avia.wikisort.org - Hélicoptère

Ingenuity ou Mars Helicopter Scout (MHS) est un petit hélicoptère d'un peu moins de deux kilogrammes développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, qui est mis en œuvre à titre expérimental sur le sol de la planète Mars au cours de la mission Mars 2020, lancée le 30 juillet 2020 à bord d'une fusée Atlas V et dont l'atterrissage a eu lieu le 18 février 2021. L'hélicoptère est embarqué à bord du rover Perseverance avant d'être déposé le 3 avril 2021 sur le sol martien[1].

Le 19 avril 2021, pour la première fois dans l'histoire de l'ère spatiale, un engin effectue 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 par des délais de communication qui interdisent tout contrôle direct du vol par un opérateur humain.

Contexte : l'exploration du système solaire par des aérobots

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 se 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 Vega et étudie avec succès l'atmosphère de Vénus[2]. En 2021, ce ballon reste le seul aérobot à avoir été mis en œuvre[2]. Le cas de la planète Mars, cible privilégiée de l'exploration spatiale, est une destination compliquée pour ce type d'engin. L'atmosphère très ténue (seulement 1 % de la pression atmosphérique présente sur Terre) ne permet de produire qu'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 planeurs ou d'avions propulsés ont été étudiés et proposés à la NASA, sans qu'aucun ne soit retenu[3].

Développement du projet d'hélicoptère martien

Une étude suggérant le recours à un hélicoptère autonome pour explorer Mars est publiée en 2002[4]. En 2014, un article décrivant le concept d'hélicoptère martien préfigurant Ingenuity, est publié par AeroVironment et le Jet Propulsion Laboratory[5]. En mai 2018, 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 Mars 2020[6]^,[7]. 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 du 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 la chambre à vide de 7,5 mètres de diamètre du JPL, dans laquelle est reproduite la composition de l'atmosphère raréfiée de Mars et sont simulées sa pression (1 % de celle de l'atmosphère terrestre) et les températures extrêmes (jusqu'à −90 °C). Pour reproduire la pesanteur de Mars (un tiers de celle de la Terre), une élingue dont la tension est adaptée en permanence soulève l'hélicoptère[5]^,[8]^,[9].

Le petit hélicoptère est baptisé Ingenuity (Ingéniosité) à la suite d'un appel à nommage lancé par la NASA auprès des élèves et étudiants américains[10].

Choix architecturaux

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

Un hélicoptère martien est handicapé par l'atmosphère ténue de Mars. En effet, la puissance requise pour sustenter l'engin (W) est définie de la manière suivante :

${\displaystyle P={\sqrt {\frac {F_{z}^{3}}{2\rho S}}}}$

où :

• ${\displaystyle F_{z}}$ est la portance du rotor (N)
• ${\displaystyle S}$ est la superficie du disque rotor (${\displaystyle m^{2}}$)
• ${\displaystyle \rho }$ est la masse volumique de l'atmosphère martienne (${\displaystyle kg/m^{3}}$)

En vol stabilisé, la portance ${\displaystyle F_{z}}$ est égale en module et opposée au poids ${\displaystyle mg}$ de l'engin, où ${\displaystyle m}$ est sa masse et ${\displaystyle g}$ la gravité sur Mars.

La puissance requise est donc proportionnelle à la puissance 3/2 de la masse à sustenter, et inversement proportionnelle à la puissance 1/2 de la masse volumique de l'atmosphère.

La pression atmosphérique martienne est environ 100 fois plus faible que la pression terrestre. Par contre, l'atmosphère martienne étant essentiellement constituée de gaz carbonique, sa masse volumique est 50% plus élevée dans les mêmes conditions de température et de pression. En tablant sur la valeur moyenne de pression de 600 Pa, on peut estimer que la masse volumique atmosphérique ${\displaystyle \rho }$ est 100 fois plus faible sur Mars que sur Terre au niveau du sol.

A contrario, la gravité martienne ${\displaystyle g}$ vaut 38 % de celle de la Terre, ce qui aide la sustentation.

