Simulation spatiale de l'hélicoptère pour Mars


Analyser la planète Mars avec un mini hélicoptère Hi-Tech

23 mars 2019
Séance de simulation de vol pour le futur hélicoptère d'exploration pour les missions martiennes
Séance de simulation de vol pour le futur hélicoptère d'exploration pour les missions martiennes

Divertissant mais aussi instructif. Une vidéo scientifique a démontré qu'il est théoriquement possible pour un hélicoptère de rester en altitude sur Mars - dans une atmosphère 100 fois plus mince que celle de la Terre - et a aidé à convaincre la NASA de donner le feu vert au développement du premier hélicoptère destiné à être envoyé sur une autre planète. Dix-huit mois plus tard, dans la même chambre de 25 pieds du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de Pasadena, en Californie, un modèle autonome plus grand planait, tournait et se déplaçait sans problème d'un côté à l'autre. L'équipe derrière l'hélicoptère Mars l'appelle le moment des frères Wright à Kitty Hawk.


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Plus tôt cette année, un autre modèle, le modèle de vol, a été testé avec succès dans la chambre. Bien que pesant moins de quatre livres, ce véhicule grandeur nature contient tout ce qu'il faut pour voler de façon autonome sur Mars. Dans quelques mois, il sera fixé à la soute d'un rover à six roues en préparation de la mission Mars 2020. Si tout se passe bien, le giravion sera déployé sur la surface martienne en 2021, où, pendant 30 jours, il tentera cinq vols historiques. "C'est un changement de jeu ", dit Aung, qui est le chef de projet de l'hélicoptère Mars. "Pour l'instant, nous explorons l'espace lointain depuis l'orbite ou à l'aide de rovers, mais nous n'avons pas de véhicules qui profitent de la dimension aérienne. Cela nous permettra d'atteindre des endroits où nous ne pouvons pas aller avec des rovers, ou même avec des astronautes."

La gravité sur la planète rouge représente environ 38 pour cent de celle de la Terre, mais la mince atmosphère présentait ce que beaucoup de gens bien avisés croyaient être un véritable show-stopper. Moins d'air, bien sûr, signifie moins de portance. Pour les avions conventionnels, cela se traduit par des courses au décollage extrêmement longues et rapides, et les atterrissages seraient encore plus intimidants. Mais un hélicoptère semblait être une alternative potentielle puisque, contrairement à un avion à voilure fixe, ses pales créent leur propre flux d'air pour générer de la portance. Comme l'explique Aung, "un hélicoptère/aéronef à voilure tournante peut atteindre la vitesse requise tout en restant immobile/stationnaire.

En théorie, du moins. Mais sur le plan pratique, personne ne savait si les pales pouvaient tourner assez vite pour supporter les moteurs, l'avionique et les commandes de vol du fuselage, sans parler des caméras, des radios et des antennes - bref, tous les composants nécessaires pour rendre l'appareil utile sur Mars. Pour bien comprendre le défi, considérez que l'altitude la plus élevée jamais atteinte par un hélicoptère sur Terre était d'environ 40 000 pieds. Sur Mars, la mince atmosphère équivaudrait à une tentative de vol d'hélicoptère à 100 000 pieds.

Larry Young (du Centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley) a commencé à étudier la question en 1997. "Au début, j'étais un peu sceptique, dit-il. "Cependant, grâce à une analyse supplémentaire de premier ordre utilisant les connaissances aérodynamiques des micro-rotorefs et autres microvéhicules aériens - que j'étudiais également à l'époque - et des informations sur les tendances de masse et de centrage dérivées des avions HALE (haute altitude et longue endurance), j'ai conclu qu'un hélicoptère Mars de moins de 100 kg (220 livres) pourrait en effet être possible".

Des essais en vol stationnaire d'un rotor à quatre pales de huit pieds de diamètre et ultra-léger construit par Micro Craft ont été effectués dans la chambre d'essai environnementale N-242 à Ames. Le succès du programme a incité Young à publier un article sur la viabilité du concept.

Pendant ce temps, Bob Balaram, ingénieur indépendant du JPL, a assisté à une conférence sur la robotique à San Francisco. Lors d'une présentation sur les hélicoptères miniatures proposés, Balaram s'est rendu compte que le nombre de Reynolds - qui exprime la performance d'une voilure en fonction de la densité et de la viscosité de l'air dans lequel elle fonctionne - de ces "mésicoptères" miniatures serait approximativement le même qu'un hélicoptère avec une aile plus grande dans un air plus fin. " Donc, c'est un peu à l'échelle", dit-il.

