Aérobot

Un aérobot est un type de sonde planétaire qui, pour recueillir des données, se déplace en utilisant la portée atmosphérique de la planète explorée.

Dès 1960, quand on a commencé à travailler sur les rover lunaires destinés à l'exploration de la Lune et d'autres planètes du système solaire, ces machines ont présenté des caractéristiques qui les limitaient sensiblement. Elles étaient coûteuses, leur autonomie réduite et, en raison de la durée de transmission des ordres par radio aux distances interplanétaires, elles devaient être suffisamment intelligentes pour ne pas risquer de s'endommager.

Dans le cas des planètes ayant une atmosphère — qu'elle qu'en soit la composition — il existe une alternative : un robot volant autonome[1],[2]. La plupart des aérobots sont des aérostats, principalement des ballons, mais parfois des dirigeables. En volant au–dessus des obstacles, poussé par le vent, un ballon peut explorer en détail de vastes étendues pour un coût relativement modeste. Pour l'exploration planétaire on a aussi envisagé d'utiliser des avions.

Généralités

Le recours à un ballon pour explorer une autre planète présente de nombreux avantages pour l'exploration planétaire. Le poids d'un ballon et son coût sont faibles. Le ballon peut parcourir de grandes étendues de terrain et son altitude de vol permet d'obtenir beaucoup plus de détails qu'à partir d'un satellite. Dans le cadre de missions d'exploration, le fait de ne pas pouvoir les diriger constitue généralement une contrainte mineure.

Le recherche sur les ballons utilisés pour l'exploration planétaire a donné naissance à quelques concepts originaux.

La montgolfière infrarouge solaire est un ballon à air chaud dont l'enveloppe est faite d'un matériau qui capture la lumière du soleil ou la lumière réfléchie par la surface d'une planète. Le noir est la meilleure couleur pour absorber la chaleur, mais d'autres facteurs entrant en ligne de compte et l'enveloppe peut être de couleur différente. Les montgolfières solaires présentent plusieurs avantages pour l'exploration planétaire, elles sont plus faciles à mettre en œuvre qu'un ballon à gaz, ne nécessitent pas obligatoirement une réserve de gaz pour le gonflage et, de plus, peuvent supporter de petites fuites. En revanche elles présentent l'inconvénient de ne pouvoir être utilisées que de jour.

L'autre concept est celui d'un ballon à « fluide réversible ». Ce ballon consiste en une enveloppe reliée à un réservoir contenant un fluide facile à vaporiser. Ainsi le ballon va monter lorsque le fluide se vaporise, et descendre lorsque la gaz se recondense en fluide. Il y a plusieurs façons de réaliser ce système mais toutes relèvent du même principe.

Un ballon conçu pour l'exploration planétaire transporte une petite nacelle contenant les instruments de mesure, la source d'énergie, les systèmes de contrôle et de communication. Pour des considérations de poids, l'équipement de communication sera de faible puissance pour économiser l'énergie et une sonde spatiale orbitant en altitude servira de relais.

Une montgolfière solaire se pose la nuit et est équipée d'une corde de guidage attachée à la nacelle qui s'enroulera sur le sol et ancrera le ballon pendant la nuit. La corde doit être faite de matériau à très faible coefficient de friction pour éviter qu'elle ne se bloque au sol.
À la place du système nacelle et corde de guidage, le ballon peut emporter une sorte de « serpent » plus épais qui, à lui seul, remplace ces deux éléments. Cette configuration est intéressante pour faire des mesures de surface directes.

On peut aussi ancrer le ballon à un endroit précis pour effectuer des observations atmosphériques.

L'aspect le plus compliqué de l'usage des ballons dans l'exploration planétaire est la mise en œuvre. Généralement le ballon pénètre l'atmosphère de la planète enfermé dans une coque protégée par un bouclier thermique en forme de cône. Après son entrée dans l'atmosphère, un parachute va extraire le ballon de sa coque qui tombera plus loin. Le ballon va alors se déployer et se gonfler.

