Le succès d’Ingenuity, autrement connu sous le nom de “Mars helicopter”, a uni le monde pour célébrer un événement unique dans l’histoire de l’aviation: le premier vol propulsé par un avion sur un autre monde. Même l’Organisation guindée de l’Aéronautique Civile Internationale est passée à l’acte, désignant la parcelle nue du sol martien où la série historique de vols a eu lieu avec son propre code d’aéroport à trois lettres: IGY. Elon Musk n’a pas encore annoncé quand le service régulier des passagers pourrait commencer, mais au moins maintenant, vous saurez quel code rechercher sur le tableau de départ.
C’est un moment enivrant dans l’histoire du vol, mais pour les lecteurs de Model Airplane News, il y avait quelque chose de nettement familier dans tout l’épisode. Enlevez l’emplacement exotique et les adaptations pour voler dans l’atmosphère raréfiée et glaciale de Mars, et vous êtes à gauche avec un modèle d’avion parfaitement familier — et pas particulièrement sophistiqué, à cela.
Prenez-le pour un tour
Pour commencer, la configuration de l’hélice coaxiale d’Ingenuity est bien connue des modélisateurs de modèles d’hélicoptères à bas prix largement vendus sur Amazon pour moins de 50 $ par des marques comme Syma et Cheerwing. Ce sont d’excellents avions pour les pilotes débutants car ils sont intrinsèquement stables. En outre, ils peuvent transporter une charge utile supérieure à celle d’autres types de giravions avec une source d’énergie comparable. Les deux traits sont également très demandés sur la planète rouge.
De plus, du fait que les pales tournent dans des directions opposées, elles annulent les effets de couple les uns des autres sur la cellule, maintenant l’aéronef stable dans son axe de lacet. Cela signifie que, contrairement à un hélicoptère “à rotor unique” conventionnel, il n’est pas nécessaire d’avoir un rotor de queue – également appelé rotor anticouple.
Un autre avantage de la conception coaxiale est qu’elle élimine le problème de dissymétrie de portance. Les pales d’un hélicoptère sont des ailes, exactement comme les ailes d’un avion. Lorsque le rotor traverse l’air, il crée une basse pression au-dessus de chaque pale et une haute pression en dessous et la différence entre les deux génère une portance. Cependant, lorsqu’un hélicoptère est en vol avant, la portance varie entre les deux côtés de l’aéronef.
La raison en est que la pale se déplaçant dans la même direction que l’hélicoptère, appelée “pale qui avance”, bénéficie de la vitesse anémométrique supplémentaire générée par le mouvement de l’hélicoptère lui—même – connu sous le nom de “vent relatif” pour les types de génie aéronautique. Une plus grande vitesse est égale à une plus grande portance. Cependant, la » pale en retrait » génère d’autant moins de portance qu’elle déduit, plutôt qu’elle n’ajoute, le vent relatif à sa vitesse anémométrique effective, ce qui rend la pale moins efficace.
Grâce à ses pales contrarotatives, un hélicoptère coaxial comme l’Ingéniosité ne subit pas les effets de cette dissymétrie de portance, contribuant à sa stabilité globale.
Un autre avantage de la conception de l’hélicoptère coaxial est qu’il occupe moins d’espace physique qu’un hélicoptère conventionnel, c’est pourquoi les versions avec équipage ont été conçues pour être déployées à partir de navires de guerre où l’espace sur le pont est limité. Les multirotors, le format le plus populaire pour les SUA sur Terre, prennent également plus de place qu’une plate-forme coaxiale comparable. Lorsque vous concevez un giravion pour parcourir 300 millions de kilomètres d’espace interplanétaire attaché au ventre d’un rover, il est crucial de minimiser sa taille globale.
Bien sûr, l’atmosphère sur Mars n’est que d’un pour cent aussi dense que la nôtre, ce qui signifie que les rotors doivent être plus gros et tourner plus vite qu’ils ne le feraient ici sur Terre. Cependant, leurs performances ne sont guère extraordinaires par rapport aux normes d’un hélicoptère de modèle ordinaire. La presse grand public a rapporté avec une crainte apparente que les rotors d’Ingenuity doivent tourner à 2 500 tr / min, contre 500 tr / min pour un hélicoptère avec équipage. Cependant, 2 500 tr / min, c’est à peu près à égalité avec un hélicoptère RC typique.
