L’hélicoptère Ingenuity est entré dans l’histoire le 19 avril 2021, avec le premier vol motorisé et contrôlé d’un aéronef sur une autre planète. Comment les ingénieurs parlent-ils à un hélicoptère tout au long de Mars? Et les autres vaisseaux spatiaux ? Nous en entendrons parler par Nacer Chahat de NasaJet Propulsion Laboratory, qui travaille sur des systèmes d’antennes et de télécommunications pour diverses missions de la NASA. Il discute avec le scientifique en chef de la NASA, Jim Green, dans cet épisode du podcast Gravity Assist.
Jim Green : La NASA fait voler des engins spatiaux dans tout le système solaire et orbite autour de la Terre. Comment communiquer avec eux quand ils sont si loin ? Découvrons-nous d’un expert.
Jim Green : Salut, je suis Jim Green. Et voici une nouvelle saison de Gravity Assist. Nous allons explorer le fonctionnement interne de la NASA pour réaliser ces fabuleuses missions.
Jim Green : Je suis ici avec Nacer Chahat, et il est l’ingénieur senior en antennes et micro-ondes du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie. Il a travaillé sur l’un des défis les plus importants pour la NASA et c’est, dans la conception d’un vaisseau spatial, comment le faire communiquer avec la Terre ? Alors bienvenue dans Gravity Assist.
Nacer Chahat : Merci de m’avoir ici.
Jim Green : Beaucoup de gens connaissent l’idée d’une antenne d’un poste de radio ou de télévision, pour laquelle ils reçoivent un signal. Mais lorsque nous regardons un vaisseau spatial, nous voyons toutes sortes d’antennes différentes. Quelle est leur fonction principale ?
Nacer Chahat : Oui, donc le principe est le même. Cependant, chaque vaisseau spatial a des instruments différents, donc, selon les besoins, qu’il s’agisse d’instruments ou de communication, ils se présentent sous différentes formes, différents aspects. Ainsi, la plupart des antennes de communication seront les plats typiques que nous voyons. Donc, ce sont ceux que vous voyez le plus souvent sur les engins spatiaux. Mais chaque fois que nous repoussons les limites de ce que nous essayons de faire, nous devons proposer différentes solutions d’antenne innovantes pour répondre aux besoins de nos scientifiques.
Jim Green : Vous connaissez beaucoup d’antennes que vous utilisez, vous utilisez pour ce que nous appelons la télédétection. Qu’est-ce que ça veut vraiment dire ?
Nacer Chahat : Ainsi, la télédétection nous permet d’obtenir quelque chose de loin et nous utilisons donc la radiofréquence pour transmettre des impulsions. Ces impulsions sont réfléchies par la surface de ce que nous voulons étudier, puis nous traitons ces données pour tirer des conclusions.
Jim Green : Oui, c’est tout, de la possibilité de faire rebondir les ondes radio sur les surfaces à même de pénétrer ces ondes radio dans des surfaces comme les calottes glaciaires ou même le désert du Sahara.
Nacer Chahat Oui, et cela nous permet également d’obtenir des images de choses que nous ne pouvons pas voir. Ainsi, par exemple, si le temps est mauvais et que la Terre est complètement recouverte de nuages, nous pouvons toujours voir ce qui se passe sous eux.
Nacer Chahat du Jet Propulsion Laboratory de la NASA avec une maquette de l’hélicoptère Ingenuity. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Jim Green : Eh bien, vous savez, la communication avec nos ressources de surface sur Mars est un peu compliquée. Vous savez, quand nous avons débarqué Curiosity, je ne le vois pas transporter un gros camion avec une grosse parabole derrière. Alors, comment communiquons-nous avec, avec nos atouts de surface, comme InSight, comme Persévérance, comme Curiosité ?
Nacer Chahat : Oui, nous avons donc deux concepts pour le faire. Le premier est de communiquer avec l’orbiteur. Nous avons donc des orbiteurs autour de Mars que nous pouvons, ils sont dédiés à la science, mais pour un événement critique comme celui-là, nous pouvons les utiliser pour relayer les données vers la Terre. Et nous avons également sur ces atterrisseurs et rover, des antennes à gain élevé qui nous permettent de communiquer directement avec la Terre mais à un débit de données inférieur. C’est donc vraiment un compromis. Quand, quand devrions-nous utiliser l’orbiteur ou quand devrions-nous utiliser l’antenne à gain élevé. La plupart du temps, nous finissons par utiliser l’orbiteur car il nous permet de transmettre la science beaucoup plus rapidement. Voilà donc les raisons et la plupart des missions sur Mars ont toujours fonctionné de cette façon. Nous transmettons donc les données à l’orbiteur et l’orbite les renvoie au Deep Space Network sur Terre.
