Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA a récemment annoncé qu'il développait un petit hélicoptère de drone pour explorer la voie aux futurs rovers martiens. Pourquoi les rovers de Mars auraient-ils besoin d'un tel guide robotique? La réponse est que conduire sur Mars est vraiment difficile.
Ici sur Terre, les robots explorant les jantes volcaniques, ou aidant les sauveteurs, peuvent être pilotés par télécommande, avec un joystick. En effet, les signaux radio atteignent le robot depuis son centre de contrôle presque instantanément. Conduire sur la lune n'est pas beaucoup plus difficile. Les signaux radio se déplaçant à la vitesse de la lumière prennent environ deux secondes et demie pour faire l'aller-retour vers la lune et vice-versa. Ce délai n'est pas assez long pour perturber sérieusement la conduite de la télécommande. Dans les années 1970, les contrôleurs soviétiques ont conduit les rovers lunaires de Lunokhod de cette façon, explorant avec succès plus de 40 km de terrain lunaire.
Conduire sur Mars est beaucoup plus difficile, car il est tellement plus éloigné. Selon sa position par rapport à la Terre, les signaux peuvent prendre entre 8 et 42 minutes pour l'aller-retour. Des instructions préprogrammées doivent être envoyées au mobile, qu'il exécute ensuite de lui-même. Chaque entraînement martien nécessite des heures de planification minutieuse. Les images stéréo prises par les caméras de navigation du rover sont soigneusement examinées par les ingénieurs. Les images de vaisseaux spatiaux en orbite autour de Mars fournissent parfois des informations supplémentaires.
Un rover peut être programmé pour exécuter simplement une liste de commandes de conduite envoyées depuis la Terre, ou il peut utiliser des images prises par ses caméras de navigation et traitées par ses ordinateurs de bord pour mesurer la vitesse et détecter par lui-même les obstacles ou les dangers. Il peut même tracer son propre chemin sûr vers un objectif spécifié. Les entraînements basés sur les instructions du sol sont les plus rapides.
Le Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity pourrait ainsi parcourir jusqu'à 124 mètres en une heure. Cela correspond à peu près à la longueur d'un terrain de football américain. Mais ce mode était aussi le moins sûr.
Lorsque le rover se guide activement avec ses caméras, la progression est plus sûre, mais beaucoup plus lente en raison de tout le traitement d'image nécessaire. Il peut progresser de 10 mètres à l'heure, ce qui correspond à la distance entre la ligne de but et la ligne de 10 mètres sur un terrain de football américain. Cette méthode doit être utilisée chaque fois que le rover n'a pas une vue claire de l'itinéraire à venir, ce qui est souvent le cas en raison d'un terrain accidenté et vallonné.
Début 2015, la Curiosité la plus éloignée parcourue en une seule journée est de 144 mètres. Le trajet quotidien le plus long d’Opportunity a été de 224 mètres, soit la distance de deux terrains de football américain.
Si les contrôleurs au sol pouvaient mieux voir le chemin à parcourir, ils pourraient concevoir des instructions permettant à un futur rover de conduire en toute sécurité beaucoup plus loin en une journée.
C’est là que l’idée d’un hélicoptère drone entre en jeu. L’hélicoptère pourrait voler tous les jours devant le rover. Les images réalisées à partir de son point de vue aérien seraient inestimables pour les contrôleurs au sol pour identifier les points d'intérêt scientifique et planifier des itinéraires pour y arriver.
Piloter un hélicoptère sur Mars pose des défis particuliers. Un avantage est que la gravité martienne n'est que 38% aussi forte que celle de la Terre, de sorte que l'hélicoptère n'aurait pas besoin de générer autant de portance qu'une seule de la même masse sur Terre. Les pales d'hélice d'un hélicoptère génèrent de la portance en poussant l'air vers le bas. C'est plus difficile à faire sur Mars que sur Terre, car l'atmosphère martienne est cent fois plus mince. Pour déplacer suffisamment d'air, les pales de l'hélice devraient tourner très rapidement ou être très grandes.
L'hélicoptère doit être capable de voler seul, en utilisant des instructions préalables, en maintenant un vol stable le long d'une route prédéfinie. Il doit atterrir et décoller à plusieurs reprises sur un terrain martien rocheux. Enfin, il doit être capable de survivre aux conditions difficiles de Mars, où la température chute à 100 degrés Fahrenheit ou moins chaque nuit.
Les ingénieurs du JPL ont conçu un hélicoptère d'une masse de 1 kilogramme; une infime fraction de la masse de 900 kg du rover Curiosity. Ses pales d'hélice s'étendent sur 1,1 mètre de bout de pale en bout de pale et sont capables de tourner à 3400 tours par minute. Le corps a à peu près la taille d'une boîte à mouchoirs.
L'hélicoptère est alimenté par l'énergie solaire, avec un disque de cellules solaires rassemblant suffisamment d'énergie chaque jour pour alimenter un vol de deux à trois minutes et pour chauffer le véhicule la nuit. Il peut voler environ un demi-kilomètre pendant ce temps, rassemblant des images pour transmission au contrôle au sol au fur et à mesure. Les ingénieurs s'attendent à ce que la reconnaissance que l'hélicoptère drone recueille sera inestimable pour planifier les déplacements d'un rover, triplant la distance qui peut être parcourue en une journée.
Références et lectures complémentaires:
Merci à Mark Maimone du NASA Jet Propulsion Laboratory pour les informations sur les distances de conduite quotidiennes de Curiosity et Opportunity.
J.J. Biesiadecki, P. C. Leger et M.W. Maimone (2007), «compromis entre conduite dirigée et conduite autonome sur les rovers d'exploration de Mars», The International Journal of Robotics Research, 26 (1), 91-104
E. Howell, Opportunity Mars rover parcourt les 41 kilomètres en direction de «Marathon Valley», Space Magazine, décembre 2014.
T. Reyes, Un voyage incroyable, le rover Mars Curiosity atteint la base du mont Sharp. Space Magazine, septembre 2014.
Un hélicoptère pourrait être un «éclaireur» pour les rovers martiens. Communiqué de presse de la NASA Jet Propulsion Laboratory. 22 janvier 2015.
Crazy Engineering: l'hélicoptère de Mars. Vidéo du NASA Jet Propulsion Laboratory.
Curiosité - Mars Science Laboratory, NASA.
Mars - Plans du futur rover. NASA