L'Université Stanford a fourni un rotor de huit pouces de diamètre monté sur un pivot dans la chambre à vide de 10 pieds du JPL, qui a été réaménagé pour simuler l'atmosphère sur Mars. Lorsque les pales ont tourné à 7 000 tr/min, le pivot a changé d'angle, ce qui a démontré qu'une portance suffisante pouvait être générée pour voler dans l'environnement martien - en supposant, bien sûr, que le véhicule était assez léger. Hélas, les fonds pour le programme ne se sont jamais matérialisés.

L'idée est restée sur les tablettes jusqu'en 2012, date à laquelle Aung a fait visiter la Division Systèmes Autonomes à Charles Elachi, alors directeur du JPL. Dans l'un des laboratoires, des drones étaient utilisés pour démontrer les algorithmes de navigation embarqués. Elachi s'est tourné vers le directeur financier René Fradet et lui a demandé : "Hé, pourquoi ne pas le faire sur Mars ?" Balaram a dépoussiéré ses vieilles recherches et informé Elachi de ses découvertes. Après y avoir réfléchi pendant une semaine, Elachi a dit à Balaram : "Bon, j'ai de l'argent pour tes études."

Dès le départ, les ingénieurs ont dû relever un double défi : concevoir un hélicoptère capable de voler sur Mars tout en survivant aux "sept minutes de terreur" de l'atterrissage sur la planète rouge fixée au fond d'un rover d'une tonne. Pour des raisons de conditionnement, la longueur des pales ne devait pas dépasser 1,2 mètre (quatre pieds).

JPL a fait appel à AeroVironment, l'entreprise d'ingénierie avancée du sud de la Californie qui avait créé l'un des premiers drones déployés au combat, le FQM-151 Pointer, pour construire un modèle d'essai miniature à échelle 1/3. Le véhicule a été monté sur un rail vertical dans la chambre à vide de 25 pieds du JPL, un site historique national officiellement connu sous le nom de simulateur spatial, où tous les engins spatiaux construits dans l'installation depuis 1962 ont été testés. Avec les pales tournant à 8 000 tr/min (pour compenser l'échelle réduite), le drone a produit suffisamment de portance pour s'élever du sol. Cela a incité JPL à investir un peu plus d'argent pour voir à quel point le modèle pouvait voler sans rail pour le maintenir dans la ligne droite et étroite. Avec Matt Keennon, le meilleur drone d'AeroVironment, utilisant un joystick, le modèle a volé librement dans la chambre. Trop librement, en fait, d'où le crash spectaculaire de la vidéo Worst Drone Pilot Ever.

"Les giravions sont très difficiles à modéliser ", explique Håvard Fjær Grip, un pilote d'aéronef à voilure fixe qui dirige l'équipe de guidage, de navigation et de contrôle de l'hélicoptère Mars. "Lorsque nous avons piloté le véhicule, nous nous attendions à ce qu'il ne se comporte pas exactement comme le modèle [informatique], et ce n'est pas le cas. Mais il a fait ce qu'il devait faire, montrant qu'il pouvait produire assez de poussée pour décoller."


Financement de la NASA pour le projet "Hélicoptère Mars"

Prototype de l'hélicoptère d'exploration de Mars - NASA
Prototype de l'hélicoptère d'exploration de Mars - NASA © Ashly Cullumber

En janvier 2015, la NASA a accepté de financer le développement d'une itération grandeur nature, connue sous le nom de "véhicule de réduction des risques", sur la base des résultats des essais à l'échelle 1/3 de ces engins, qui se sont révélés être les plus efficaces. En tant que chef de projet, Aung a réalisé que le programme exigeait une structure multidisciplinaire. Elle a réuni une équipe de scientifiques, d'ingénieurs et de techniciens qui ont mis à profit toute l'expertise de la NASA. En termes d'équivalents temps plein, le nombre d'employés n'a jamais dépassé 65, mais Aung affirme que plus de 150 personnes ont travaillé sur le programme au JPL, à AeroVironment et aux centres de recherche de la NASA à Ames et Langley.