Le rapport ${\displaystyle {\sqrt {\frac {g^{3}}{\rho S}}}}$ est, pour une même superficie du disque rotor, 2.34 fois plus élevé sur Mars que sur Terre (${\displaystyle {\sqrt {\frac {0.38^{3}}{0.01}}}}$ = 2.34).

Pour limiter la puissance nécessaire au vol sur Mars, et donc préserver une autonomie satisfaisante, une superficie du disque rotor plus élevée que celle d'un hélicoptère terrestre de masse équivalente est nécessaire.

Une difficulté supplémentaire est liée à la vitesse du son plus faible sur Mars (240 m/s contre 340 m/s sur terre). Ceci oblige à diminuer la vitesse de rotation du rotor dans les mêmes proportions, ce qui n'est favorable ni au bilan de masse, ni au rendement du moteur électrique s'il n'est pas équipé d'un train d'engrenages pour réduire la vitesse du rotor par rapport à celle du moteur.

Type d'aéronef

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[11].

Contraintes de masse

Pour parvenir à faire voler l'hélicoptère dans l'atmosphère de Mars, il fallait concevoir un engin suffisamment léger, ce 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[9]. Ainsi, il est conçu pour que sa masse ne dépasse pas 1,8 kg[8] (soit un poids de 6,69 newtons sur le sol martien).

Une phase d'atterrissage délicate

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 est conçu pour encaisser cette vitesse sur un sol qui peut présenter une pente importante[12].

• Assemblage de l'hélicoptère (2019)
• 
  L'hélicoptère est fixé sous le châssis du rover avec ses hélices alignées en position couchée sur le côté (avril 2020).
• 
  L'hélicoptère et quelques membres du projet.

Caractéristiques techniques

Structure

Les dimensions du fuselage de l'hélicoptère sont de 13,6 × 19,5 centimètres, soit l'équivalent du 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 vertical, dans lequel circulent les liaisons électriques reliant le processeur aux rotors ainsi qu'au vaisseau mère (l'astromobile Perseverance) durant le transit vers Mars. Sur ce tube 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 au 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[13]^,[14]. 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[15].

Propulsion

L'hélicoptère se déplace dans les airs grâce à deux rotors contrarotatifs 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 dix fois celle d'un rotor principal d'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)[16].

Énergie

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 accumulateurs 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. D'une capacité équivalente à seulement trois batteries de smartphone, ils sont rechargés par des cellules photovoltaïques qui sont fixées au-dessus des rotors et qui ont une surface active de 544 cm². Sur ces 36 watts-heures, 30% (10,7 watts-heures), sont gardés en réserve. 21 watt-heures environ sont nécessaires 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. 10 watts-heures sont disponibles pour 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[15]^,[17]. L'emplacement des batteries, entourées par les circuits électroniques qui contrôlent l'appareil, est étudié pour que ces éléments maintiennent de manière efficace une température correcte pendant leur mission sur le sol martien[18].

Capteurs

Les capteurs, qui sont des composants achetés sur le marché, comprennent une caméra de navigation noir et blanc, une caméra couleur haute définition, une centrale à inertie, un inclinomètre et un altimètre[19] :

• La caméra de navigation NAV (NAVCAM) 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 définition (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° sous l'horizon. Elle doit effectuer quelques prises d'image du terrain qui sont transmises à la 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 2 axes utilise également la technologie MEMS.
• L'altimètre fourni par Garmin mesure l'altitude jusqu'à une hauteur de quelques dizaines de mètres.

Télécommunications

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 à une fréquence de 900 MHz avec une puissance d'émission de 0,9 watt en consommant 3 watts à l'émission et 0,15 watt 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 1 000 mètres. En vol, l'hélicoptère ne reçoit pas mais émet pour communiquer les données collectées[17].

Avionique et processeurs

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 FPGA, qui prend en charge certaines fonctionnalités comme le contrôle d'attitude (avec une fréquence de rafraichissement 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 FPGA est une version militarisée du ProASIC3L de MicroSemi[20].

