Des ingénieurs conçoivent un planeur sans moteur pour l’exploration de Mars

Par Emily Dieckman, Collège d’ingénierie

Aujourd’hui

Le doctorant en génie aéronautique Adrien Bouskela (à gauche) et le professeur de génie aérospatial et mécanique Sergei Shkarayev tiennent un planeur expérimental. Ils espèrent envoyer un jour une version personnalisée d’un avion similaire sur Mars.
Emily Dieckman / Collège d’ingénierie

Huit engins spatiaux actifs, dont trois exploités par la NASA, orbitent autour de Mars, collectant des images de la surface de la planète à une résolution d’environ 1 pied par pixel. Trois rovers traversent la surface de la Terre, cartographiant de petites zones de la planète avec une plus grande précision. Mais c’est ce qui se trouve dans les centaines de kilomètres entre les rovers et les orbites, y compris les processus climatiques atmosphériques et les caractéristiques géologiques comme les volcans et les canyons, qui intéressent souvent le plus les scientifiques planétaires.

“Vous avez cette pièce vraiment importante et critique dans cette couche limite de la planète, comme les premiers kilomètres de la surface”, a déclaré Alexandre Kling, scientifique au Mars Climate Modeling Center de la NASA. “C’est là que se produisent tous les échanges entre la surface et l’atmosphère. C’est là que la poussière est captée et envoyée dans l’atmosphère, où les gaz se mélangent, où se produit la modulation des vents à grande échelle par les flux des vallées montagneuses. Nous n’avons tout simplement pas beaucoup de données à ce sujet.”

la main atteint l'intérieur du planeur

Les planeurs de Mars embarqueront des capteurs de navigation sur mesure, ainsi qu’une caméra et des capteurs de température et de gaz pour recueillir des informations sur l’atmosphère et le terrain martiens.
Emily Dieckman / Collège d’ingénierie

Kling collabore avec une équipe d’ingénieurs de l’Université de l’Arizona qui vise à combler ce manque de données en concevant un planeur sans moteur qui peut planer au-dessus de la surface martienne pendant des jours en utilisant uniquement l’énergie éolienne pour la propulsion. Équipés de capteurs de vol, de température et de gaz et de caméras, les planeurs ne pèseraient que 11 livres chacun. L’équipe décrit sa proposition dans un article publié dans la revue Aerospace.

Vol de l’Albatros

Le vol sur Mars est difficile en raison de la faible atmosphère de la planète, et ce n’est pas la première équipe à essayer. Notamment, l’hélicoptère Ingenuity de 4 livres de la NASA a atterri dans le cratère Jezero sur Mars en 2021. Avec une technologie de vol miniature et un espacement du système de rotor d’environ 4 pieds, c’est le premier appareil à tester le vol contrôlé motorisé sur une autre planète. Mais le véhicule à énergie solaire ne peut voler que trois minutes à la fois et n’atteint qu’une hauteur de 12 mètres, soit environ 39 pieds.

“Ces autres technologies sont très limitées en énergie”, a déclaré le premier auteur de l’article, Adrien BouskelaDoctorant en génie aéronautique, professeur à l’UArizona Sergueï Chkaraev‘s Micro Air Vehicles Laboratory. “Ce que nous proposons, c’est simplement d’utiliser l’énergie au sol. C’est une sorte de bond en avant en termes de méthodes d’extension des missions. Parce que la question clé est : comment volez-vous gratuitement ? Comment utilisez-vous le vent qui est là, la dynamique thermique, pour éviter d’utiliser des panneaux solaires et de compter sur des batteries qui doivent se recharger ?”

Des planeurs éoliens légers et peu coûteux peuvent être la solution. Les avions, qui ont une envergure d’environ 11 pieds, utilisent plusieurs méthodes de vol différentes, y compris une simple montée statique s’il y a suffisamment de vent vertical. Mais ils peuvent également utiliser une technique appelée saut dynamique, qui, comme un albatros lors d’un long voyage, profite de la façon dont la vitesse du vent horizontal augmente souvent avec l’altitude, un phénomène particulièrement courant sur Mars.

piloter un planeur

L’équipe a effectué un lancement captif d’une première version du planeur, dans lequel il est lentement descendu sur Terre attaché à un ballon.