(Vraiment, Vraiment) Télécommande
L’ingéniosité et un modèle d’avion typique sont indéniablement contrôlés à distance — il n’y a pas de pilote sur l’un ou l’autre — et la technologie sous-jacente que chacun utilise pour le commandement et le contrôle est fondamentalement la même: les transmissions radio. Comme un drone, Ingenuity maintient un canal de communication bidirectionnel avec ses opérateurs terrestres: recevoir des entrées de contrôle et renvoyer des images et des télémesures. Cependant, comme vous pouvez vous y attendre, il existe des différences significatives en ce qui concerne les détails.
Aujourd’hui, la plupart des modèles réduits d’avions sont contrôlés à l’aide d’un signal à spectre étalé à 2,4 GHz. Cela fournit une connexion extrêmement rapide et robuste entre le contrôleur et l’avion — moins de 25 millisecondes. De plus, en sautant constamment d’une fréquence à l’autre dans la bande de 2,4 GHz, ces systèmes offrent un haut degré de fiabilité, malgré tous les autres gadgets utilisant les mêmes fréquences: routeurs WiFi, téléphones sans fil, accessoires Bluetooth, moniteurs pour bébés et ouvre-portes de garage, pour n’en nommer que quelques-uns.
Ce diagramme révèle le concept d’opérations de base (conops) qu’Ingenuity a pu réaliser après ses premiers vols d’essai démontrant qu’il fonctionnait comme prévu dans l’environnement martien désolé.
Tout en coûtant 85 millions de dollars et conçu pour voler au-dessus de la surface de Mars, l’hélicoptère Ingenuity partage de nombreux éléments en commun avec les drones et maquettes d’avions pilotés chaque jour sur Terre.
Sur les drones, la vidéo et la télémétrie sont généralement également transmises à 2,4 GHz, et elles sont plus lentes en comparaison — entre 150 et 250 millisecondes, à l’exception des drones spécialement conçus pour les courses en vue à la première personne (FPV) et le freestyling. Ces intervalles de temps sont littéralement un clin d’œil, donc presque imperceptibles par les êtres humains.
Avec ingéniosité, le même processus prend un peu plus de temps, principalement en raison des contraintes fondamentales de l’univers telles que décrites par Albert Einstein il y a un siècle. Les ondes radio voyagent dans le vide de l’espace à la vitesse de la lumière: 186 000 miles par seconde. Bien que cela soit extrêmement rapide par rapport à votre trajet du matin, il est bien inférieur à l’instantané lorsque les distances impliquées sont à l’échelle interplanétaire. Selon la position relative des deux planètes sur leurs orbites, le délai peut être compris entre trois et 20 minutes.
De plus, par rapport à un modèle d’avion, le signal emprunte une route un peu plus détournée. Lorsque Ingenuity a de la télémétrie ou des images à partager avec ses contrôleurs sur Terre, il commence par les transmettre via une liaison radio à courte portée au rover Perseverance à proximité. Ensuite, Perseverance établit une connexion radio avec le réseau Mars Relay – une constellation de cinq satellites en orbite autour de la planète rouge, y compris Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA, Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN), Mars Odyssey et Mars Express et Trace Gas Orbiter de l’Agence Spatiale Européenne (ESA).
Contrairement aux satellites de communication autour de la Terre, ceux-ci ne sont pas situés en orbite géostationnaire, il faut donc être au-dessus de l’horizon à l’emplacement de Perseverance avant que le rover puisse commencer son téléchargement, ce qui ne se produit qu’à environ la moitié de la vitesse d’une connexion haut débit domestique. Ensuite, le long voyage vers la Terre commence.
Jusqu’à 20 minutes plus tard, le signal est capté par le Deep Space Network (DSN) de la NASA, un réseau d’observatoires radio avec des antennes paraboliques de 230 pieds placées à égale distance autour du globe pour assurer un contact continu avec Perseverance et d’autres missions spatiales. Ceux-ci se trouvent dans le désert de Mohave, à l’extérieur de Madrid, en Espagne, et près de Canberra, en Australie. De là, il est envoyé au contrôle de mission au Jet Propulsion Laboratory (JPL) à Pasadena, en Californie.
Ainsi, cette opération ne se produit clairement pas dans la ligne de visée visuelle (VLOS), comme l’exige le code de sécurité de l’Academy of Model Aeronautics. Cependant, jusqu’à présent, la FAA n’a reçu aucune plainte.
À l’intérieur du simulateur spatial du Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en Californie, un prototype Ingénieux prend son envol dans une atmosphère raréfiée pour reproduire les conditions sur Mars.
