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Des ingénieurs conçoivent des planeurs sans moteur pour explorer Mars

02 juillet 2022

(Nouvelles de Nanwerk) 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 un pied par pixel. Trois Earth Rovers traversent pour cartographier de petites zones de la planète avec une plus grande précision. Mais ce qui se trouve à des centaines de kilomètres entre les rovers et l’orbite – y compris les processus climatiques atmosphériques et les caractéristiques géologiques telles que les volcans et les vallées – est souvent d’un grand intérêt pour les scientifiques planétaires.

« Vous avez cette pièce vraiment importante et cruciale dans cette couche limite planétaire, comme dans les premiers kilomètres au-dessus de la surface de la Terre », a déclaré Alexander 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 les poussières sont capturées et envoyées dans l’atmosphère, où les gaz traces se mélangent, où la modulation du vent à grande échelle se produit par les écoulements des vallées de montagne. Et nous ne Je n’ai pas beaucoup de données sur ce sujet « .

Kling s’associe à une équipe d’ingénieurs de l’Université de l’Arizona visant à combler ce manque de données en concevant un planeur sans moteur qui peut survoler la surface de Mars pendant des jours à la fois, en utilisant uniquement l’énergie éolienne pour la propulsion. Les planeurs seront équipés de capteurs de vol, de température et de gaz ainsi que de caméras, et chacun ne pèse que 11 livres.

L’équipe a détaillé sa proposition dans un article publié dans la revue Cosmos (« Explorer Mars avec des planeurs »). Atterrissage sur Mars en planeur L’équipe a effectué un lancement restreint d’une première version du planeur, alors qu’il descendait lentement au sol attaché à un ballon. (Photo: Collège d’ingénierie de l’Université de l’Arizona)

Vol d’albatros

Un voyage sur Mars est un défi en raison de la faible atmosphère de la planète, et ce n’est pas la première équipe qui tente de le relever. Notamment, l’innovation de la NASA est un hélicoptère de 4 livres qui a atterri à Jezero Crater sur Mars en 2021. Avec une technologie de vol miniature et un système rotatif d’environ 4 pieds de haut, c’est le premier appareil à tester le vol contrôlé motorisé sur une autre planète. Mais la voiture à énergie solaire ne peut voler que trois minutes à la fois, atteignant une hauteur de seulement 12 mètres, soit environ 39 pieds.

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« Toutes ces autres technologies étaient très limitées par la puissance », a déclaré le premier auteur de l’article, Adrian Buskila, étudiant au doctorat en génie aérospatial au Small Air Vehicle Laboratory du professeur Sergei Shkaraev à l’Université de l’Arizona. « Ce que nous proposons, c’est simplement d’utiliser l’énergie sur place. C’est une sorte de saut en avant dans les méthodes d’extension de mission. Parce que la question clé est : comment volez-vous gratuitement ? Comment utilisez-vous le vent existant, la thermodynamique existante pour éviter utiliser des panneaux solaires et compter sur des batteries qu’il faut recharger ? »

Des planeurs éoliens légers et peu coûteux peuvent être la solution. Les avions, qui ont une envergure d’environ 11 pieds, utiliseront plusieurs méthodes de vol différentes, y compris le simple vol stationnaire statique lorsqu’il y a suffisamment de vent vertical. Mais ils peuvent aussi utiliser une technologie appelée vol stationnaire dynamique, qui, comme un albatros en vol long, profite de la vitesse du vent souvent horizontale augmentant avec l’altitude — un phénomène particulièrement fréquent sur Mars.

L’élévation dynamique ressemble à celle que les skieurs en forme de S utilisent pour contrôler leur descente de la montagne. Cependant, 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 augmenter sa vitesse.

Les avions volent légèrement vers le haut dans la direction d’un vent lent à basse altitude. Lorsqu’ils atteignent la vitesse du vent élevée, ils pivotent de 180 degrés et permettent au vent à grande vitesse de les diriger vers l’avant avec un léger angle d’atterrissage. Lorsqu’ils commencent à manquer d’énergie à cause du vent à grande vitesse, ils répètent le processus en progressant.

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Grâce à cette manœuvre astucieuse, les planeurs peuvent continuellement récolter l’énergie de l’atmosphère, volant pendant des heures, voire des jours à la fois. C’est gratuit.

« C’est quelque chose qu’il faut voir pour croire », a déclaré le co-auteur de l’article, Jekan Thanga, professeur adjoint d’ingénierie aéronautique et mécanique à l’UArizona.

Les rovers actuels ont principalement capturé des images des plaines sablonneuses et plates de Mars – les seules zones où le rover peut atterrir en toute sécurité. Mais les planeurs pourront explorer de nouvelles zones en profitant de la façon dont les modèles de vent changent autour des formations géologiques telles que les canyons et les volcans.

« Avec cette plate-forme, vous pouvez voler et vous rendre dans ces endroits vraiment cool et vraiment intéressants », a déclaré Kling. Planeur en gros plan de Mars Les planeurs sur Mars contiendront un ensemble de capteurs de navigation spécialement conçus, ainsi qu’une caméra et des capteurs de température et de gaz pour collecter des informations sur l’atmosphère et le paysage martiens. (Photo: Collège d’ingénierie de l’Université de l’Arizona)

Les bonnes choses viennent en petits paquets

L’équipe propose d’envoyer des planeurs sur Mars comme charge utile secondaire dans le cadre d’une mission plus vaste. Tanga étudie comment déployer des planeurs depuis un vaisseau spatial dans l’atmosphère. À bord du vaisseau spatial, les planeurs seront enfermés dans des CubeSats, des satellites miniatures pas plus gros qu’un annuaire téléphonique. Une fois les CubeSats lancés et les avions lancés, les avions s’ouvriront, comme des origamis, ou se gonfleront, comme des flotteurs de piscine high-tech, et se solidifieront à leur taille maximale.

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L’équipe explore également la possibilité d’un dirigeable ou d’un dirigeable transportant des planeurs dans l’atmosphère. Cela ralentira l’atterrissage des planeurs et leur permettra de décoller lorsque les conditions de vent sont idéales ou lorsque vous vous approchez d’une zone de grand intérêt. Les planeurs peuvent reconstituer un ballon ou un dirigeable après le vol et continuer à accomplir plusieurs missions.

Le voyage se termine, la mission continue

Après avoir atterri sur Mars, les avions continueront de 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 collectent sont constamment introduites dans des modèles prédictifs. Par conséquent, chaque planeur sur 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 notre puissance de vol s’épuise, ou si les capteurs inertiels échouent soudainement pour une raison quelconque, nous nous attendons à garder la science », a déclaré Buskila. « 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. Il reste encore des recherches à faire concernant les trajectoires de vol, les systèmes d’amarrage potentiels, etc. Mais cet été, ils testeront des avions expérimentaux à 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 Shkaraev.

L’équipe espère finalement que la NASA financera la mission et lui permettra de « rouler » sur la mission Mars à grande échelle déjà en cours de développement. Kling a déclaré que la nature peu coûteuse de l’effort de planeur signifie qu’il peut être rentable relativement rapidement, peut-être en années plutôt qu’en décennies nécessaires pour une mission à grande échelle.