Des ingénieurs conçoivent des planeurs sans moteur pour l’exploration de Mars

Des ingénieurs conçoivent des planeurs sans moteur pour l'exploration de Mars

Les planeurs de Mars contiendront un ensemble de capteurs de navigation conçus sur mesure, ainsi qu’une caméra et des capteurs de température et de gaz pour recueillir des informations sur l’atmosphère et le paysage martiens. Crédit : Collège d’ingénierie de l’Université de l’Arizona

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

“Vous avez cette pièce critique très importante dans cette couche limite planétaire, comme dans les premiers kilomètres au-dessus du sol”, a déclaré Alexandre Kling, chercheur 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 traces sont mélangés, où se produit la modulation des vents à grande échelle par les flux de montagne. Et nous n’avons tout simplement pas beaucoup de données à ce sujet.”

Kling s’associe à 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 survoler la surface martienne pendant des jours à la fois, en utilisant uniquement l’énergie éolienne pour la propulsion. Équipés de capteurs de vol, de température et de gaz ainsi que de caméras, les planeurs ne pèseraient que 11 livres chacun. L’équipe détaille sa proposition dans un article publié dans la revue Aérospatial.

Le 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 de résoudre ce problème. Plus particulièrement, Ingenuity de la NASA est un hélicoptère de 4 livres qui a atterri dans le cratère Jezero de Mars en 2021. Avec une technologie de vol miniaturisée et une envergure de système de rotor d’environ 4 pieds, c’est le premier appareil à tester un vol motorisé et contrôlé sur une autre planète. Mais le véhicule à énergie solaire ne peut voler que trois minutes à la fois et il atteint des hauteurs de seulement 12 mètres, soit environ 39 pieds.

“Ces autres technologies ont toutes été très limitées par l’énergie”, a déclaré le premier auteur de l’article, Adrien Bouskela, étudiant au doctorat en ingénierie aérospatiale au Micro Air Vehicles Laboratory du professeur Sergey Shkarayev de l’UArizona. “Ce que nous proposons, c’est simplement d’utiliser l’énergie in situ. C’est une sorte de saut en avant dans ces méthodes d’extension des missions. Parce que la question principale est : comment pouvez-vous voler gratuitement ? Comment pouvez-vous utiliser le vent qui est là, le dynamique thermique qui existe, pour éviter d’utiliser des panneaux solaires et de compter sur des batteries qu’il faut recharger ?”

Des planeurs légers, peu coûteux et éoliens pourraient être la solution. Les avions, qui ont une envergure d’environ 11 pieds, utiliseront plusieurs méthodes de vol différentes, y compris la montée en flèche statique simple lorsque des vents verticaux suffisants sont présents. Mais ils peuvent également utiliser une technique appelée soaring dynamique, qui, comme un albatros lors d’un long voyage, tire parti de la façon dont la vitesse du vent horizontal augmente souvent avec l’altitude, un phénomène particulièrement courant sur Mars.

L’envolée dynamique ressemble à la forme en S que les skieurs utilisent pour contrôler leur descente d’une montagne. Cependant, chaque fois que le planeur change de direction, il commence également à changer d’altitude – et plutôt que de ralentir le planeur, la manœuvre l’aide à gagner de la vitesse. Les avions volent légèrement vers le haut dans le vent lent et à basse altitude. Lorsqu’ils atteignent le vent plus rapide à haute altitude, ils tournent à 180 degrés et laissent le vent à grande vitesse les propulser vers l’avant à un léger angle vers le bas. Lorsqu’ils commencent à manquer d’énergie à cause du vent à grande vitesse, ils répètent le processus, 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. C’est voler gratuitement.

“C’est presque quelque chose qu’il faut voir pour le croire”, a déclaré le co-auteur de l’article, Jekan Thanga, professeur agrégé d’ingénierie aérospatiale et mécanique à l’UArizona.

Les rovers actuels ont principalement capturé des images des plaines sablonneuses et plates 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 telles que les canyons et les volcans.

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

Des ingénieurs conçoivent des planeurs sans moteur pour l'exploration de Mars

L’équipe a effectué un lancement captif d’une première version du planeur, dans lequel il est descendu lentement sur Terre attaché à un ballon. Crédit : Collège d’ingénierie de l’Université de l’Arizona

Les bonnes choses viennent en petits paquets

L’équipe propose d’envoyer les planeurs sur Mars comme charge utile secondaire dans le cadre d’une mission plus vaste. Thanga examine comment déployer les planeurs du vaisseau spatial dans l’atmosphère. Sur le vaisseau spatial, les planeurs seront emballés dans des CubeSats, des satellites miniatures pas beaucoup plus gros qu’un répertoire téléphonique. Une fois les CubeSats lancés et les avions relâchés, les avions se dépliaient, comme des origamis, ou se gonflaient, comme des flotteurs de piscine high-tech, et se rigidifiaient à leur taille maximale.

L’équipe explore également la possibilité d’un ballon ou d’un dirigeable transportant 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 d’intérêt. Les planeurs pourraient même potentiellement se rattacher au ballon ou au dirigeable après un vol et continuer à accomplir plusieurs missions.

Le vol se termine, la mission continue

Après avoir atterri sur la surface martienne, les avions continueraient à transmettre des informations sur l’atmosphère au vaisseau spatial, devenant essentiellement des stations météorologiques. Les météorologues peuvent prédire le temps sur Terre avec une précision relative, en partie parce qu’il existe des stations météorologiques partout sur notre planète qui forment un réseau d’informations, et toutes les données qu’ils recueillent sont continuellement réinjectées dans des modèles prédictifs. Ainsi, chaque planeur de Mars qui a cessé de voler – qu’il ait terminé son exploration comme prévu ou que quelque chose se soit mal passé – pourrait devenir un autre nœud très important de ce réseau.

“Si nous manquons d’énergie de vol, ou si nos capteurs inertiels échouent soudainement pour une raison quelconque, nous nous attendons à 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 schémas de vol des planeurs sur la base des données climatiques de Mars. Et il y a encore plus de recherches à faire sur les trajectoires de vol, les systèmes d’amarrage potentiels et plus encore. Mais cet été, ils testeront des avions expérimentaux à environ 15 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, où l’atmosphère terrestre est plus fine et les conditions de vol plus proches de celles de Mars.

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

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


L’hélicoptère Ingenuity Mars de la NASA capture une vidéo d’un vol record


Plus d’information:
Adrien Bouskela et al, Exploration de Mars à l’aide de planeurs, Aérospatial (2022). DOI : 10.3390/aérospatiale9060306

Fourni par l’Université de l’Arizona

Citation: Des ingénieurs conçoivent des planeurs sans moteur pour l’exploration de Mars (1er juillet 2022) récupéré le 1er juillet 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-07-motorless-sailplanes-mars-exploration.html

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