L'avenir de l'exploration de Mars pourrait reposer sur un planeur

NASA/JPL-Caltech

Au cours des dernières décennies, Mars est devenue la planète la plus explorée du système solaire (après la Terre). Il a accueilli des dizaines de visiteurs. En effet, huit missions opèrent actuellement sur et autour de la planète rouge. Le plus ancien d'entre eux est arrivé en 2001, l'orbiteur Mars Odyssey, qui devrait rester opérationnel jusqu'en 2025. D'autres missions sont prévues alors que la NASA, et peut-être d'autres agences spatiales, travaillent dans le but de renvoyer des échantillons de Mars sur Terre et éventuellement d'envoyer des humains.

Ces deux objectifs nécessiteront des cartes beaucoup plus détaillées du terrain. Les rovers fournissent ce genre de détail mais ne peuvent parcourir que quelques mètres par jour. Le rover Opportunity de la NASA a parcouru un impressionnant 45 kilomètres (28 miles) au cours de sa mission, mais il a fallu près de 15 ans pour le faire.

Les planétologues cherchent donc des moyens d'explorer plus rapidement la surface de la planète. Une idée est de lancer un avion dans l'atmosphère martienne avec un moteur capable de le maintenir en l'air. Une telle mission pourrait couvrir de vastes distances mais serait coûteuse, coûtant plus de 350 millions de dollars.

Une approche moins coûteuse consiste à se greffer sur une mission plus importante. Une autre idée est donc qu'un rover martien transporte un quadcoptère capable de surveiller la zone environnante. Mais ces vols seront courts et de portée limitée.

Ce qu'il faut, c'est un véhicule suffisamment petit pour se greffer sur une autre mission et pourtant capable de couvrir de grandes distances.

Aujourd'hui, Adrien Bouskela, Aman Chandra et leurs collègues de l'Université de l'Arizona disent avoir conçu une telle mission. Leur idée est de lancer un planeur non motorisé dans l'atmosphère martienne et de le maintenir en l'air en utilisant des courants ascendants thermiques - des colonnes montantes d'air chaud - pour gagner de l'altitude. Le planeur sera gonflable et capable de se ranger dans un volume suffisamment petit pour être transporté comme charge utile secondaire lors d'une mission plus importante vers Mars.

Tout d'abord un peu de contexte. Les engins spatiaux actuellement en orbite autour de Mars sont capables de prendre des images avec une résolution de 30 centimètres par pixel. Les scientifiques planétaires les assemblent progressivement dans une carte à relativement haute résolution de la surface martienne.

Mais ils ont besoin d'images à plus haute résolution pour planifier les futures missions d'atterrisseur. Jusqu'à présent, la plupart des rovers ont atterri sur des plaines relativement plates, où les chances de heurter un rocher ou un cratère sont faibles. Ces domaines ont tendance à être moins intéressants scientifiquement. Au lieu de cela, les géologues planétaires aimeraient visiter les vallées et les crêtes qui semblent être façonnées par l'eau. Atterrir en toute sécurité dans de tels endroits nécessitera des images capables de résoudre de petits rochers et cratères qui pourraient endommager l'engin lors de l'impact.

Les atterrisseurs fournissent ce genre de détails, étant capables d'images avec une résolution de 1 centimètre par pixel sur la région de 100 mètres qui les entoure. Mais ils ne sont pas capables de parcourir les vastes distances nécessaires pour atteindre les régions d'intérêt. C'est pourquoi les scientifiques se sont tournés vers les machines volantes.

Voler sur Mars est une affaire délicate. Alors que la gravité est faible, environ un tiers de celle de la Terre, l'atmosphère n'est qu'un centième aussi dense. Cela rend difficile la génération de portance.

Les ailes du nouveau planeur devront donc être énormes par rapport à son poids. Le planeur embarquera un appareil photo de 5 mégapixels, un ensemble de communication radio, un ordinateur de bord et un ensemble de panneaux solaires avec des batteries pour stocker suffisamment d'énergie pendant la journée pour la maintenir en vie la nuit. Bouskela et co calculent qu'en plus des ailes et du gouvernail gonflables, le planeur pèsera 5 kilogrammes, soit environ la masse d'un aigle royal.