Avant l’atterrissage sur Mars, les tests environnementaux d’Ingenuity ont été réalisés par modélisation et simulations informatiques. Ensuite, le simulateur spatial du Jet Propulsion Laboratory — une chambre à vide de 80 pieds de haut et de 25 pieds de diamètre a été utilisé pour imiter l’atmosphère sur Mars. Pour voir si l’ingéniosité pouvait survivre dans certaines conditions météorologiques, les ingénieurs ont créé des souffleries et effectué des tests aux températures martiennes prévues. Ensuite, pour imiter la gravité de Mars — qui représente un tiers de celle de la Terre -, la NASA a utilisé un moulinet de pêche high-tech monté comme une poulie pour décharger la différence.
Pourtant, en raison de la taille minuscule du simulateur spatial, Ingenuity n’a pas pu se déplacer de plus de 1,6 pied. Cela posait des inconnues; par exemple, les caméras et les capteurs seraient-ils capables de suivre le sol à des vitesses plus élevées? La poussière pourrait-elle interférer avec les performances de la caméra? L’algorithme de la caméra fonctionnera-t-il sur de longues distances?
L’ingéniosité a pris 8 ans pour passer de l’esquisse du concept à une réalité entièrement conçue et opérationnelle. Cependant, après seulement 27 sols et quatre vols réussis, la NASA a pu obtenir des données en vol inestimables qui peuvent être comparées à des simulations, des modélisations et des tests terrestres. Et avec de nouvelles données montrant que les capacités d’exploitation d’Ingenuity dépassent les limites de conception d’origine, il est sûr de dire que les ingénieurs de la NASA ont construit un avion hautement performant qui devrait fournir des données d’ingénierie utiles pour les missions à venir.
Où suis-je ?
En fait, voler sur Mars serait une expérience inconnue pour un pilote d’avion modèle. En raison du retard des communications, chaque vol doit être préprogrammé par les contrôleurs sur Terre, transmis avec ingéniosité puis exécuté de manière autonome. C’est presque identique à la façon dont un pilote de drone pourrait établir une série de waypoints pour cartographier une carrière, par exemple, puis appuyer sur le bouton “lancer” et surveiller la progression de l’avion sans intervenir directement, sauf si les circonstances émergentes l’exigent. Bien sûr, lorsque votre avion est à 34 millions de kilomètres et que vous ne saurez même pas avec certitude qu’il a décollé avant d’atterrir, une intervention directe n’est pas vraiment une option.
Tout en effectuant des opérations autonomes sur Terre, les pilotes à distance professionnels et leurs avions dépendent presque entièrement de deux ressources qui sont absentes sur Mars: les satellites GPS et un champ magnétique planétaire. Pour surmonter ces problèmes, l’ingéniosité s’appuie sur des versions de systèmes utilisés à bord de drones tous les jours sur Terre, adaptées aux rigueurs et aux conditions environnementales de la planète rouge.
Le premier d’entre eux est la caméra de navigation en noir et blanc montée sur le ventre d’Ingenuity. Capturant un maigre 640 x 480 pixels 10 fois par seconde, il fonctionne de manière identique aux caméras à flux optique installées sur presque tous les drones commerciaux de nos jours: en identifiant les caractéristiques distinctives et en suivant leur changement de position au sein d’images consécutives, il est possible de déterminer la direction et la vitesse du mouvement de l’avion au—dessus du terrain – ce qui contribue considérablement à sa stabilité.
Un LIDAR Lite V3 Garmin fonctionnant comme un altimètre laser est également monté sur la face inférieure de l’Ingéniosité. Encore une fois, c’est exactement la même approche que les drones utilisent ici sur Terre, bien qu’utilisant des ultrasons au lieu d’un faisceau laser. Retournez presque tous les drones fabriqués aujourd’hui et vous trouverez ce qui ressemble à deux minuscules haut—parleurs – et c’est essentiellement ce qu’ils sont. Ceux-ci émettent une impulsion ultrasonore silencieuse, puis écoutent l’écho après qu’il frappe le sol en dessous. Divisez le temps qui prend par deux et multipliez-le par la vitesse du son, et vous obtenez une bonne estimation de l’altitude de l’avion. Horizon Hobby utilise la même technologie pour alimenter le capteur d’aide à l’atterrissage (LAS) disponible pour son célèbre entraîneur Carbon Cub S2 de 1,3 m.
Il y a aussi d’autres similitudes. Ingenuity intègre une unité de mesure inertielle (IMU) Bosch BMI-160 de qualité pour téléphone portable. Un matériel presque identique est incorporé dans de nombreux modèles réduits d’avions actuels. En utilisant des micro-systèmes électromécaniques (MEMS) pour intégrer des gyroscopes et des accéléromètres à trois axes dans une carte de circuit imprimé à semi-conducteurs, une IMU mesure deux variables critiques des performances de l’avion: quelle est la relation entre l’avion et l’horizon, telle que définie dans les axes de tangage et de roulis; et à quelle vitesse change-t-elle?