Une fois qu'il est opérationnel, l'aérobot remplira sa mission de façon très autonome recevant uniquement quelques ordres généraux de la Terre. L'aérobot doit savoir naviguer dans les trois dimensions, recueillir et mémoriser des données scientifiques, contrôler son propre vol en faisant varier son altitude et même se poser dans des endroits précis pour opérer des observations rapprochées.

Ballons du programme Véga
Le ballon de la mission Vega au Centre Steven F. Udvar-Hazy.

La première mission planétaire en ballon — et pour l'instant la seule — a été menée en 1985 par l'Institut pour la recherche spatiale de l'académie soviétique des sciences en coopération avec le Centre national d’études spatiales français (CNES). un petit ballon, très semblable en apparence aux ballons–sondes météorologiques terrestres, était embarqué dans chacune des sondes spatiales soviétiques du programme Véga envoyées en 1984.

Le premier ballon est entré dans l'atmosphère de Vénus le 11 juin 1985, suivi du second ballon le 15 juin. Le premier ballon est tombé en panne après 56 minutes, mais le second est resté opérationnel un peu moins de deux jours terrestres jusqu'à ce que ses batteries soient vides.

L'idée des ballons dans le programme Véga est de Jacques Blamont, directeur scientifique et technique du CNES et père de l'exploration planétaire en ballon. Il a défendu son projet avec énergie et réussit à lever quelques fonds internationaux

Les résultats scientifiques de la sonde Véga ont finalement été modestes, mais l'expérience a démontré le réel intérêt des ballons dans le cadre de l'exploration planétaire.

Aérobot et l'exploration de Mars

Après le succès rencontré par les ballons au cours du programme Véga en direction de Vénus, Jacques Blamont se consacre à une mission plus ambitieuse vers Mars. Le ballon sera embarqué par une sonde spatiale soviétique.

La pression atmosphérique sur Mars est environ 150 fois moindre que sur Terre. Dans une atmosphère aussi ténue, un ballon avec un volume de 5 000 à 10 000 m3 ne pourrait emporter une charge utile[3] que de 20 kg ; il faut envisager un ballon de 100 000 m3 pour enlever 200 kg.

Blamont a déjà conduit de nombreuses expériences sur les montgolfières solaires avec plus de 30 vols à son actif entre la fin des années 1970 et le début des années 1990. Les montgolfières ont volé à une altitude de 35 km où l'atmosphère est aussi froide et raréfiée que sur Mars et l'une d'entre elles a passé 69 jours en l'air en bouclant deux fois le tour de la Terre.

Les premières études de ballons pour Mars envisagent un système à « double ballon » avec un ballon étanche rempli à l'hydrogène ou à l'hélium, attaché à une montgolfière solaire. Le ballon à gaz léger est destiné à garder la montgolfière en vol durant la nuit. Au cours de la journée, la chaleur du soleil fait chauffer la montgolfière et l'ensemble du système prend de l'altitude.

Finalement les chercheurs optent pour un ballon à hélium cylindrique en film de PET aluminisé et d'un volume de 5 500 m3. Le ballon devrait prendre de l'altitude dans la chaleur de la journée, et redescendre avec la fraîcheur de la nuit.

La masse totale du ballon est de 65 kg, comprenant une nacelle de 15 kg et une corde de guidage supportant l'instrumentation de 13,5 kg. Le ballon devrait pouvoir être opérationnel pendant 10 jours. Malheureusement, malgré les études considérables qui ont été faites sur le ballon et les systèmes environnants, les Russes, à cause de difficultés financières, repoussent l'envoi de la sonde Mars 96 de 1992 à 1994, puis à 1996. Toujours pour des raisons de coût le ballon n'a finalement pas fait partie du projet et, enfin, la sonde a été perdue au moment du lancement en 1996.

Études d'aérobots par la NASA

À la même époque, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la Nasa s'intéresse beaucoup à l'idée des aérobots planétaires si bien qu'une de ses équipes, dirigée par Jim Cutts, travaille sur ce projet depuis plusieurs années et développe des expériences pour maîtriser la technologie des aérobots.