Le système d'exploitation choisit pour gérér Ingénuity est GNU/Linux. Linux est en fait l'une des plates-formes les plus stables. Selon Open Source pour U, "la disponibilité des serveurs Linux est très élevée et la disponibilité est d'environ 99,9 %[sic]", ce qui signifie qu'Ingenuity "n'a pas besoin de redémarrer [le] serveur Linux après chaque mise à jour ou correctif". Il s'agit d'une caractéristique très importante pour le premier drone hélicoptère nouvellement construit de Mars, qui sera le premier avion à effectuer un vol atmosphérique contrôlé sur n'importe quelle planète au-delà de la Terre. (article de https://www-datamachines-io.translate.goog/blog/linux-on-mars-how-the-operating-system-will-support-ingenuitys-first-flight-on-mars?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=fr&_x_tr_hl=fr&_x_tr_pto=op,wapp)

Système de navigation

Compte tenu de la distance entre la Terre et Mars, il n'est pas possible à un opérateur sur Terre de contrôler l'hélicoptère en vol : un signal radio met en moyenne douze minutes pour parvenir jusqu'à sa destination. L'hélicoptère doit donc disposer d'un système de navigation lui permettant de prendre des décisions de manière autonome en s'appuyant sur les instructions transmises avant le vol par les opérateurs sur Terre tout en prenant en compte les différents facteurs perturbateurs tels que le vent, les anomalies de fonctionnement des systèmes embarqués, etc. Les instructions décrivent précisément les différentes phases de vol théorique (altitude, vitesse, points de passage, site d'atterrissage). Le système de navigation utilise les données fournies par l'altimètre laser (distance au sol), la caméra (images du sol) et la centrale à inertie (accélération et vitesse de rotation) pour déterminer l'orientation de l'hélicoptère, sa position, la vitesse et sa direction. Lors du décollage et jusqu'à 1 mètre du sol, seules les données de la centrale à inertie sont exploitées car la poussière soulevée peuvent perturber la caméra et l'altimètre[21].

Durant le vol, le système de navigation s'appuie d'abord sur les données de la centrale à inertie pour déterminer la position, la vitesse et l'orientation de l'hélicoptère. À partir de ces données, il transmet éventuellement des instructions au système de contrôle de la propulsion pour corriger les paramètres de vol. Ces instructions sont transmises 500 fois par seconde. Pour pallier la dérive de la centrale à inertie, le système de navigation s'appuie également sur les photos du sol prises par la caméra à un rythme de trente images par seconde. Chaque photo prise est comparée à la précédente. Le changement de position des éléments les plus remarquables (variations de couleur, rochers, ondulation de terrain) est rapproché par l'algorithme du logiciel avec ce qu'il aurait dû être compte tenu des instructions transmises par la Terre. En cas de déviation, des instructions de correction sont transmises au système contrôlant la propulsion[22].

Durant la phase d'atterrissage, pour les mêmes raisons qu'au décollage (poussière), seules les données de la centrale à inertie sont utilisées pour guider l'hélicoptère dès que l'altimètre indique que celui-ci se trouve à moins d'un mètre du sol[21]

Des capacités opérationnelles très réduites

Ingenuity est un engin qui a des capacités opérationnelles particulièrement réduites. L'énergie dont il dispose lui fournit une autonomie de seulement 90 secondes car la faible densité de l'atmosphère martienne nécessite de faire tourner à grande vitesse ses rotors et ses batteries sont limitées par sa capacité d'emport découlant également de la faible portance de ses pales. Il ne peut voler de nuit car son système de guidage repose sur les images prises par ses caméras. En début de journée, l'hélicoptère doit reconstituer l'énergie perdue durant la nuit pour maintenir une température minimale dans ses systèmes (la température sur Mars chute à −90 °C durant la nuit). Il ne doit également pas voler trop tard dans la journée, car il lui faut reconstituer alors l'énergie perdue pour survivre à la nuit qui suit. Tous ces paramètres font que seulement un tiers environ de l'énergie dont dispose Ingenuity est réellement utilisée pour le vol à proprement parler[18]. Enfin, le vent ne doit pas souffler trop fort[23].