Ces données sont ensuite introduites dans le système de contrôle de vol de l’avion (FCS) — un microprocesseur Qualcomm Snapdragon 801 en cas d’Ingéniosité — = qui l’utilise pour apporter des centaines de modifications par seconde aux performances de l’avion pour maintenir la stabilité. Même si un pilote humain fournit une entrée en temps réel, ce type de boucle de rétroaction interne est utilisé pour fournir des fonctionnalités avancées telles que le système SAFE (Sensor Assisted Flight Envelope) d’Horizon Hobby, qui limite le tangage et le roulis de l’avion pour aider les nouveaux pilotes qui apprennent à voler.
Prenant un soin méticuleux pour éviter toute contamination biologique qui pourrait par inadvertance être transportée sur Mars à bord d’Ingenuity, un technicien du Jet Propulsion Laboratory inspecte l’hélicoptère avant son transfert sur Perseverance.
Confort Froid
Non seulement les batteries qui alimentent l’ingéniosité seraient familières aux pilotes d’avion modèles réduits, mais un amateur particulièrement compétent pourrait également être en mesure de les installer pour alimenter un petit avion ici sur Terre. L’hélicoptère Mars utilise six batteries lithium-ion Sony d’une capacité totale de 2 000 mAh. C’est à peu près la même chose que la batterie utilisée sur une mousse à voilure fixe typique de 1,5 mètre, offrant 12 à 15 minutes de temps de vol, selon votre agressivité avec l’accélérateur.
Encore une fois, malgré la similitude globale, il existe des différences clés entre le fonctionnement de ces systèmes d’alimentation sur Terre et sur Mars. Pour commencer, l’ingéniosité ne vole généralement que pendant 90 secondes, avec une endurance maximale d’environ deux minutes. De plus, il n’y a pas de prises murales sur Mars, l’ingéniosité doit donc s’appuyer sur un panneau solaire fixé au sommet de ses rotors pour recharger ses batteries.
Cependant, la différence la plus cruciale à cet égard est le froid glacial de la planète rouge, en particulier la nuit, lorsque les températures peuvent descendre jusqu’à 130 degrés Fahrenheit. Si vous avez déjà essayé de piloter un modèle d’avion par une journée particulièrement froide ici sur Terre, vous avez sans doute remarqué que vos batteries sont moins performantes. La raison en est que lorsque la température baisse, la résistance interne des batteries LiPo augmente.
En effet, la quantité totale d’énergie électrique stockée dans la batterie reste inchangée; cependant, une partie de cette énergie doit être dépensée simplement pour acheminer les électrons vers les systèmes de l’avion, avec l’effet pratique que moins d’énergie est disponible pour voler.
Pour les professionnels qui doivent utiliser de petits drones dans des environnements extrêmement froids, comme l’Arctique, les fabricants ont développé des systèmes pour aider à garder les batteries au chaud. Par exemple, la série DJI Mavic Enterprise utilise des batteries intelligentes programmées de sorte que lorsque leur température interne tombe entre 14 et 42, 8 degrés Fahrenheit et que la puissance restante de la batterie est supérieure à 50%, l’auto-échauffement commencera automatiquement. Une fois que la batterie est supérieure à 46,4 degrés Fahrenheit, la batterie passe en mode de rétention de chaleur et reste dans cet état pendant 20 minutes.
L’ingéniosité utilise un système similaire. Tout d’abord, il est isolé, ce qui réduit la perte de chaleur dans l’environnement. Deuxièmement, tout comme les batteries de drones intelligents ici sur Terre, l’hélicoptère Mars décharge ses batteries pendant les périodes de froid extrême pour se maintenir — et l’électronique de l’avion — au chaud.
Les hélicoptères coaxiaux, comme ce Blade mCX, sont un bon choix pour les pilotes débutants car la configuration est intrinsèquement stable et économe en énergie, ce qui en fait également un bon choix pour la première machine volante sur une autre planète. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de Horizon Hobby)
Tel un parent fier, le rover Perseverance veille sur l’Ingéniosité, seul sur la surface martienne avant son premier vol d’essai.
La Vue d’en Haut
Le but des drones volants – sur Terre, de toute façon — est généralement de positionner un capteur dans l’espace tridimensionnel: pour capturer des vidéos aériennes spectaculaires ou des photographies, pour créer une carte détaillée d’un site spécifique, ou pour rechercher un sujet perdu dans la nature à l’aide de l’imagerie thermique. Cependant, le but de l’ingéniosité rappelle une époque antérieure de l’aviation modèle: simplement démontrer que le vol télécommandé est même possible.