Les premières de ces expériences étaient centrées sur une série de ballons à fluide réversible dans le cadre du projet Alice (Altitude Control Experiment, expérimentation de contrôle en altitude). Le premier ballon Alice 1 a pris son vol en 1993, suivi par d'autres jusqu'à Alice 8 en 1997.

Des travaux connexes ont porté sur la caractérisation de matériaux pour l'enveloppe d'un ballon pour Vénus et sur deux vols de ballon en 1996 pour tester les instrumentations embarquées.

En 1996 JPL travaille sur une série d'expériences qualifiantes nommée PAT (Planetary Aerobot Testbed[4], banc d'essai pour aérobot planétaire) qui cherche à démontrer les capacités des aérobots planétaires à l'aide de vols dans l'atmosphère terrestre. Le banc d'essai prévoit un ballon à fluide réversible emportant une charge utile de 10 kg comportant le système de navigation, une caméra, et qui pourrait être rendu autonome par la suite. Le projet, jugé trop ambitieux, est abandonné en 1997.

JPL continue de travailler sur des expérimentations à moindre coût, très pointues, destinées à la mise au point d'un aérobot pour la planète Mars. Le programme, lancé en août 1997[5], porte le nom de « Mabvap » (Mars Aerobot Validation Program, programme de qualification d'un aérobot pour Mars) et prévoit des largages de ballons à partir de montgolfières ou d'hélicoptères pour étudier la phase très délicate du déploiement. Mabvap développe également des enveloppes de ballons en surpression avec des matériaux susceptibles de permettre des missions sur Mars de longue durée.

JPL a également fourni des ensembles de capteurs atmosphériques, ou destinés à la navigation pour les vols de ballons avec pilote Solo Spirit round-the-world. Cette action visait à la fois à soutenir les missions en ballon et à optimiser la technique des aérobots planétaires.

Projets JPL de mission pour aérobots

Pendant que ces essais et ces expérimentations avaient lieu, JPL élaborait quelques projets de mission pour aérobots à destination de Mars, Vénus, Saturne, Titan et les planètes externes.

Mars
ARES projet d'avion volant dans l'atmosphère de Mars étudié dans le cadre du programme Mars Scout (vue d'artiste)

Des expérimentations sur la technologie Mabvap de JPL sont menées en prévision d'une mission aérobot réelle (baptisée « Mabtex » pour Mars Aerobot Technology Experiment, expérimentation de la technique des aérobots pour Mars). Comme son nom l'indique Mabtex est essentiellement conçu pour tester la technologie de façon opérationnelle en prévision de missions plus ambitieuses. Il s'agit d'envisager un petit ballon à surpression emporté par une mini–sonde ne pesant guère plus de 40 kg. Le ballon lui-même ne doit pas peser plus de 10 kg et doit rester opérationnel pendant une semaine. La nacelle contiendra les systèmes de contrôle et de navigation ainsi qu'un système de prise de vue stéréoscopique, un spectromètre et un magnétomètre.

Les projets actuels envisagent une suite au Mabtex sous la forme d'un aérobot beaucoup plus sophistiqué appelé MGA (Mars Geoscience Aerobot, Aérobot pour l'étude géophysique de Mars). Les plans prévoient un ballon à surpression proche de celui de Mabtex mais beaucoup plus gros. MGA devrait transporter une charge utile dix fois plus importante que celle de Mabtex et être capable rester en l'air trois mois en accomplissant 25 révolutions autour de Mars et en parcourant 500 000 km. La charge est composée d'éléments sophistiqués comme un système imageur stéréoscopique à ultra haute résolution doté de la possibilité de former des images en oblique, un sondeur radar pour détecter la présence d'eau sous la surface et un système de spectroscopie infrarouge pour caractériser les minéraux, un magnétomètre et des instruments météorologiques ou atmosphériques. Le Mabtex, pour sa part, donnera naissance à un petit dirigeable de reconnaissance à énergie solaire nommé Masepa (Mars Solar Electric Propelled Aerobot, aérobot martien à propulsion électrique).