Mise en œuvre

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 de ses différents sous-systèmes 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 × 10 mètres 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 × 6,6 kilomètres) était de 75 %. L'hélicoptère est alors déposé sur la zone d'atterrissage 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 trente 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[6]. Une fois la phase d'expérimentation achevée, il était initialement prévu d'abandonner l'hélicoptère à l'endroit du site de son dernier atterrissage après le cinquième et dernier vol d'essai programmé. Toutefois, vu les résultats très encourageant des quatre premiers vols dépassant toutes les espérances, la NASA a décidé de prolonger la mission d'Ingenuity et de passer à une phase opérationnelle pilote durant laquelle l'hélicoptère effectuerait des missions de reconnaissance pour l'astromobile au début de sa mission scientifique. Les tests effectués durant les cinq premiers vols programmés et le début de la phase opérationnelle pilote sont les suivants[7]^,[24]:

Détails des six premiers vols[25]

N° vol	Objectif	Déroulement
1	Validation fonctionnement en vol	Vol effectué vers 11 heures du matin (vents faibles). Ascension à 3 m avec une vitesse verticale de 1 m/s, vol stationnaire durant 20 secondes et descente avec une vitesse verticale de 1 m/s (voir animation/vidéo en annexe).
2	Vol horizontal distance réduite	Vol jusqu'à 5 m de hauteur et quelques mètres de distance.
3	Vol horizontal distance accrue	Distance horizontale portée à 50 m.
4	Vol horizontal distance accrue	Distance horizontale portée à 266 m.
5	Objectif fixé en fonction des résultats des vols précédents	Vol sur une distance de 129 m. Altitude record de 10 m. Site d'atterrissage différent de celui de décollage.
6	Atterrissage sur un autre site jamais exploré et photographié	Premier vol de la phase opérationnelle pilote. Atterrissage impromptu à la suite d'oscillations incontrôlées en vol causées par un problème du système de navigation, mais Ingenuity a survécu.

Déroulement des tests sur Mars

Préparation

Deux jours après l'atterrissage de Mars 2020 à la surface de la planète le 18 février 2021, l'hélicoptère transmet des informations sur son statut[26]. Le cache qui protège l'hélicoptère des débris à l'atterrissage est largué le 21 mars puis Ingenuity est progressivement déployé avant d'être déposé sur le sol début avril[27].

Le fonctionnement du rotor est testé le 9 avril mais est interrompu par un dispositif de protection du logiciel de vol. Le premier vol est repoussé au 14 puis au 17 avril[28]^,[29].

Premier vol

Le premier vol est réalisé avec succès le lundi 19 avril 2021. Ingenuity devient le premier engin propulsé volant mis en œuvre sur un autre corps du système solaire que la Terre. Durant ce test d'une durée de 39 secondes l'hélicoptère s'élève de 3 mètres puis effectue un vol stationnaire avant de se reposer[30]^,[31].

Second vol

Le second vol comprenant un déplacement horizontal de deux mètres est effectué le jeudi 22 avril[32].

Troisième vol

Au cours du troisième vol qui a lieu le 25 avril 2021. Ingenuity effectue une boucle de 100 m à une altitude de 5 m en s'éloignant de 50 mètres de son point de départ[33]^,[34].

Quatrième vol

La première tentative de 4ème vol d'Ingenuity le 29 avril 2021 n’a pas abouti en raison de l'impossibilité pour l'hélicoptère de passer en mode vol. La seconde tentative réalisée le 30 avril 2021, à 14 h 49 UTC, a réussi et a duré 117 secondes[35]. Comme pour les deux vols précédents, l'hélicoptère est d’abord monté à une altitude de 5 mètres. Il a ensuite volé vers le sud sur une distance de 133 mètres puis est revenu à son point de départ en réalisant un parcours aller et retour de 266 mètres[36]. Un nombre record d'images a été capturé, environ 60 au total pendant les 50 derniers mètres avant que l'hélicoptère ne fasse demi-tour[36].