Jim Green : Oui, cela semble compliqué, mais cela fournit une infrastructure qui permet à n’importe quel actif en surface d’être relayé via nos satellites en orbite. C’est vraiment une période passionnante dans ce domaine particulier.
Jim Green : Vous savez, lorsque l’atterrisseur InSight est arrivé sur Mars en novembre 2018, il transportait deux CubeSats et nous appelons ces CubeSats “MarCO”. Qu’étaient-ils censés faire et quelle était l’importance de la communication pour eux ?
Nacer Chahat : Ouais donc MarCO était en fait l’un de mes premiers projets, et quand j’ai rejoint JPL l’ancien directeur du laboratoire, Charles Elachi, a mis le laboratoire au défi de trouver un moyen de communiquer en temps réel pendant le prêt d’InSight. Ainsi, avec l’orbiteur existant, nous avons pu collecter toutes les informations d’InSight pendant l’atterrissage. Cependant, en raison de l’alignement de l’orbiteur, nous n’avons pas pu obtenir les données tout de suite.
Nacer Chahat : Donc, le rôle de ces deux CubeSats était en fait de recevoir des données de l’atterrisseur, InSight, et de transmettre ces données en temps réel, donc le, le principal défi était de pouvoir à partir de ces très, très petits satellites qui ont la taille d’une boîte à chaussures, être capable de transmettre au même débit de données qui était d’environ 8 kilobits par seconde. C’était vraiment difficile car nous avions besoin d’une antenne trois fois plus grande que le satellite lui-même. Nous avons donc dû trouver un moyen de plier l’antenne et de la déployer. C’est aussi le premier CubeSat interplanétaire, nous avons donc dû nous assurer que nous pouvions réellement survivre au vol vers Mars, ce que nous avons fait avec beaucoup de succès.
Nacer Chahat : Lorsque nous avons assisté à l’atterrissage d’InSight, nous étions tous excités car pour ceux qui suivent réellement l’atterrissage, vous devriez vous rappeler quand ils disaient oh nous sommes maintenant à 100 mètres 90 mètres 20 mètres et toute l’excitation montait tout ce que j’avais en tête était oh c’est mon antenne qui transmet toutes ces données et puis il a atterri nous avons explosé de joie et nous avons enfin reçu ces premières images d’InSight à la surface de Mars qui ont également été relayées à l’aide de l’antenne MarCO.
Nacer Chahat : Si nous n’avions pas eu les CubeSats, nous aurions dû attendre plus de deux heures après cela.
Jim Green : Wow.
Nacer Chahat : Parce que l’orbiteur n’était pas dans la ligne de mire.
Nacer Chahat Donc, c’est une réalisation tellement incroyable que nous avons pu faire et c’est vraiment ce qui est beau dans le travail à la NASA, c’est que nous sommes capables de faire des choses que personne n’a faites auparavant.
Jim Green : Oui, je me souviens de l’époque où j’étais à la tête de la science planétaire et c’était vraiment fascinant et j’étais simplement ravi que le vaisseau spatial MarCO ait fonctionné.
Jim Vert: Et en fait, c’était vraiment mordant pour la simple raison que nous avions des problèmes avec l’un des vaisseaux spatiaux MarCO très proche du moment de la rencontre. Vous souvenez-vous que? Et ce qui est arrivé?
Nacer Chahat : Je le fais, je le fais, et nous étions très inquiets à ce sujet. Donc l’un d’eux a réellement redémarré ? Genre, je pense que c’était quelques heures avant peut-être un jour avant, je ne me souviens pas exactement. Nous craignions donc que l’un des CubeSats ne puisse pas se rapporter aux données. Mais après son redémarrage, il est passé en mode sans échec et a redémarré en mode nominal. Et ils ont tous les deux réussi à relier les données.
Jim Green : Eh bien, vous savez, nous pilotons un hélicoptère sur Mars pour la première fois. Et nous appelons cela l’ingéniosité. Vous êtes-vous impliqué là-dedans ? Et quel est votre rôle ?
Nacer Chahat : Quand j’ai vu le premier vol, je n’ai pas pu m’empêcher de penser à toutes ces heures passées à travailler très dur pour résoudre des problèmes techniques. Tous ces gens qui travaillent à livrer du matériel que vous ne voyez pas nécessairement à la télévision. Cette réalisation est absolument historique et je suis heureux d’avoir pu y contribuer.
Nacer Chahat : Ma contribution concernait le sous-système de télécommunication, pour garantir que le rover puisse envoyer des commandes à l’hélicoptère, et que l’hélicoptère puisse renvoyer des images ou de la télémétrie au rover. J’ai donc travaillé sur la conception de l’antenne et aussi sur l’ingénierie système.