La mission Mars 2020 et l'aérobot Ingenuity

Les études d'aérobots plus lourds que l'air menés au JPL dans les années 2010 débouchent en 2018 sur le développement d'un projet concret. Ingenuity est un petit hélicoptère expérimental d'un peu moins de deux kilogrammes développé par le Jet Propulsion Laboratory qui doit être testé sur le sol de la planète Mars au cours de la mission Mars 2020 lancée le à bord d'une fusée Atlas V. L'engin, fixé au châssis de l'astromobile Perseverance, sera libéré une fois celui-ci arrivé sur le sol martien. Pour la première fois dans l'histoire de l'ère spatiale, un engin plus lourd que l'air effectuera un vol sur une autre planète. L'objectif est de tester les capacités d'un tel appareil dans le domaine de la reconnaissance optique du terrain dans cet environnement caractérisé par une atmosphère très ténue limitant la portance et des délais de communication qui interdisent tout contrôle direct du vol par un opérateur humain[6],

Schéma de l'hélicoptère martien Ingenuity. 1. Antenne de l'émetteur-récepteur radio bande UHF - 2. Cellules solaires fournissant l'énergie qui alimente la batterie -3. Rotors conçus pour pouvoir voler dans l'atmosphère ténue de Mars - 4. Fuselage isolé thermiquement contenant principalement les batteries, l'avionique et les processeurs - 5. Caméra couleur haute résolution permettant de réaliser des photos des sites survolés - 6. Pieds du train d'atterrissage souples.

Vénus

De la même façon, JPL a également étudié des aérobots à destination de Vénus. Le Vebtex (Venus Aerobot Technology Experiment, expérimentation de la technique des aérobots pour Vénus) était considéré comme destiné à valider la technologie de l'aérobot, mais, en réalité, s'est transformé en missions à caractère plus opérationnel. Une des missions, la Vams (Venus Aerobot Multisonde, aérobot vénusien multisonde), envisageait un aérobot pour opérer à une altitude supérieure à 50 km et qui devait larguer des sondes de surface sur différentes cibles bien précises. Le ballon servait alors de relais pour les communications depuis les sondes vers la Terre, et avait aussi à collecter des données sur le champ magnétique de la planète entre autres informations. Le Vams ne mettait pas en jeu des technologies vraiment nouvelles mais devait convenir à la politique de faible coût du programme Discovery de la Nasa.

Un travail important a été fait sur un projet plus ambitieux, le VGA (Venus Geoscience Aerobot, Aérobot pour l'étude géophysique de Vénus). Le programme VGA prévoit un ballon à fluide réversible relativement important empli d'hélium et d'eau qui pourrait descendre à la surface de Vénus pour récolter des échantillons de sol et ensuite remonter à haute altitude pour refroidir.

Pour développer un aérobot susceptible de résister à la fois aux hautes pressions et aux hautes températures (près de 480 °C) à la surface de Vénus, et aussi à la traversée de nuages d'acide sulfurique, il faut mettre en œuvre des technologies nouvelles. Dans ces conditions, VGA ne pourra être opérationnel qu'à la fin de la prochaine décennie. Un prototype d'enveloppe de ballon a été fabriqué en Zylon (polybenzoxazole) qui est un polymère qui présente une grande résistance mécanique et à la chaleur et dont la porosité est très faible pour les gaz légers. On ajoute un revêtement d'or pour permettre au ballon de résister à la traversée des nuages acides.

On a aussi travaillé sur une nacelle pour le projet VGA pesant environ 30 kg. Dans cette configuration la plupart des instruments sont enfermés dans un récipient résistant à la pression, de forme sphérique, et formé d'une coque externe en titane et d'une coque interne en acier inoxydable. La sphère contient une caméra à semiconducteurs et divers instruments ainsi que les systèmes de communication et de contrôle. Elle est prévue pour résister à des pressions jusqu'à 100 atmosphères et pour maintenir la température interne en–deçà de 30 °C, même à la surface de Vénus. La sphère est fixée à l'arrière d'une sorte de panier hexagonal formé de panneaux solaires qui eux-mêmes sont attachés au ballon situé au-dessus. La sphère est entourée d'un anneau de tuyaux qui servent aux échanges de chaleur. Une antenne de radiocommunication en bande S est installée au bord du groupement d'antennes et une antenne pour le radar destiné aux études de la surface se déploie sur un mât.

