Les ingénieurs du JPL de la NASA ont laissé tomber ce prototype pour apprendre comment un futur atterrisseur de retour d’échantillons pourrait atterrir en toute sécurité sur Mars dans le cadre de la campagne Mars Sample Return pour ramener des échantillons martiens sur Terre pour une étude plus approfondie. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Les ingénieurs développent le matériel essentiel nécessaire à une série de missions spatiales audacieuses qui seront menées au cours de la prochaine décennie.
Les tests ont déjà commencé sur ce qui serait l’entreprise la plus sophistiquée jamais tentée sur la planète rouge : apporter des échantillons de roches et de sédiments de Mars sur Terre pour une étude plus approfondie.
La campagne multimission Mars Sample Return a commencé lorsque NasaLe rover Perseverance a atterri sur Mars en février dernier pour collecter des échantillons de roche martienne à la recherche d’une vie microscopique ancienne. Sur les 43 tubes échantillons de Persévérance, quatre ont été remplis de carottes rocheuses et un d’atmosphère martienne. Mars Sample Return cherche à ramener sur Terre des tubes sélectionnés, où des générations de scientifiques pourront les étudier avec un équipement de laboratoire puissant bien trop volumineux pour être envoyé sur Mars.
Le concept de cet artiste d’une proposition de mission de retour d’échantillons sur Mars représente un étage de descente propulsé par une fusée abaissant un rover de récupération d’échantillons et un véhicule d’ascension à la surface. Le véhicule d’ascension est dans le grand cylindre, le protégeant du rude environnement martien. Le rover, avec des panneaux solaires en position repliée, se trouve à sa droite. Le véhicule d’ascension recevrait des échantillons de roches martiennes qui doivent être collectées par une mission précédente et récupérées par le rover. Ensuite, il lancerait les échantillons sur l’orbite martienne pour un rendez-vous avec un vaisseau spatial qui les transporterait sur Terre. Crédit : NASA/JPL-Caltech
L’introduction de ces échantillons dans des laboratoires terrestres prendrait une décennie et impliquerait des partenaires européens et plusieurs centres de la NASA. L’ESA (l’Agence spatiale européenne) développe un rover pour l’effort, avec des ingénieurs du Glenn Research Center de la NASA à Cleveland, Ohio, concevant ses roues. Le rover transférerait des échantillons vers un atterrisseur, en cours de développement au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, qui utiliserait un bras robotique (développé par l’ESA) pour emballer les échantillons dans une petite fusée, appelée Mars Ascent Vehicle, conçue par la NASA Marshall Space Flight Center à Huntsville, Alabama.
Des équipes de plusieurs centres de la NASA et de l’Agence spatiale européenne travaillent ensemble pour préparer un ensemble de missions qui ramèneraient les échantillons collectés par le rover Mars Perseverance sur Terre en toute sécurité. Cette vidéo présente certains des tests de prototype en cours pour l’atterrisseur de récupération d’échantillons proposé, les systèmes de lancement du véhicule d’ascension vers Mars et le système d’entrée de la Terre. Crédit : NASA/JPL-Caltech
La fusée serait lancée depuis l’atterrisseur pour livrer la capsule d’échantillon à un vaisseau spatial de l’ESA en orbite autour de Mars. À l’intérieur de l’orbiteur, la capsule serait préparée pour être livrée sur Terre par du matériel qu’une équipe dirigée par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, développe. Cette préparation comprendrait le scellement de la capsule d’échantillon dans un conteneur propre pour piéger tout matériau martien à l’intérieur, la stérilisation du sceau et le placement du conteneur scellé dans une capsule d’entrée par la Terre avant le voyage de retour sur Terre.
L’atterrisseur
Pour développer l’atterrisseur, ainsi que le système qui aiderait à lancer la fusée chargée d’échantillons, les ingénieurs du JPL de la NASA s’appuient sur une longue histoire d’exploration de Mars : le JPL a mené neuf atterrissages réussis sur Mars, y compris des rovers et des atterrisseurs stationnaires. Mais le Sample Retrieval Lander serait le vaisseau spatial le plus gros et le plus lourd de ce type à être jamais allé sur Mars, et le lancement du véhicule Mars Ascent à partir de celui-ci serait la première fusée jamais tirée depuis une autre planète.
C’est là qu’intervient le test.
Pour transporter et lancer le Mars Ascent Vehicle, l’atterrisseur doit être une plate-forme solide, pesant environ 5 291 livres (2 400 kilogrammes) – presque deux fois plus lourde que Persévérance, qui a été abaissée à la surface martienne avec des câbles d’un jet pack propulsé par fusée. Le Sample Retriever Lander n’aurait pas de jet pack ; ses jambes devraient absorber l’impact du toucher des roues, en s’appuyant sur des rétrofusées pour ralentir sa descente, à l’instar des récentes missions d’atterrisseur sur Mars comme InSight et Phoenix.