Jim Green : Wow, cela semble vraiment difficile car il s’agit d’un très petit véhicule. A quoi ressemble cette antenne ? Je ne me souviens pas l’avoir vu. Est-ce que ça colle ? Ou est-ce que ça fait partie de… est-ce que ça monte au sommet ou, où en est-il ?
Nacer Chahat : Oui. Donc sur le dessus de l’hélicoptère, il y a un panneau solaire, qui nous permet de recharger notre batterie. Et nous avons décidé de placer l’antenne sur cette surface, car c’est ce qui offrait la plus grande surface à utiliser comme surface réfléchissante. C’est donc le type d’antenne le plus simple que vous puissiez utiliser. C’est ce qu’on appelle un monopole. Ainsi, le monopôle est essentiellement un fil unique, qui résonne à la fréquence de fonctionnement et situé au-dessus d’une surface réfléchissante. Et la surface réfléchissante dans ce cas est le panneau solaire.
Nacer Chahat : Ce fil nous permet d’opérer à la fréquence d’intérêt. Mais cette antenne, ce type d’antenne monopôle sont utilisés lorsque vous avez besoin de communiquer ce que nous appelons omni, omni directionnellement. Cela signifie que nous devons communiquer cela avec les mêmes capacités dans n’importe quelle direction, car nous ne savons pas où se trouvera l’hélicoptère ou le rover car il bougera constamment lorsqu’il volera. Droit. C’est donc la raison pour laquelle nous utilisons une telle antenne.
Nacer Chahat : C’est très petit, c’est environ cinq à six centimètres, ce qui correspond essentiellement à un quart de longueur d’onde ou à la fréquence de fonctionnement.
Jim Green : Ouais, ça a beaucoup de sens. Je veux dire, oui, vous déplacez l’hélicoptère et il redescend. Et ce n’est pas nécessairement dans cette même orientation.
Nacer Chahat : Exactement.
Jim Green : Alors vous voulez diffuser. Alors ça sonne…
Nacer Chahat : Oui
Jim Green : … comme si la communication d’Ingenuity n’était qu’avec, avec Persévérance, et ensuite c’est à Persévérance de regrouper ces données et de les envoyer ensuite à un orbiteur qui les relaie ensuite vers la Terre.
Nacer Chahat : C’est, c’est exactement ça. Et la raison est très simple, c’est qu’évidemment avec un si petit hélicoptère, on ne pourra pas communiquer directement avec l’orbiteur, et encore moins avec la Terre. C’est donc le concept que nous utilisons. L’hélicoptère doit également rester à l’écart du rover lui-même, car le rover doit être totalement sûr. Il faut donc une zone interdite qui se situe à peu près au-dessus de 100 mètres. Ainsi, l’hélicoptère ne volera jamais à moins de 100 mètres du rover. Le sous-système de télécommunication a donc été conçu pour communiquer de 100 mètres à un kilomètre, ce qui est très éloigné. Et nous avons fait beaucoup de tests à proximité de notre laboratoire à l’extérieur, un test sur le terrain, qui était très, très excitant, où nous avions une maquette à taille réelle du rover et de l’hélicoptère et nous l’avons localisé dans une direction différente pour nous assurer que tous nos modèles et analyses étaient corrects.
Jim Green : Wow, ça a l’air vraiment amusant. Une autre chose que la NASA aime faire est de penser aux missions du futur. Et même si nous envoyons un vaisseau spatial en Europe, appelé Clipper, nous réfléchissons également à ce que cela pourrait être de descendre à la surface, un atterrisseur. Maintenant, vous étiez également impliqué dans le système de communication d’un atterrisseur sur Europa. À quoi cela ressemblerait-il ? Et comment cela doit-il fonctionner ?
Nacer Chahat : Le concept original du concept d’atterrisseur Europa était d’envoyer également un orbiteur, avec l’atterrisseur, et l’orbiteur aura des capacités de télécommunication pour relayer les données vers la Terre. Cependant, cela aurait été d’un coût prohibitif. On nous a donc demandé très rapidement de revoir le concept pour en réduire le coût afin que cette mission soit un jour possible.
Nacer Chahat : Et la seule façon de le faire était pour communiquer directement avec la Terre afin que nous n’ayons pas besoin d’un orbiteur également. Donc, pour ce faire, la conclusion qui était qu’il nous fallait une antenne avec un rendement de plus de 80%, ce qui pour vous donner une idée, n’a jamais été fait auparavant. Tous les rover ou atterrisseurs martiens ont des rendements inférieurs à 45 % environ. Mais l’atterrisseur a des contraintes supplémentaires. L’antenne devait être plate, elle devait survivre à l’environnement et au rayonnement très élevé d’Europe. Et pour ces raisons, les gens pensaient que ce n’était tout simplement pas possible de le faire.
