L’hélicoptère martien Ingenuity de la NASA : L’équilibre des risques dans la région de “Séítah”.

Illustration de l’ingéniosité de l’hélicoptère martien de la NASA. Crédit : NASA/JPL

Ingenuity a poursuivi son voyage vers le delta de la rivière au début de ce mois avec le vol 24. Ce vol a eu lieu le dimanche 3 avril, et les données sont revenues plus tard dans la soirée. Ce vol était le quatrième des cinq sorties qu’Ingenuity effectuera pour traverser la région “Séítah” du cratère Jezero et arriver à proximité de son delta. Ce raccourci en plusieurs vols à travers Séítah a pour but de devancer le rover Persévérance, qui est actuellement en train de gagner du temps sur une route plus détournée vers la même zone.

L’ingéniosité et Mars 2020 ont de grands projets pour l’hélicoptère du delta. Mais elles doivent d’abord s’y rendre, et avant le vol 24, une décision cruciale a dû être prise pour déterminer lequel des trois plans de vol différents offrait les meilleures chances d’une arrivée réussie au delta.

Options de route pour l’hélicoptère de Mars à partir de ‘Séítah’ : Cette image aérienne annotée prise par la caméra HiRISE à bord du Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA montre trois options pour l’hélicoptère Mars Ingenuity de l’agence pour les vols hors de la région de “Séítah”, ainsi que l’emplacement du matériel d’entrée, de descente et d’atterrissage (EDL). Crédit : NASA/JPL-Caltech/Université d’Arizona/USGS

Les trois options sur la table étaient :

• Option A: un seul et long vol.
• Option B: deux vols plus courts.
• Option C: un vol 24 très court pour rendre le long vol de Séítah un peu plus facile que l’option A.

Pour décider laquelle de ces options devait être retenue, l’équipe de l’hélicoptère martien a dû prendre en compte de multiples facteurs : conditions thermiques et atmosphériques, durée du vol, dérive, sites d’atterrissage et suivi du rover. Nous allons explorer chacun de ces facteurs et le rôle qu’ils ont joué dans l’évaluation globale des risques et le choix de notre décision.

Limitations thermiques

Pour les engins spatiaux, le terme ” thermique ” fait référence à la gestion des températures de chaque composant. Chaque partie d’Ingenuity a ce qu’on appelle des températures de vol admissibles (AFT), qui donnent une gamme de températures auxquelles chaque partie peut fonctionner en toute sécurité. Même votre téléphone ou votre ordinateur a une plage de température recommandée : S’il fait trop froid ou trop chaud, il ne fonctionnera pas comme prévu. Il est essentiel de rester “dans les limites de l’AFT” pour garantir la santé d’Ingenuity, ce qui signifie que nous faisons très attention à gérer cela – par exemple, en utilisant des chauffages pendant la nuit lorsqu’il fait froid, et en limitant les activités pendant la journée, lorsqu’il fait plus chaud. Un défi particulier pour Ingenuity est la gestion de la température de ses actionneurs, les servos et les moteurs qui lui permettent de voler (voir certains d’entre eux ici). Ces composants génèrent beaucoup de chaleur pendant le vol, à tel point que la durée maximale de vol est souvent limitée par l’AFT maximale de ces actionneurs.

Conditions atmosphériques saisonnières

Si vous avez suivi ce blog, vous savez que nous avons opéré avec une densité d’air réduite depuis septembre, ce qui a nécessité une augmentation du régime du rotor de 2 537 à 2 700. Le vol 14, par exemple, était un vol de vérification pour confirmer qu’Ingenuity pouvait voler dans ces conditions. Pour tous les vols effectués depuis lors, Ingenuity a fonctionné avec succès avec un régime de 2 700 tr/min. Malheureusement, l’utilisation d’un régime plus élevé fait que les actionneurs chauffent plus rapidement et atteignent leurs AFT plus tôt, ce qui limite le temps de vol maximal. En pratique, cela nous a limités à des vols de 130 secondes ou moins. Heureusement, nous sommes vers la fin de l’été martien, avec sa faible densité d’air, et nous commençons à entrer dans l’automne martien, avec des densités d’air plus élevées (voir ci-dessous), ce qui signifie que nous pouvons maintenant revenir au régime de 2 537 tr/min de nos 13 premiers vols. Ce changement de régime permet d’augmenter le temps de vol à environ 150 secondes. Cependant, la densité atmosphérique n’est pas le seul facteur en jeu : Le principal moteur des changements de densité est la température de l’atmosphère, qui a également un impact majeur sur – vous l’avez deviné – la température de l’ingéniosité.