Le vol stationnaire dynamique ressemble à quelque chose comme le modèle en forme de S que les skieurs utilisent pour contrôler leur descente. Mais chaque fois que le planeur change de direction, il commence également à changer d’altitude – et au lieu de ralentir le planeur, la manœuvre l’aide à accélérer. Les avions volent légèrement vers le haut dans un vent lent à basse altitude. Lorsqu’ils atteignent un vent plus rapide, ils tournent à 180 degrés et laissent le vent rapide les propulser vers l’avant avec un léger angle vers le bas. Lorsqu’ils commencent à manquer de force à cause du vent rapide, ils répètent le processus en se frayant un chemin vers l’avant. Grâce à cette manœuvre agile, les planeurs peuvent continuellement récolter l’énergie de l’atmosphère, volant pendant des heures, voire des jours à la fois. Il vole gratuitement.

“C’est presque quelque chose qu’il faut voir pour croire”, a déclaré le co-auteur de l’article. Jekan ThangaProfesseur agrégé de génie aérospatial et mécanique à l’UArizona.

Les rovers actuels ont principalement capturé les plaines plates et sablonneuses de Mars, les seules zones où les rovers peuvent atterrir en toute sécurité. Mais les planeurs pourraient explorer de nouvelles zones en profitant de la façon dont les modèles de vent se déplacent autour des formations géologiques comme les canyons et les volcans.

“Avec cette plate-forme, vous pouvez simplement voler et vous rendre dans ces endroits vraiment intéressants et cool”, a déclaré Kling.

Les bonnes choses viennent en petits paquets

L’équipe propose d’envoyer les planeurs sur Mars comme charge utile secondaire pour une mission plus vaste. Thanga étudie comment déployer des planeurs depuis un vaisseau spatial dans l’atmosphère. Sur le vaisseau spatial, les planeurs sont emballés dans des CubeSats, des satellites miniatures pas beaucoup plus gros qu’un annuaire téléphonique. Une fois les CubeSats lancés et libérés, les avions se déploient comme des origamis ou se gonflent comme des flotteurs de piscine high-tech et se raidissent jusqu’à leur pleine taille.

L’équipe étudie également la possibilité qu’un ballon ou une explosion transporte les planeurs dans l’atmosphère. Cela ralentirait la descente des planeurs et leur permettrait de décoller lorsque les conditions de vent sont optimales ou lorsqu’ils approchent d’une zone de grand intérêt. Les planeurs peuvent même se ré-amarrer ou s’écraser sur le ballon après le vol et effectuer plusieurs missions.

Le vol se termine, la mission continue

Après avoir atterri sur la surface martienne, les avions continueront de transmettre des informations sur l’atmosphère au vaisseau spatial, devenant essentiellement des stations météorologiques. Les météorologues peuvent prédire le temps qu’il fera sur Terre avec une précision relative, car il existe des stations météorologiques sur toute la planète qui forment un réseau d’informations, et toutes les données qu’ils collectent sont continuellement intégrées dans des modèles prédictifs. Ainsi, tout planeur de Mars qui ne parvient pas à voler – qu’il ait terminé son exploration comme prévu ou que quelque chose se soit mal passé – pourrait devenir un autre nœud vital de ce réseau.

“Si nous manquons de puissance de vol ou si nos capteurs inertiels tombent soudainement en panne pour une raison quelconque, nous espérons continuer à faire de la science”, a déclaré Bouskela. “Du point de vue de la science planétaire, la mission continue.”

L’équipe a effectué une modélisation mathématique approfondie des modèles de vol du planeur sur la base des données climatiques martiennes. Et il reste encore des recherches à faire sur les trajectoires de vol, les systèmes d’amarrage possibles, etc. Mais cet été, ils testent des avions expérimentaux à environ 15 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, où l’atmosphère terrestre est plus mince et les conditions de vol sont similaires à celles de Mars.

“Nous pouvons utiliser la Terre comme laboratoire pour étudier les vols sur Mars”, a déclaré Shkarayev.

L’équipe espère finalement que la NASA financera la mission et lui permettra de “faire un tour” avec une mission à grande échelle sur Mars déjà en développement. La nature peu coûteuse de l’effort de planeur signifie que cela pourrait se produire relativement rapidement, a déclaré Kling, peut-être en années plutôt qu’en décennies nécessaires pour une mission à grande échelle.

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