Nacer Chahat : Nous avons donc proposé une conception d’antenne qui répond à toutes ces exigences et atteint l’efficacité que nous avons entièrement testée pour être quelque chose pour l’environnement d’Europe, afin de qualifier le quelque chose pour une éventuelle mission d’atterrisseur Europa à l’avenir. Et donc maintenant, nous sommes dans une très, très, très bonne forme, parce que nous savons que ce concept de mission Europa est possible. Nous avons toute la technologie nécessaire pour le faire, car la NASA nous a aidés à développer toutes ces technologies.
Jim Green : Ouais, c’est vraiment super. Revenant maintenant sur Terre, votre projet actuel est sur SWOT, qui est la mission de topographie des eaux de surface et des océans. Qu’est-ce que tu fais avec ça ? Et l’avons-nous déjà lancé ?
Nacer Chahat : Non, nous sommes actuellement en phase d’intégration et de test, ce que nous appelons INT. La charge utile est donc entièrement assemblée. En ce moment, nous effectuons actuellement tous les tests environnementaux sur la charge utile avant de l’expédier en France à notre partenaire en France, le CNES, pour l’intégrer au vaisseau spatial. Cette mission est donc très excitante car nous repoussons les limites de la mesure scientifique précision. Le rôle de SWOT est donc de mesurer pour la première fois la topologie de surface de l’océan, mais aussi la surface de l’eau. Nous aurons donc une carte globale de la Terre entière et nous pourrons savoir où se trouve l’eau en continu. Et voilà, c’est la beauté de SWOT. Il y a beaucoup de nouvelles technologies qui devaient être développées pour ce faire, pour améliorer la précision de ces mesures. Et donc nous sommes très, très excités de voir cette mission avancer et se préparer à voler.
Jim Green : Alors, quelle est la nouvelle avancée dans les technologies d’antenne ?
Nacer Chahat : Chaque mission a des exigences différentes. Nous avons donc tendance à concevoir une nouvelle antenne à chaque fois. Je dirais que le Saint Graal de l’antenne, de mon point de vue, serait de concevoir une antenne qui pourrait être appliquée à chaque mission pour répondre à toutes les exigences. Alors évidemment, c’est presque impossible de le faire. Mais pour la communication, ce n’est pas impossible, vous pourriez proposer une antenne qui pourrait raser le faisceau comme nous le souhaitons pour une ouverture donnée. Et c’est ce sur quoi je travaille, sur ma recherche scientifique, pour parvenir à une telle chose.
Jim Green : Super.
Jim Green : Nacer, j’aime toujours demander à mes invités de me dire quel était cet événement, cette personne, ce lieu ou cette chose qui les a tellement excités à l’idée d’être l’ingénieur qu’ils sont aujourd’hui. Et j’appelle cet événement une assistance gravitationnelle. Alors Nacer, quelle était votre assistance par gravité ?
Nacer Chahat : La scientifique que je respectais le plus est Marie Curie, qui était aussi du même pays que moi, de France. Mais vraiment, ce que j’aime dans mon enquête, c’est son dévouement au travail. Et je pense que personne n’était aussi dévoué qu’elle parce qu’elle a en fait donné sa vie pour son travail. Et l’éthique de travail qu’elle a démontrée est ce que je partage le plus avec Marie Curie.
Nacer Chahat : Alors mais je dirais, je dirais aussi, que ce n’est pas forcément un ingénieur, ou un scientifique qui m’a vraiment inspiré, dans mon cas. Mes parents sont originaires d’un pays très pauvre, en Algérie, au nord de l’Afrique. Et ils n’avaient pas accès à l’éducation. Donc, après avoir déménagé en France, je suis né et j’ai grandi en France, ils partagent vraiment cette notion de comprendre que l’éducation est un cadeau. Ils n’en avaient pas la chance, et ils voulaient s’assurer que je réalise la chance que j’avais, et que nous puissions profiter autant que possible de l’éducation que j’ai reçue. C’est pourquoi j’ai toujours travaillé très, très dur pour faire le plus possible et apprendre le plus possible.
Nacer Chahat : Et donc je dirais que mes assistants gravitaires ne sont pas des ingénieurs ou des scientifiques, mais en fait mes parents.
Jim Green : Maintenant, c’est une histoire merveilleuse. Merci beaucoup de le partager avec moi.
Jim Green : Nacer, merci beaucoup de vous être joint à moi pour discuter de ce sujet fantastique.
Nacer Chahat : Le plaisir était pour moi. C’est toujours ça, c’est toujours génial de partager l’expérience que nous avons apportée en développant de nouvelles technologies au JPL. Alors merci de m’avoir reçu.
Jim Green : Rejoignez-moi la prochaine fois alors que nous poursuivons notre voyage pour regarder sous le capot de la NASA et voir comment nous faisons ce que nous faisons. Je suis Jim Green et voici votre Gravity Assist.
