Il a pris sa première photo de Mars. Puis il a survécu à la rigueur de la nuit. Mais le mini-hélicoptère Ingenuity, arrivé sur le sol martien le 18 février puis largué par Perseverance début avril, doit maintenant s’attaquer à son plus grand défi : effectuer un vol initial sur la planète rouge, au plus tôt ce dimanche 11 avril. S’il y parvient, Ingenuity entrera dans l’Histoire en tant que premier hélicoptère à tenter un vol contrôlé sur une autre planète, comme le souligne la Nasa. Le robot Perseverance doit y assister à une distance de 100 m, ce qui lui permet à la fois d’immortaliser l’événement et de rester en sécurité en cas de souci.
En quoi est-ce une prouesse technologique ?
La fabrication d’Ingenuity était un véritable défi technologique. L’appareil, qui s’apparente à un gros drone, devait être à la fois léger et robuste. Suffisamment léger et petit (1,8 kg sur Terre, 700 g sur Mars) pour voler dans l’atmosphère dilatée de Mars. Et suffisamment robuste pour supporter les conditions climatiques extrêmes de la planète rouge, où les nuits polaires (-90 °C) peuvent endommager les composants électroniques. Les ingénieurs de la Nasa avaient également bien en tête que certaines formes de rayonnement spatial endommagent progressivement ou brutalement le silicium.
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« La densité de l’atmosphère de Mars représente moins de 1 % de celle de l’atmosphère terrestre, ce qui rend la portance aérodynamique (NDLR : en quelque sorte le décollage) difficile à générer, précise Greg Dubos, ingénieur de la Nasa sur Perseverance. C’est pourquoi Ingenuity a été muni d’une paire d’hélices en fibre de carbone, qui sont plus grandes et tournent beaucoup plus vite que si elles devaient être utilisées sur Terre. » L’hélicoptère a également dû être construit pour résister au lancement de Perseverance depuis la Terre et pour charger ses batteries de manière autonome grâce à un panneau solaire.
Ce n’est pas tout : « puisque la dynamique de vol dans l’atmosphère martienne est particulière, l’un des principaux défis techniques a été de pouvoir tester Ingenuity dans des conditions réalistes, précise l’ingénieur. Plusieurs essais avec des modèles ont été effectués en chambre à vide à JPL (NDLR : Jet Propulsion Laboratory, centre de recherche spatiale de la Nasa), en simulant les conditions environnementales martiennes, comme la faible pression atmosphérique, la basse température et la faible gravité. »
Ces tests n’ont pas empêché les ingénieurs de retenir leur souffle, une fois Ingenuity lâché dans la nature martienne. Au bout de la première nuit, le JPL s’est empressé d’annoncer sa survivance dans un communiqué : « Nous avons maintenant la confirmation que nous avons la bonne isolation, les bons radiateurs et suffisamment d’énergie dans sa batterie pour survivre à la nuit froide, ce qui est une grande victoire pour l’équipe. »
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Que fait Ingenuity sur Mars ?
Il s’agit avant tout d’une démonstration technologique. Le drone n’emporte pas à son bord d’instruments scientifiques. « L’enjeu est de prouver qu’il est possible d’explorer Mars grâce à des véhicules aériens autonomes, résume Greg Dubos. De la même façon que le succès du premier petit rover Sojourner en 1997 a ouvert la voie aux missions scientifiques des rovers Spirit, Opportunity, Curiosity et Perseverance, nous espérons qu’Ingenuity démarrera un nouveau chapitre de l’exploration martienne. »
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De futurs hélicoptères pourront fournir des images prises de haut pour travailler en tandem avec des robots ou des humains, et devraient également permettre de visualiser des zones difficilement accessibles ou de transporter des charges utiles d’un endroit à un autre.
« Ce projet, en développement depuis 2014, est l’aboutissement de tests rigoureux et d’innovations, ajoute Dev Singh, directeur général de la robotique chez Qualcomm Technologies, entreprise qui a travaillé avec la Nasa sur la conception d’Ingenuity et son système de communication. Il montre comment le vol autonome peut élargir l’horizon de l’exploration spatiale, de la recherche et des données pour les missions et les conceptions futures. »
Quels sont les préparatifs avant le décollage ?
Les ingénieurs de la Nasa devront déverrouiller les pales de l’hélicoptère pour tester leur mobilité, « en les remuant un peu puis en les faisant tourner à faible vitesse », détaille Greg Dubos. Puis à la vitesse prévue en vol (environ 2 400 tours par minute). Pendant ce temps, les communications avec le rover seront testées, et Perseverance avancera jusqu’à son emplacement de parking pour observer le premier vol d’Ingenuity.
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Ingenuity devra contrôler sa température tout seul et a été conçu pour pouvoir communiquer avec sa « station » à bord de Perseverance, sur une distance allant jusqu’à 1000 m. C’est seulement après ces longues vérifications que les choses sérieuses pourront commencer.
Que va-t-il se passer le jour J ?
Il tentera de décoller d’un « aérodrome », une parcelle de 10 m sur 10 m choisie pour sa planéité et son absence d’obstacles. Il ne faut pas s’attendre à ce qu’Ingenuity parcoure de grandes distances : il se contentera de s’élever, de planer puis de redescendre. Pour son premier vol, Ingenuity montera à une vitesse d’un mètre par seconde jusqu’à environ 3 m de haut, restera en suspension pendant environ 20 secondes, puis redescendra au sol à la même vitesse qu’au décollage.
À ce moment-là, ingénieurs et scientifiques n’arriveront pas encore au bout de leur peine. « En raison des signaux qui mettent plusieurs minutes à arriver, il est impossible de commander un hélicoptère à distance en temps réel, précise Dev Singh. Il recevra des commandes de fonctionnement autonome transmises à des millions de kilomètres de distance et retardées de 3 à 22 minutes. À partir de là, le prochain grand défi consiste à s’assurer que le système qui gère le fonctionnement autonome possède une puissance de calcul suffisamment élevée. » Ingenuity devra donc effectuer ses vols de manière autonome, en utilisant notamment sa caméra de navigation en noir et blanc et son microprocesseur.
Et s’il échoue ? La campagne de vol d’Ingenuity s’étend sur 30 jours martiens (31 jours terrestres) et comprendra jusqu’à cinq essais de vol. Si la première tentative est un succès, les essais suivants tenteront de faire monter le giravion jusqu’à 5 m de haut, sa capacité maximale, et de le faire voler horizontalement sur des distances de plus en plus longues. Les ingénieurs l’ont conçu pour voler sur une distance de 300 m, pendant au moins une minute et demie.