Toutes les décisions concernant la conception de l'hélicoptère ont été filtrées à travers le prisme de la masse. Balaram, un randonneur invétéré dont le mur du bureau est dominé par une photo de paysage dramatique prise dans un de ses campings, a mis le véhicule au régime. "J'ai utilisé la même philosophie que pour mon sac à dos, dit-il. Chaque gramme supplémentaire signifiait plus d'énergie pour le soutenir, ce qui ajoutait encore plus de poids, ce qui exigeait encore plus d'énergie - un cercle vicieux qui menaçait l'ensemble du projet. "Il fut un temps où nous avions un problème de masse un peu farfelu, et c'était un défi de rester dans les limites dictées par la physique," reconnaît Balaram.

Pour s'adapter parfaitement sous le rover de Mars, l'équipe a rejeté un rotor de queue conventionnel en faveur d'une conception coaxiale comportant deux pales horizontales tournant dans des directions opposées pour annuler leur couple respectif. Les rotors sont montés sur un mât central. Au sommet du mât, un panneau solaire capte l'énergie pour les batteries lithium-ion. En bas se trouve un petit cube d'environ deux pieds carrés. Un plus petit conteneur à coque rigide à l'intérieur de ce fuselage abrite la plus grande partie du matériel (et des logiciels). Quatre pattes étroites mais flexibles en fibre de carbone servent de système d'atterrissage low-tech.

L'hélicoptère transporte huit moteurs électriques. Les rotors sont alimentés par une paire d'unités CC à semi-conducteurs à 23 pôles remplies d'un fil de cuivre carré que Keennon d'AeroVironment a enroulé à la main au microscope, un processus incroyablement fastidieux qui a pris 100 heures par moteur. Les six autres moteurs entraînent les plateaux cycliques fixés à chacun des rotors. (Les plateaux cycliques modifient l'angle des pales pour permettre à l'hélicoptère de se mettre en tangage, en roulis et en lacet.)

Le système de batterie lithium-ion provient de l'industrie du vaping. La technologie du téléphone cellulaire a fourni le processeur de haut niveau et les caméras - un appareil photo couleur de 13 mégapixels pour prendre des photos haute résolution et un appareil photo noir et blanc pour fournir des données au système de navigation visuelle relativement grossier. Le processeur de bas niveau vient du monde de l'automobile ; le télémètre laser, des applications robotiques. "Cela n'aurait pas été possible sans les composants commerciaux disponibles sur le marché ", explique M. Grip.

Malgré cela, presque toutes les solutions de conception ont créé un nouveau problème. Par exemple, les pales étaient faites de fibre de carbone légère pour pouvoir tourner le plus vite possible. Mais ils ont dû être renforcés lorsqu'il s'est avéré que la mince atmosphère sur Mars n'avait pas les qualités naturelles d'amortissement qui réduisent les vibrations et les résonances catastrophiques ici sur Terre. Très tôt, l'équipe avait espéré économiser quelques grammes en équipant le rotor supérieur d'un collectif, qui contrôle l'altitude, mais pas de cyclique, qui contrôle le tangage et le roulis. (Le rotor inférieur a les deux.) Mais ces plans ont été abandonnés lorsqu'il est devenu évident que l'hélicoptère avait besoin d'une plus grande autorité de contrôle. L'équipe a donc "affûté ses outils", comme le dit Aung, pour réduire son poids ailleurs.

En mai 2016, Aung et compagnie avaient suffisamment confiance pour libérer l'hélicoptère martien dans la chambre à vide de 25 pieds. Pour compenser la gravité de la Terre, le modèle a dû être réduit à 850 grammes (1,9 livre), de sorte que le système d'alimentation, les ordinateurs et l'avionique ont été retirés du véhicule et reliés au fuselage par une longue corde.

Le vol de réduction des risques, entièrement autonome, s'est déroulé sans accroc. Et pourtant, les membres de l'équipe étaient assis, le visage de pierre, en regardant. "Les gens disaient : " Vous maîtrisiez la situation ", dit Aung en se rappelant les jibes amicales de ses collègues. "Mais nous étions si heureux. Il n'y a aucun moyen de décrire ce que nous avons ressenti."

Ce succès a fait passer le programme d'un simple coup de projecteur sur le radar de la NASA à quelque chose qui mérite d'être observé de plus près. Une nouvelle ronde de financement a permis de financer deux modèles de conception technique (EDM), qui serviraient de modèle pour l'hélicoptère martien actuel, si la NASA décidait de le construire. Mais dès le début de la construction, l'équipe a découvert qu'elle avait mal calculé le budget thermique.