Une fausse fusée est lancée en l’air au Jet Propulsion Laboratory de la NASA lors des tests d’un système de lancement qui tirerait une fusée depuis Mars. La fusée ferait partie d’un effort multi-missions pour renvoyer des échantillons martiens sur Terre pour une étude plus approfondie. Crédit : NASA/JPL-Caltech
C’est pourquoi Pavlina Karafillis a laissé tomber un prototype d’atterrisseur – à plusieurs reprises – dans un espace semblable à un entrepôt au JPL. En tant qu’ingénieur de test pour les jambes de l’atterrisseur de récupération d’échantillons, elle et ses collègues ont utilisé des caméras à grande vitesse pour observer les jambes de ce prototype claquer sur une base. Des marques semblables à des codes QR sur chacun des « pieds » du prototype aident les caméras à suivre le mouvement des jambes. L’équipe utilise une vidéo au ralenti pour mettre à jour en permanence ses modèles informatiques, ce qui l’aide à comprendre comment l’énergie serait dispersée dans l’atterrisseur.
“La dernière étape du voyage est vraiment importante”, a déclaré Karafillis. « Il y a toutes sortes de conditions d’atterrissage dont vous devez tenir compte, comme les rochers, ou le sable très mou, ou en biais. C’est pourquoi nous devons faire tous ces tests.
Karafillis et ses collègues ont commencé avec un prototype d’environ un tiers de la taille du vaisseau spatial réel ; un prototype plus léger est un moyen d’apprendre comment la conception finale de l’atterrisseur se déplacerait dans la faible gravité de Mars. Plus tard dans le programme, ils lâcheront également un atterrisseur à grande échelle.
La fusée
Survivre à l’atterrissage n’est qu’une partie du défi : lancer en toute sécurité la fusée à deux étages de 2,8 mètres de long qui se trouvera au sommet du pont de l’atterrisseur ajoute un autre niveau de difficulté. La gravité de Mars est le tiers de celle de la Terre, et le poids de la fusée, combiné à son échappement, pourrait faire glisser ou incliner l’atterrisseur.
Les ingénieurs ont donc conçu un système pour lancer la fusée en l’air juste avant qu’elle ne s’enflamme. L’ensemble du processus se déroule en un claquement de doigt, lançant la fusée à une vitesse de 16 pieds (5 mètres) par seconde.
Au cours des tests, un berceau équipé de pistons à essence a lancé une fausse fusée de 881 livres (400 kilogrammes) à 11 pieds (3,3 mètres) dans les airs; des câbles suspendus à une tour de 13 mètres de haut ont déchargé plus de la moitié du poids de l’article de test pour simuler la gravité martienne.
“C’est un peu comme être sur des montagnes russes très rapides lorsque quelqu’un frappe les pauses”, a déclaré Chris Chatellier, ingénieur en chef du système chez JPL. « Il y a beaucoup d’aspects de sécurité à considérer. Les tests se déroulent dans une séquence d’événements très contrôlée avec tout le monde à l’extérieur du bâtiment. »
Ce système, connu sous le nom de système de libération de basculement contrôlé à éjection verticale (VECTOR), ajoute également une légère rotation pendant le lancement, ce qui élève la fusée vers le haut et l’éloigne de la surface martienne.
“Le lancement avec VECTOR signifie que l’atterrisseur pourrait être orienté dans le mauvais sens sur une pente, et nous pourrions toujours y parvenir”, a déclaré Chatellier.
Chatellier et son équipe ont effectué 23 tests cette année, modifiant la masse et le centre de gravité de la fusée en cours de route. Ils ont également ajouté des ressorts au bas de leur remplaçant d’atterrisseur, observant le “rebond” créé par le système de lancement. L’année prochaine, ils lanceront une fusée plus lourde encore plus haut.
« Nous sommes sur la bonne voie », a déclaré Chatellier. “Notre analyse et nos modèles prédits étaient très proches de ce que nous avons vu dans les tests.”
En savoir plus sur le retour d’échantillons de Mars
Le Mars Sample Return (MSR) de la NASA révolutionnera notre compréhension de Mars en renvoyant des échantillons sélectionnés scientifiquement pour étude à l’aide des instruments les plus sophistiqués au monde. La mission remplira un objectif d’exploration du système solaire, une priorité élevée depuis 1980 et les deux derniers relevés décennaux planétaires de la National Academy of Sciences.
Ce partenariat stratégique de la NASA et de l’ESA (Agence spatiale européenne) sera la première mission à renvoyer des échantillons d’une autre planète, y compris le premier lancement et retour depuis la surface d’une autre planète. Ces échantillons collectés par Persévérance lors de son exploration d’un ancien delta fluvial sont considérés comme la meilleure opportunité de révéler l’évolution précoce de Mars, y compris le potentiel de vie.