Cinquième vol

Le 7 mai, peu avant le cinquième vol d'Ingenuity, la NASA publie le premier enregistrement sonore de l'hélicoptère en vol qui a été enregistré par un microphone placé sur l'astromobile Perseverance lors du quatrième vol d'Ingenuity. Cet enregistrement est à la limite des capacités du système d'enregistrement car la très faible densité de l'atmosphère martienne (1 % à peine de celle de l'atmosphère terrestre) et sa composition très différente (96 % CO₂) limitent la propagation du son. L'atmosphère très ténue de Mars atténue considérablement la propagation des ondes sonores qui sont également perçues comme beaucoup plus sourdes. Comme l'hélicoptère se trouve à plus de 80 mètres du microphone de la Supercam du rover Perseverance, il a fallu amplifier le signal sonore et soustraire le bruit de fond généré par les rafales de vent pour obtenir un rapport signal sur bruit audible[37]^,[38].

Le cinquième vol a lieu le 7 mai 2021. Ingenuity monte à une altitude de 10 m et parcourt une distance horizontale de 129 m à la vitesse de 3,5 m/s. Le vol dure 108 secondes et, pour la première fois, l'hélicoptère ne retourne pas à son point de départ mais se pose sur un nouveau site d'atterrissage[39]. Ce cinquième vol marque la fin de la phase de démonstration technologique de l'engin.

Sixième vol

Le sixième vol réalisé le 22 mai 2021 a été un succès partiel, car en raison d'une défaillance technique, Ingenuity a dû se poser précipitamment et précocement juste 5 m avant de pouvoir atteindre le nouveau site d'atterrissage prévu. Cependant, la bonne nouvelle est que l'hélicoptère a survécu à ce moment difficile et imprévu[40]. L'unité de mesure à inertie (IMU) de l'hélicoptère responsable de la navigation doit constamment recalibrer et corriger ses résultats en les comparant très fréquemment avec ceux issus de l'analyse d'images du sol prises par la caméra de navigation arrière d'Ingenuity. Trente images sont prises chaque seconde. L'origine du problème provient d'une erreur de transmission d'une seule image par cette caméra au calculateur de navigation. La perte de données ainsi occasionnée a provoqué une erreur cumulée dans l'horodatage (timestamp) des images suivantes qui ont toutes été décalées dans le temps de quelques dizaines de millisecondes. Cela a suffit pour causer des erreurs de calculs cumulées sur la position, la vitesse, l'altitude et l'attitude de l'engin qui s'est mis à osciller dangereusement. Heureusement, la robustesse d'autres systèmes embarqués contrôlant la phase d'atterrissage et ne nécessitant pas les images de navigation a permis un atterrissage en douceur de l'hélicoptère[40]. Malgré elle, la NASA a exploré les limites de l'enveloppe de vol d'Ingenuity et dispose ainsi de données inédites et acquises en conditions réelles dans l'atmosphère très ténue de Mars qui lui permettront peut-être d'améliorer la robustesse du programme de calcul de navigation autonome d'Ingenuity.

Septième vol

Le 8 juin 2021 à 15:54 (UTC), Ingenuity a réalisé un vol de 62,8 secondes à une vitesse maximale de 4 m/s. Il a parcouru 106 m à une altitude de 3 m au-dessus du sol pour atterrir à un nouvel endroit non encore reconnu situé au sud de son lieu de départ[41]^,[42]^,[43]. C'est le second vol de l'hélicoptère à avoir atterri sur un nouveau site sans l'avoir survolé au préalable. Cependant, l'équipe d'Ingenuity s'était assurée auparavant que le site d'atterrissage n'était pas trop accidenté grâce aux images de la caméra HiRISE embarquée à bord de l'orbiteur MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) de la NASA. L'objectif de ce vol était la collecte de photographies couleurs stéréos afin de tester la faisabilité de prises de vue aérienne pour faciliter la navigation du rover Perseverance. Le vol s'est déroulé sans encombre.

