INGENUITY: voler sur Mars, le grand défi

Le 18 février dernier, vous étiez nombreux à suivre l’arrivée spectaculaire du module de descente de Perseverance et de la grue volante qui a déposé l’astromobile à la surface de Mars. Pourtant, le rover d’une tonne n’est pas arrivé seul: fixé sous son ventre, un petit démonstrateur nommé Ingenuity doit bientôt tenter le tout premier vol motorisé extraterrestre pour préparer de futures missions d’exploration volantes.

Lancement de la sonde Vega 2
La sonde Vega 2 décolle le 21 décembre 1984. Son architecture est calquée sur les sondes Venera qui s'étaient déjà posé à la surface de Vénus quelques années plus tôt. ©Albert Puchkarev/TASS

1985: le premier vol sur une autre planète

Si le terme motorisé est ici important, c’est parce qu’en 1985, les missions soviétiques Vega 1 et 2 étaient les premières à effectuer un vol sur un autre monde. 

Après plus de deux ans de voyage, les deux sondes lancées à cinq jours d’écart plongent enfin dans l’épaisse atmosphère de Vénus, ralenties sous un parachute, avant de déployer un ballon gonflé à l’hélium à une cinquantaine de kilomètres d’altitude. Avant que ses batteries ne s’épuisent, le ballon de la mission Vega 2 a ainsi parcouru 7400 kilomètres en transmettant des données pendant un peu moins de deux jours.

Comparaison des atmosphères de Mars et de la Terre
Mars fait environ la moitié de la taille de la Terre en diamètre et a une atmosphère beaucoup plus fine, avec un volume atmosphérique inférieur à 1% de celui de la Terre. La composition atmosphérique est également très différente, composée principalement de dioxyde de carbone, tandis que la Terre est riche en azote et en oxygène. Des preuves à la surface de la planète rouge suggèrent que l'atmosphère de Mars était autrefois beaucoup plus chaude et humide. ©ESA

Mars: le premier vol motorisé?

Si les ballons ont été déployés avant que l’atterrisseur n’atteigne le sol, c’est parce qu’il règne à la surface de Vénus une pression écrasante de 90 atmosphères terrestres qui aurait instantanément détruit les sondes. 

Inversement, la couche d’air qui entoure la planète rouge est tellement fine qu’elle ne représente qu’un pourcent de la pression atmosphérique terrestre. Sachant qu’en aérodynamique, la portance d’une aile diminue avec la densité de l’air, réussir un vol motorisé à la surface de Mars constitue donc un véritable défi technologique!

Des conditions de vol extrêmes

Si le drone transporté par Perseverance s’appelle Ingenuity, c’est donc sûrement parce qu’il a fallu beaucoup d’ingéniosité aux équipes du Jet Propulsion Laboratory (JPL) pour concevoir un drone capable de voler sur Mars

En effet, tandis que nos avions commerciaux évoluent entre 10 et 14 kilomètres d’altitude, le record d’altitude pour un vol en hélicoptère est actuellement de 12.000 mètres. Sur Terre, pour reproduire les conditions de vol d’Ingenuity, il faudrait voler à 35 kilomètres au-dessus du sol, là où la pression est si faible que l’air y est 150 fois moins dense.

Illustration du drone Ingenuity
Image d'animation du petit hélicoptère de reconnaissance en vol sur Mars. ©NASA

Ingenuity: le poids d'un ordinateur portable

Sur Mars, pour déplacer suffisamment d’air et générer de la portance dans de telles conditions, le drone du rover Perseverance devra donc faire tourner son double rotor cinq à six fois plus rapidement (2400 tour/minute) qu’un hélicoptère classique (450 tour/minute). 

Pour soulever les 1,8 kilogrammes d’Ingenuity, les pales composées de mousse et de fibres de carbone ne pèsent que 35 grammes chacune. En effet, malgré la faible gravité martienne, les ingénieurs du JPL ont dû réduire le poids de chaque élément pour compenser le manque de portance lié à la très faible densité de l’air à la surface de notre voisine rouge.

Ingenuity
1. Antenne de l'émetteur-récepteur radio et panneau solaire -3. Double rotors conçus pour voler dans l'atmosphère fine de Mars - 4. Fuselage isolé thermiquement contenant les batteries et les composants électroniques - 5. Caméra couleur haute résolution - 6. Pieds du train d'atterrissage souples. Image ©NASA/JPL

Comment tester un drone martien sur Terre?

Pour tester le petit hélicoptère, les équipes du JPL ont utilisé le 25-foot Space Simulator, une chambre blindée de 25 mètres de hauteur sur huit mètres de large capable de recréer les conditions extrêmes du vide spatial. Relié par un simple fil de pêche, un moteur couplé à un système de capteur génère une traction verticale pour compenser deux tiers du poids de l’hélicoptère et simuler artificiellement la gravité martienne.

Ingenuity
L'hélicoptère (en position pliée) et son système de déploiement ont été attachés au rover Perseverance au Kennedy Space Center le 6 avril 2020. Une coque de protection couvrait l'hélicoptère lors de la descente du rover à la surface du cratère Jezero le 18 février dernier. ©NASA/JPL

Ingenuity: un drone 100% autonome

Pour compliquer la tâche, Ingenuity devra être complètement autonome pour voler sur Mars. En effet, à plus de 250 millions de kilomètres de distance, les commandes envoyées depuis la Terre mettent en moyenne 20 minutes pour arriver à destination. Tout comme les rovers martiens, il sera donc impossible pour les ingénieurs de piloter le drone en temps réel. 

Pour voler, Ingenuity est donc équipé de caméras et de capteurs qui permettent à l’ordinateur de bord d’estimer en temps réel sa position dans l’espace avant d’envoyer des ordres de correction aux moteurs qui contrôlent l’orientation de ses pales.

Dessous d'Ingenuity
Sur cette photo du dessous d'Ingenuity, on distingue l'optique de la caméra de navigation et les deux lentilles de l'altimètre et la caméra couleur. ©NASA/JPL

Ingenuity: un vol historique

Encore attaché sous le rover Perseverance, le drone doit bientôt être déployé sur le site choisi par les équipes du JPL avant de tenter un premier vol stationnaire, un événement historique qui aura donc lieu presque 120 ans après le vol des frères Wright.

Contrairement à la mission Dragonfly, Ingenuity n’a aucun objectif scientifique à proprement parler: avec ce démonstrateur, la NASA veut simplement prouver que l’on peut voler sur Mars. Si le vol d’Ingenuity est un succès, le petit hélicoptère pourrait être le premier d’une série de drones plus imposants qui pourraient servir d’éclaireurs aux futurs rovers, ou encore aider l’Homme à explorer des endroits difficilement accessibles.

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Pierre-Henri Le Besnerais

Vol Wright
Wilbur Wright entame un virage sur son planeur. La photo a très probablement été prise par son frère Orville en 1902.
Ingenuity et Perseverance
Sur cette photo prise sous le rover Perseverance, le bouclier de protection qui recouvrait l'hélicoptère Ingenuity vient d'être largué au sol. Le rover doit maintenant rejoindre la zone choisie par la NASA pour déposer Ingenuity sur le sol martien avant de pouvoir effectuer un premier vol test. ©NASA/JPL

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Dorian

Très bon article comme toujours !

Ibrahima Diallo

Très bon article