Les deux tiers de l'énergie produite par les batteries étaient destinés à les garder au chaud pendant les nuits glaciales martiennes, ce qui s'est avéré plus difficile que prévu. Le panneau solaire a été agrandi et des cellules de batterie supplémentaires ont été ajoutées, ce qui signifie plus de poids. Heureusement, les moteurs de Keennon se sont avérés plus éconergétiques que prévu, ce qui a permis d'économiser de la masse. En fin de compte, le véhicule pesait un peu moins de quatre livres.

Le 9 janvier 2018, EDM-1 est entré dans le simulateur spatial du JPL. En plus de simuler l'anémie de l'atmosphère martienne, la chambre a été remplie en grande partie de dioxyde de carbone pour imiter l'environnement pauvre en oxygène de la planète rouge. Pour simuler la gravité martienne, le véhicule a été attaché à un câble d'attache appelé système de déchargement par gravité, ce qui a essentiellement permis à l'EDM-1 de rester dans la nacelle. Le vol d'essai a été un slam dunk. Mais cette fois, au lieu de recevoir une étoile d'or figurative de la NASA, l'équipe a obtenu la bague en laiton, une place très convoitée comme démonstrateur technologique dans le cadre de la mission Mars 2020.

Les scientifiques de la NASA et du JPL ont déjà commencé à réfléchir à l'avenir des hélicoptères martiens. Aung dit que la mince atmosphère les limitera probablement à 10 à 15 kilogrammes (22 à 33 livres), ce qui signifie qu'ils ne seront pas assez gros pour transporter des êtres humains. Mais ils seront équipés d'instruments scientifiques aussi lourds qu'un kilo et demi. "Les futures versions des aéronefs à voilure tournante de Mars seront en mesure d'effectuer des missions soutenues qui couvriront des régions de terrain autrement inaccessibles et d'effectuer des campagnes scientifiques " interactives en surface " comme l'analyse du sol et des roches et le prélèvement d'échantillons ", explique M. Young. "De tels véhicules pourraient entrer dans des cratères, voler près de falaises ou d'autres grandes formations rocheuses, ou faire des relevés à basse altitude des anciens lits et deltas de rivières."

Cela dit, la pièce maîtresse de l'expédition Mars 2020 ne sera pas l'hélicoptère mais le rover qui le transportera dans l'espace. Alors que la mission du rover devrait théoriquement durer près de deux années terrestres, l'hélicoptère ne disposera que de 30 jours pour faire son travail. L'objectif premier est simplement de démontrer la faisabilité du concept. Les espoirs sont grands, mais pas les attentes. "Nous ne sommes pas une mission phare dotée d'un budget d'un milliard de dollars ", dit Balaram. "Nous sommes une démo très maigre, de petite technologie, à haut risque, à haut risque, à haut échec."

Les batteries limitent le temps de vol à 90 secondes, et il y a assez d'énergie pour ne décoller qu'une fois par jour. La vitesse maximale sera de 10 mètres par seconde (environ 22 milles à l'heure) - deux mètres par seconde de vitesse au sol tout en permettant jusqu'à huit mètres par seconde de vent - et l'altitude sera limitée à 16,5 pieds. La capacité de l'hélicoptère à cartographier le terrain est marginale, de sorte qu'il atterrira sur l'endroit plat et ouvert d'où il a été lancé. Le vol le plus ambitieux du programme prévoit que le véhicule doit voler 500 pieds avant de retourner au site de lancement.

Et après ça ? À DÉTERMINER. On ne sait pas exactement à combien de cycles de froid les composants peuvent survivre, et il est impossible que l'hélicoptère puisse supporter l'hiver martien brutal. Comme le dit Aung, "C'est construit selon les standards de la démo technique, et ce n'est pas fait pour durer éternellement." D'autre part, les véhicules que JPL a construits pour Mars ont acquis la réputation d'aller au-delà de l'appel du devoir. Les rovers Spirit et Opportunity, conçus pour survivre environ trois mois chacun, ont prospéré pendant six ans et quatorze ans, respectivement. Balaram dit que l'équipe a déjà doublé l'hélicoptère Wendy.

Wendy ? Pourquoi Wendy ?

Balaram sourit et explique : "Pour "nous ne sommes pas encore morts.""


Page de la Nasa sur l'hélicoptère de Mars : https://www.nasa.gov/press-release/mars-helicopter-to-fly-on-nasa-s-next-red-planet-rover-mission

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Vidéo : NASA Mars Helicopter Technology Demonstration