Huitième vol

Le 22 juin 2021 à 0:27 (Sol 120), Ingenuity a volé environ 160 m dans la direction sud- sud-est (157,5 degrés dans le sens horlogique à partir du nord) pour atterrir sur le site E, à environ 133,5 m de Persévérance[44]^,[45]. La durée du vol a été de 77,4 secondes, l'altitude maximale de 10 m, la distance horizontale de 160 m, la vitesse maximale de 4 m/s. Le vol a été couronné de succès.

Le 25 juin 2021, le JPL a également annoncé avoir téléchargé la semaine précédente une mise à jour du programme de contrôle de vol pour résoudre définitivement le problème du micro-contrôleur ("watchdog"), et que le test du rotor et le huitième vol ont confirmé que la mise à jour fonctionnait[46].

La NASA doit encore réaliser une autre mise à jour critique affectant une partie importante du logiciel de contrôle de vol afin de pouvoir résoudre les problèmes rencontrés lors du sixième vol avec la surcharge du processeur central (CPU) due à la lourdeur du transfert des photos de la caméra couleur (13 megapixels). Le problème n'étant pas encore résolu, les vols 7 et 8 n'ont pas utilisé la caméra couleur afin d'éviter de répéter l'incident du vol 6. Cette mise à jour importante devrait être faite avant le neuvième vol[46].

Neuvième vol

Lors du neuvième vol réalisé le 5 juillet 2021 à 9:03 (UTC) (Sol 133), Ingenuity parcourt une distance record de 625 m (aller simple) en 166,4 secondes en direction du sud à la vitesse de 5 m/s. Il survole le site de Séítah particulièrement intéressant sur le plan scientifique, mais difficile d'accès pour Perseverance du fait de ses ondulations sableuses. Ce neuvième vol est risqué en raison de la topographie inégale du terrain. Le survol du site de Séítah couvert de dunes de sable de hauteur variable rend difficile la tâche du système de navigation qui s'appuie sur les images du sol pour déterminer la trajectoire. même si l'hélicoptère ralentit lors de la partie la plus délicate de son parcours. Il s’est posé sans encombre au point F[47]^,[48]^,[49].

Dixième vol

Le dixième vol est réalisé le 24 juillet 2021 (Sol 152). Il a duré 165,4 secondes. Ingenuity a parcouru une distance de 233 m à 12 m d’altitude et à une vitesse moyenne de 5 m/s. Entre les points de départ et d’arrivée (nouveau site d’atterrissage G), Ingenuity a survolé en direction du sud et de l’ouest les Raised Ridges (18,42808° N, 77,44373° E) en passant par 8 points de cheminement où il a pris quatre paires de photographies couleurs, permettant ainsi une représentation stéréoscopique du terrain[50]. Ces photographies sont destinées à préparer la future visite des Raised Ridges par le rover Perseverance[51]^,[52]^,[53].

Onzième vol

Le onzième vol a eu lieu le 5 août 2021 à 4:53 (Sol 163)[54]^,[55]. Ce vol est une étape de transition destinée à déplacer l’hélicoptère vers un nouvel endroit scientifiquement intéressant pour le rover Perseverance et d’où Ingenuity pourra le guider dans ses missions de reconnaissance. Le vol a duré 130,9 secondes. Le déplacement de 383 m en direction du nord-ouest s’est effectué à une altitude maximale de 12 m et à la vitesse maximale de 5 m/s. Ingenuity a finalement atterri sur le site H (18,43278° N, 77,43919° E) d’où il pourra observer la région sud de Séítah, géologiquement intéressante.

Douzième vol

Le 16 août 2021 à 12:57 (UTC) (Sol 174), Ingenuity a réalisé son douzième vol à une altitude de 10 mètres et à une vitesse de 5 m/s afin de survoler la région sud de Séítah lors d’un trajet aller et retour de 450 mètres avant de revenir se poser à son point de départ (site H, 18,43278° N, 77,43919° E). L'hélicoptère est resté en l'air pendant 169 secondes. C'est la durée de vol la plus longue effectuée jusqu'à présent et le deuxième parcours le plus long, le rayon d'action d'Ingenuity étant surtout limité par l'échauffement de son moteur essentiellement fonction de la durée du vol. Le but de l’opération était de prendre une dizaine d’images couleurs stéréoscopiques afin d'assister l’équipe de Perseverance dans le choix des éléments les plus pertinents à étudier sur ce site[56]. L’hélicoptère totalise 22 minutes de vol cumulées au cours de ses 12 sorties[57].