Ils poursuivent en calculant que pour maintenir cette masse en l'air, les ailes devront avoir une envergure de près de 6 mètres (20 pieds) et voler à des vitesses d'environ 100 mètres par seconde. En comparaison, les aigles royaux peuvent rester en l'air sur Terre avec une envergure de 2 mètres tout en volant à 15 mètres par seconde.

Le planeur se déploiera lors de l'entrée de la mission principale dans l'atmosphère martienne et sera largué de la charge utile principale à une altitude d'environ 2 kilomètres. Un générateur d'azote gonflera et pressurisera le planeur en moins de 10 secondes, et ses ailes durciront au cours de la prochaine heure environ à mesure qu'elles seront durcies par la lumière du soleil martienne.

Une technologie gonflable comme celle-ci a déjà été testée sur Mars. L'atterrisseur Mars Pathfinder et les rovers Mars MER s'appuyaient sur des airbags qui se gonflaient lorsque l'engin descendait dans l'atmosphère, puis amortissaient leur impact avec le sol. Ils sont également développés pour les petits satellites comme antennes de communication, disent Bouskela et co.

Une partie importante de la mission sera la capacité autonome d'exploiter les courants ascendants dans l'atmosphère martienne. De tels systèmes sur Terre ont démontré leur capacité à rester en l'air pendant des semaines ou des mois.

Si Mars a un profil de vent comme celui de la Terre, c'est-à-dire un changement similaire de la vitesse du vent avec l'altitude, une approche similaire devrait également fonctionner sur la planète rouge. En effet, l'équipe a créé des simulations numériques de ce genre de vols sur Mars.

Les résultats suggèrent que ce type de vol autonome pourrait maintenir le planeur en l'air pendant de longues périodes à condition qu'il y ait un changement suffisamment important de la vitesse du vent avec l'altitude. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour déterminer si c'est réellement le cas sur Mars tout au long de l'année et sur toute la surface.

Néanmoins, même quelques heures de vol pourraient générer des données précieuses. La caméra embarquée aurait une résolution au sol d'environ 10 centimètres, et à une vitesse de 100 mètres par seconde, le planeur pourrait couvrir plusieurs centaines de kilomètres. Le planeur enverrait les images à une station relais en orbite telle que Mars Reconnaissance Orbiter, qui les renverrait ensuite à la maison.

Une telle mission pourrait éclairer un certain nombre de mystères remarquables de Mars. L'un d'eux est les lignes déroutantes qui se forment sur certaines pentes martiennes lorsqu'elles se réchauffent à l'arrivée de l'été. On pense que ceux-ci sont créés par le flux d'eau salée, mais de meilleures observations sont désespérément nécessaires.

Le planeur pourrait également aider à sonder les points d'atterrissage potentiels pour de futures missions. Le concept de planeur Mars proposé ici offre une toute nouvelle voie pour accélérer l'exploration de la surface martienne à une fraction du coût des concepts d'avion Mars précédents, disent Bouskela et co.

Une chose qui manque à l'équipe, cependant, c'est le sens d'Hollywood. Les missions les plus réussies sont souvent celles qui produisent des images iconiques. Pensez à Neil Armstrong debout près d'un drapeau américain à la surface de la lune, ou à l'homme vedette d'Elon Musk conduisant une Tesla devant la planète Terre. Ces types d'images jouent un rôle beaucoup plus important dans la perception du succès par le public que n'importe quel graphique de données.

Ce dont ce planeur a besoin, c'est d'une minuscule caméra grand angle sur son gouvernail de queue ou son bout d'aile qui renverra des images du véhicule lui-même en vol. L'argent tiré serait le planeur planant au-dessus du Valles Marineris - le Grand Canyon de Mars - avec un soleil martien perché sur un horizon extraterrestre et, peut-être, un point bleu pâle niché à proximité. En effet, l'équipe a créé une image comme celle-ci pour promouvoir son véhicule !

L'image de Neil Armstrong a coûté une part importante de l'économie américaine. Donc, pour un coût de seulement 36 millions de dollars - de la nourriture pour poulets pour les planificateurs de missions sur Mars - cette image de planeur sur Mars semblerait d'un bon rapport qualité-prix. Et si Bouskela et compagnie s'attendent à ce que le public américain paie pour cette mission, le moins qu'ils puissent faire est d'envoyer une carte postale à la maison.

Réf : https://arxiv.org/abs/1902.02083 : Contrôle d'attitude d'un planeur gonflable pour l'exploration de Mars

cacher