Il fait plus chaud maintenant, au sortir de l’été, que lors de nos premiers vols au printemps. Ainsi, même si nous avons volé à 10 heures du matin – heure solaire moyenne locale (LMST) – sur Mars pendant tout l’été, Ingenuity a été plus chaud que les vols à 12 heures LMST au printemps. Une atmosphère plus chaude signifie des composants plus chauds, ce qui signifie que nous atteignons les AFT maximales plus tôt. Cela signifie que, en volant à 10:00 LMST, nous ne pouvons toujours pas voler aussi longtemps qu’auparavant, comme lors des vols 9, 10 et 12..

MarsModèle de densité de l’atmosphère : Les modèles de la variation saisonnière de la densité atmosphérique sur Mars entre l’été (faible densité) et l’hiver (densité plus élevée) prévoient que la densité de l’air sera suffisamment élevée fin mars pour que l’hélicoptère Mars Ingenuity de la NASA puisse revenir à son régime initial. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Temps et distance de vol

Avec les conditions atmosphériques actuelles au cratère Jezero, les AFT des actionneurs sont le facteur limitant de la durée totale du vol. Regardons plus en détail les différentes options pour le vol 24 et au-delà :

• Option A: Le long vol hors du delta nécessite 170 secondes de vol, le maximum de nos vols précédents. Ceci n’est pas possible tant que l’atmosphère ne se refroidit pas davantage.
• Option B: Les deux vols les plus courts fonctionnent de la même manière que nos précédents vols “d’été” : 130 secondes de vol. Ce temps de vol est possible sans aucune modification.
• Option C: Le premier vol, un saut court, est conçu pour réduire le temps de vol nécessaire pour le second vol à 160 secondes. Ceci est possible si nous : i) réduisons le nombre de tours à 2 537, et ii) volons plus tôt dans le sol pour avoir des températures atmosphériques plus basses.

L’équipe a déterminé qu’en volant 30 minutes plus tôt, à 09:30 LMST, le temps de vol pourrait être augmenté de 10 secondes. Cependant, Ingenuity n’avait jamais volé à 09:30 LMST auparavant, ce serait donc une nouvelle “première”. Et voler plus tôt comporte des risques associés à l’état de charge des batteries de l’hélicoptère : L’Ingenuity utilise de l’énergie pour se chauffer pendant la nuit et recharge ses batteries grâce à son panneau solaire, ce qui signifie que les batteries sont moins chargées le matin. Si nous choisissons de voler à 9h30, nous devrions d’abord faire un test – réveiller Ingenuity à cette heure sans voler, pour vérifier qu’il a une charge suffisante pour un vol.

En résumé, les différentes options de durée maximale de vol disponibles sont :

• 130 secondes (ligne de base)
• 150 secondes (régime réduit)
• 160 secondes (régime réduit et temps de vol plus court)

Le temps de vol est normalement équivalent à la distance parcourue, mais il dépend aussi des manœuvres effectuées. Par exemple, la rotation sur place (appelée “lacet”) est effectuée (du moins sur Mars) lentement, en quelques secondes, sans distance parcourue. Pour cette raison, les vols de l’hélicoptère martien avec plus de manœuvres de lacet ne parcourent pas autant de distance dans le même temps de vol.

Tous ces facteurs entrent en jeu avec l’option C – le saut court. Ce vol permettrait d’effectuer un vol plus long de 160 secondes, pour plusieurs raisons : 1) il s’agit d’un test de vérification pour le vol de retour à 2 537 tr/min, 2) il s’agit d’un test pour le vol à 09:30 LMST, et 3) il réduit le temps de vol pour le vol suivant en effectuant les manœuvres de lacet qui prennent du temps et en se rapprochant légèrement de la cible pour le deuxième vol. Ces trois étapes sont nécessaires pour permettre un vol de 160 secondes à partir du Séítah.

Dérive

Comme discuté précédemment, Ingenuity était une démo technologique qui s’attendait à voler sur un terrain plat. Lorsqu’il survole un terrain “non plat”, comme des collines, des falaises, de gros rochers et de grandes dunes, l’estimation de la position et du cap d’Ingenuity peut dériver. Cette dérive conduit à une zone plus large où il peut atterrir, appelée ellipse d’atterrissage. Plus il vole loin, plus la dérive potentielle est importante, et plus l’ellipse d’atterrissage est grande. La région de Séítah présente un grand nombre de ces caractéristiques non plates (voir les dunes et les rochers sur l’image du haut, ou sur l’image du bas). carte interactive), ce qui rend le survol de cette région plus risqué pour Ingenuity. La présence de matériel provenant de l’entrée, de la descente et de l’atterrissage (EDL) de Persévérance, notamment la grue aérienne, les parachutes et la coque arrière, constitue un défi supplémentaire pour les vols à venir. Les points verts (sur la figure 1) montrent les emplacements prévus de ce matériel d’après l’imagerie orbitale. Certains de ces composants se trouvent sous la trajectoire de vol de l’option B, ce qui présente un potentiel de performances inattendues pour l’altimètre laser d’Ingenuity (un laser qui mesure la hauteur de l’hélicoptère au-dessus de la surface) et le système d’odométrie visuelle, ce qui pourrait causer plus de dérive.