Treizième vol

Le treizième vol d'Ingenuity a eu lieu le 4 septembre 2021 (Sol 193) à 12:57, heure locale martienne. La distance parcourue en boucle a été deux fois plus courte (~ 210 m) que celle du vol précédent (~ 450 m) pour une durée comparable (161 s). Le vol a été réalisé à plus basse altitude (8 m) et à plus faible vitesse (3.3 m/s) pour améliorer la précision des prises de vue. L’objectif était d’obtenir une dizaine d’images couleurs détaillées d’une zone particulière de la région de Séítah sud. Il s'agissait de compléter le relèvement topographique de la crête et des flancs d'une dune dans la direction sud-ouest, c.-à-d. en sens opposé des prises de vue du vol précédent (N° 12, photographies dans la direction nord-est). Après s’être éloigné de son point de départ (18,43278° N, 77,43919° E) d’une distance de 105 m, Ingenuity est revenu s’y poser[58].

Quatorzième vol

Le quatorzième vol d'Ingenuity a été un vol d'essai technique important, mais moins spectaculaire. Il s'est déroulé le 17 septembre 2021 (Sol 204)[59]. En raison de l'allongement de sa mission, Ingenuity est amené à voler dans d'autres conditions météorologiques à la suite des cycles des saisons sur Mars. Avec l'accroissement progressif de la température au printemps et en été, la densité de l'air diminue. Elle se réduit de 0.0145 kg/m³ à 0.012 kg/m³. L'enveloppe de vol d'Ingenuity a été conçue pour des densités de l'air comprises entre 0.0145 et 0.0185 kg/m³, soit l'équivalent de 1.2 –1.5 % de la densité de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer. Il était prévu au départ qu'Ingenuity dispose de 30 % de réserve de puissance pour le décollage et les phases ascensionnelles de ses vols. Avec la baisse de la pression atmosphérique, Ingenuity ne dispose plus que d'une marge de 8 % et s'approche des conditions de décrochage aérodynamique en cas de perte de portance. La NASA a donc décidé d'augmenter la vitesse de rotation du rotor et de la faire passer à 2 700 RPM (révolution par minute) pour regagner de la puissance. Cela implique de plus grandes sollicitations pour l'hélicoptère. Non seulement, la puissance à fournir par les batteries est plus élevée, mais les forces exercées sur les pales du rotor sont accrues. La vitesse à l'extrémité des pales s'approche de Mach 0.8, ce qui crée une traînée plus importante et risque aussi de provoquer des vibrations intempestives si la structure de l'hélicoptère entre en résonance. Le but de ce quatorzième vol était donc de tester le comportement de l'appareil dans ces conditions plus éprouvantes. Après un premier essai du rotor au sol à 2 800 RPM le 16 septembre 2021, Ingenuity a effectué le lendemain un bref bond à 5 m de hauteur et à 2 700 RPM, suivi d'un bref mouvement de va-et-vient latéral avant de revenir se poser à son point de départ. Rien de très spectaculaire, mais un essai indispensable à la poursuite des opérations dans les conditions les plus sûres possibles.

Vols suivants

Il est prévu qu'Ingenuity réalise encore un vol de démonstration opérationnelle toutes les 2 à 3 semaines jusqu'à la fin du mois de septembre 2021 pour accompagner le rover Perseverance durant les six premiers mois de son parcours d'exploration du cratère Jezero[60].

Après quoi le rover Perseverance marquera une pause dans ses opérations pour se préparer à la conjonction solaire martienne de la mi-octobre 2021 quand Mars passera derrière le soleil, ce qui interrompra les communications entre le rover sur Mars et le centre de contrôle sur Terre[60]^,[61]. Si l’hélicoptère est toujours en état de fonctionnement après cette période de blackout, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) reprendra la poursuite des vols[62].

