion Laboratory,

Bibliographie

Voir aussi

Article connexe