Sites d’atterrissage

Chaque vol d’Ingenuity a une ellipse d’atterrissage planifiée (ou parfois simplement une région d’atterrissage) qui a été analysée pour que l’atterrissage soit sûr et suffisamment grande pour la dérive prévue. Le défi consiste à trouver une zone d’atterrissage suffisamment grande et exempte de dangers, tels que des rochers, de grandes pentes ou même du matériel EDL. Il est difficile de trouver de grands sites d’atterrissage à Séítah, c’est pourquoi des vols plus courts sont préférés, afin de réduire la dérive potentielle, et donc la taille requise de l’ellipse d’atterrissage. En dehors de Séítah, le terrain est relativement plat et favorable aux hélicoptères, ce qui permet d’utiliser de grands sites d’atterrissage.des ellipses et des vols longs avec une plus grande dérive. Voyons les différentes options et leurs sites d’atterrissage :

• Option A: une ellipse d’atterrissage à l’extérieur du Séítah qui est grande et sûre.
• Option B: L’ellipse d’atterrissage du vol 24 est à l’intérieur de la Séítah, ce qui limite sa taille, et nécessite un vol à moyenne distance, ce qui donne moins de marge et le rend légèrement plus risqué qu’un atterrissage à l’extérieur de la Séítah.
• Option C: Le premier site d’atterrissage (pour le vol 24) ne nécessite qu’un vol court, réduisant la quantité de dérive potentielle, et il reste dans l’ellipse d’atterrissage relativement grande du vol précédent, le 23.

Suivre l’évolution du Rover

Persévérance fait de grands progrès dans sa progression vers le delta de la rivière, et il est important que Ingéniosité suive le rythme pour arriver au delta avant le rover. Ceci pour deux raisons : les télécommunications et la sécurité. Ingenuity ne communique qu’avec la station de base de l’hélicoptère sur Persévérance, il doit donc rester suffisamment près pour avoir une bonne connexion. Pour des raisons de sécurité, l’idéal est qu’Ingenuity vole devant Persévérance pour éviter de passer devant ou près du rover, afin de minimiser le risque d’un contact rapproché dans le pire des cas.

Équilibrer les risques

Passons en revue chacun des facteurs ci-dessus pour voir quelle option donne le meilleur ensemble de compromis pour équilibrer les risques :

Quelle option choisiriez-vous ?

Comme c’est souvent le cas dans les opérations d’Ingéniosité, il n’y a pas de solution évidente qui soit la meilleure pour tous les facteurs : Il faut faire des compromis en fonction des données disponibles et du jugement des membres de l’équipe. Dans ce cas, l’équipe de l’hélicoptère a décidé d’opter pour la solution suivante option C.

Cette image du carnet de bord officiel des vols de l’hélicoptère martien Ingenuity – le “Nominal Pilot’s Logbook for Planets and Moons” – a été prise au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud le 19 avril 2021, le jour du premier vol historique d’Ingenuity. Les carnets de bord des pilotes sont utilisés par les aviateurs pour fournir un compte rendu de leurs vols, y compris le temps de vol actuel et accumulé, le nombre et les lieux des décollages et des atterrissages, ainsi que les conditions d’exploitation et les certifications uniques. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Résumé du vol 24

Avec l’option C, le vol 24 était un court saut et une embardée à 09:30 LMST avec 2,537 rpm, et nous préparait à quitter Séítah pour le vol 25.

Vol #: 24
Buts: Vol d’essai à 2 537 tr/min, vol de 09h30 LMST.
Altitude: 10 mètres
Temps en altitude: 69,5 secondes
Distance: 47 mètres

Avec le vol 24 dans notre journal de bord, il est maintenant temps d’envisager notre prochain effort qui tracera une route hors de Séítah. Le vol 25 – qui a été transmis hier – enverra Ingenuity à 704 mètres au nord-ouest (presque 80 mètres de plus que le record actuel – vol 9). La vitesse au sol de l’hélicoptère sera d’environ 5,5 mètres par seconde (un autre record) et nous nous attendons à rester dans l’air martien raréfié pendant environ 161,5 secondes.

Rendez-vous au delta !

Écrit par Ben Morrell, ingénieur d’exploitation de l’ingéniosité, à l’adresse suivante NASAJet Propulsion Laboratory de la NASA.