La durée de vie de l'hélicoptère pourrait être limitée par les nuits très froides (-90 °C) à la surface de Mars et par les cycles de gel-dégel qui finiront par endommager les composants électroniques les plus critiques de l'engin.

• Vidéos des premiers vols test d'Ingenuity, filmés par le rover Perseverance.
• Vol test inaugural du 19 avril 2021.
• Second vol test du 22 avril 2021.
• Troisième vol test du 25 avril 2021.

Vers une utilisation future à des fins opérationnelles ?

Sans attendre la fin des tests d'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 de 2 kilomètres entre deux recharges de ses batteries et un temps de vol maximal de 4 minutes. La principale contrainte est le volume nécessaire pour stocker les pales des rotors. Selon une étude de la NASA publiée début 2020, le véhicule de descente des missions martiennes existantes de type Pathfinder utilisé par les astromobiles MER comme Sojourner (atterrisseur de 2,5 m de diamètre intérieur) pourrait transporter un hélicoptère d'une vingtaine de kilogrammes de type hexacoptère (six rotors) capable d'emporter une charge utile (instruments scientifiques, caméras) de 2 à 3 kilogrammes. Le volume disponible dans l'étage de descente permettrait d'embarquer des équipements supplémentaires comme un système de télécommunications, des instruments scientifiques, etc[63].

Il est très probable que les recherches réalisées pour la conception d'Ingenuity participeront au travail de recherche et développement (R&D) du projet Dragonfly, un projet de drone prévu par la NASA pour décoller en 2027 vers le plus grand satellite de Saturne: Titan.

Notes et références

Références

Bibliographie

• (en) J. (Bob) Balaram 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, janvier 2021, 33 p. (lire en ligne [PDF]) — 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, 2007 (ISBN 978-0-521-12958-9).
• (en) Shannah Withrow-Maser, Witold Koning, Winnie Kuang et Wayne R. Johnson, « Recent Efforts Enabling Martian Rotorcraft Missions », Papier de conférence,‎ janvier 2020, p. 1–10 (lire en ligne)
  Étude de faisabilité d'un hélicoptère martien de deuxième génération (1^re génération Ingenuity)
  .

Voir aussi

Articles connexes

• Exploration de Mars par Perseverance : déroulement des tests à la surface de Mars.
• Mars 2020 : mission au cours de laquelle l'hélicoptère est testé.
• Aérobot
• Dragonfly : aérobot qui doit explorer la lune Titan.

Vidéos

• Vidéo des tests de déploiement de l'hélicoptère sur le sol de Mars.
• Animation montrant un vol de l'hélicoptère.

Liens externes

• NASA Mars Helicopter flight log: accès direct aux données des vols d'Ingenuity

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На других языках

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[en] Ingenuity (helicopter)

Ingenuity, nicknamed Ginny, is a small robotic coaxial rotor helicopter operating on Mars as part of NASA's Mars 2020 mission along with the Perseverance rover, which landed on February 18, 2021. Two months later, on April 19, Ingenuity successfully completed the first powered controlled extraterrestrial flight by an aircraft—taking off vertically, hovering, and landing, for a flight duration of 39.1 seconds.[4][5][6] As of June 11, 2022, it has made 29 successful flights.[7][8] Ingenuity's 25th successful flight, which occurred on April 8, 2022, saw the helicopter set new records for highest speed and distance traveled during a single flight.[9]

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- [fr] Ingenuity (hélicoptère)

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[ru] Ingenuity

Ingenuity (с англ. — «Изобретательность»), Индженьюити[11][12] — роботизированный беспилотный вертолёт, осуществивший 19 апреля 2021 года первый полёт на Марсе. Является первым летательным аппаратом с собственным двигателем, предназначенным для многократных полётов в атмосфере другого небесного тела. Первый в истории неуправляемый полёт в атмосфере другой планеты совершил в 1985 году аэростатный зонд советской межпланетной станции «Вега-1» на Венере[13].

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