Pour les aéromodélistes, cela reflète la période des années 1930 où des pionniers tels que Chet Lanzo et les frères jumeaux William et Walter Good ont commencé à expérimenter la conversion de modèles de vol libre à essence en radiocommande utilisant des échappements à bande élastique. Pour ces précurseurs de la communauté qui existe aujourd’hui, l’objectif était simplement de prouver qu’ils pouvaient contrôler une machine volante à distance.
De même, se soulever simplement au-dessus de la surface martienne pendant quelques secondes précieuses est l’objectif primordial de l’Ingéniosité. Par conséquent, la charge utile la plus courante transportée sur les drones aujourd’hui — une caméra en lumière visible – est essentiellement une réflexion après coup, en grande partie sans rapport avec le succès de la mission.
Situé dans le désert de Mohave, le complexe de communications spatiales profondes de Goldstone abrite cette antenne parabolique de 230 pieds capable de transmettre et de recevoir des signaux provenant de Perseverance et d’autres missions spatiales profondes. Avec des installations similaires en Espagne et en Australie, celles-ci comprennent le Deep Space Network (DSN) de la NASA.
Avec les traces de Perseverance encore visibles en arrière-plan, Ingenuity recharges est embarquée sur des batteries lithium-ion à l’aide du panneau solaire monté au-dessus de ses pales d’hélice.
Sans l’avantage d’un cardan, la caméra couleur montée à l’avant d’Ingenuity reflète le tangage et le roulis de l’avion dans les images qu’il capture. Dans ce cas, l’hélicoptère a aperçu la persévérance, stationné à une distance de sécurité pendant les essais en vol.
Cela est clair lorsque vous comparez la caméra couleur que la NASA a envoyée sur Mars à bord d’Ingenuity avec ce que vous trouverez sur un drone grand public moyen. Tout d’abord, il est monté en dur sur l’avion, sans cardan pour stabiliser l’image. Pour cette raison, le tangage et le roulis de l’avion se reflètent dans l’angle discordant de l’horizon dans les images renvoyées par l’hélicoptère de Mars. De plus, avec une résolution de 4 208 x 3 120 pixels, les images qu’il capture sont d’environ 12 mégapixels, par rapport à l’appareil photo de 20 mégapixels intégré au DJI Air 2S récemment publié.
Ainsi, par certaines mesures, l’ingéniosité est assez primitive par rapport aux drones qui volent sur Terre tous les jours. Cependant, dans l’histoire de l’aéronautique modèle, nous pouvons voir le chemin inexorable vers l’avenir de l’aviation sur d’autres mondes que le nôtre. Cette première expérience aboutira rapidement à des plates-formes beaucoup plus robustes et capables qui étonneraient les pionniers solitaires qui ont d’abord accompli ce que peu de gens rêvaient même possible.
Le développement de RC est une histoire incroyable, et il y a ceux d’entre nous qui l’ont vécue. Pourtant, ce sont de petites histoires, connues seulement de quelques-uns. Avec l’avènement des avions sans équipage sur d’autres planètes, toute l’humanité se lance ensemble dans ce voyage extraordinaire.
À propos des auteurs
Jean-Pierre Gignac
Patrick Sherman est un pionnier de l’industrie des drones et un instructeur de la pratique au Département de vol du Campus mondial de l’Université aéronautique Embry-Riddle. Écrivain, conférencier et éducateur populaire dans l’industrie, il est le fondateur de l’équipe d’essais en vol de Roswell. Patrick est un instructeur de pilote à distance de niveau 3 du Trusted Operator Program (TOP) et un DronePro de l’équipe de sécurité de la Federal Aviation Administration (FAAST). Il a été reconnu comme Instructeur de drone de l’année par l’Association for Unmanned Vehicle Systems International (AUVSI).
Jean-Marie Le Pen
Tunesha Griffith est une spécialiste des Applications des Systèmes sans pilote à l’Université aéronautique Embry-Riddle (ERAU), vivant actuellement à Wiesbaden, en Allemagne. Auparavant, elle a travaillé dans l’industrie des technologies de l’information et du jeu vidéo dans le développement communautaire, la promotion d’événements et les initiatives de responsabilité sociale. À ERAU, Tunesha poursuit son étude des systèmes de transport autonomes, des véhicules spatiaux sans pilote et des robots intelligents. Son objectif est de travailler dans un domaine qui lui permet de combiner son amour pour aider les autres avec les progrès des systèmes sans pilote.
ERAU
Embry-Riddle Aeronautical University offre aux étudiants la possibilité de travailler avec des experts de renommée mondiale, à la fois en classe et dans des partenariats professionnels.