Titan
Montgolfière transportant des instruments étudiant l'atmosphère de Titan proposée dans le cadre du projet Titan Saturn System Mission.

Titan, le plus gros satellite de Saturne, est un cas intéressant pour l'exploration à l'aide d'un aérobot. Titan a une atmosphère d'azote deux fois plus dense que celle de la Terre qui contient un smog de composés organiques photochimiques qui cachent la surface de Titan à l'observation optique. Un aérobot serait capable de pénétrer cette brume pour étudier la surface du satellite et rechercher des molécules organiques complexes. La Nasa a envisagé un certain nombre de missions d'aérobot à destination de Titan sous le nom générique de Titan Biologic Explorer (exploration biologique de Titan).

Un des concepts nommé Titan Aerobot Multisite met en œuvre un ballon à fluide réversible rempli d'argon qui pourrait descendre d'une altitude élevée à la surface de Titan, faire des mesures, puis remonter à haute altitude pour faire d'autres mesures et se déplacer ensuite vers un nouveau site. Un autre concept, la mission Titan Aerobot Singlesite, utiliserait un ballon à surpression qui serait dirigé vers un seul site, lâcherait une grosse partie de son gaz, puis étudierait le site en détail.

Une variante judicieuse de ce système, le Titan Aerover combinerait aérobot et véhicule terrestre. Ce véhicule formerait un triangle sur lequel seraient fixés trois ballons, chacun d'environ 2 m de diamètre. Après avoir pénétré l'atmosphère de Titan, l'aerover volerait jusqu'à ce qu'il trouve un site intéressant à étudier, puis lâchant de l'hélium il pourrait descendre sur la surface. JPL a construit un prototype rudimentaire qui ressemble à trois ballons de plage sur une structure tubulaire.

Quelle que soit la forme que prend la mission Titan Biologic Explorer, le système nécessitera vraisemblablement un générateur thermoélectrique à radioisotope comme source d'énergie. L'énergie solaire n'est pas envisageable à cette distance du soleil et sous le smog de Titan. L'aérobot embarquera aussi un mini laboratoire de chimie pour rechercher des composés organiques complexes.

La mission Dragonfly
Dragonfly à la surface de Titan (vue d'artiste).

En décembre 2017 un aérobot est un des deux finalistes retenus pour la quatrième mission du programme New Frontiers qui regroupe des projets d'exploration du système solaire de la NASA dont le coût est plafonné à un milliard de dollars. Dragonfly est un aérogyre à 8 rotors qui effectuera de multiples vols de courte durée pour étudier la basse atmosphère et la surface de Titan. Sa masse est de plusieurs centaines de kilogrammes et l'énergie est fournie par un générateur thermoélectrique à radioisotope multi-mission (MMRTG) délivrant environ 100 watts. Il emporte quatre suites instrumentales, dont deux spectromètres de masse, plusieurs caméras et un ensemble de capteurs météorologiques. La sélection définition de la mission, qui est en concurrence avec une mission de retour d'échantillon du sol d'une comète, doit intervenir en 2019[8],[9].

Jupiter

Enfin, les aérobots pourraient être utilisés pour explorer l'atmosphère de Jupiter (planète) et certainement d'autres planètes externes gazeuses. Comme l'atmosphère de ces planètes est composée en grande partie d'hydrogène, et qu'il n'existe pas de gaz plus léger que l'hydrogène, ce genre d'aérobot devra être de type montgolfière. Étant donné que la lumière du soleil est faible à cette distance, l'aérobot prendra l'essentiel de sa chaleur dans le rayonnement de la planète qu'il survole.

Sur Jupiter un aérobot doit opérer à des altitudes où la pression de l'air est comprise entre une et dix atmosphères, en descendant parfois plus bas pour des observations plus précises. On pourrait obtenir ainsi des mesures atmosphériques, des images et des données sur les phénomènes météorologiques comme la grande tache rouge de Jupiter. Un aérobot en mission sur Jupiter doit également larguer des sondes dans l'atmosphère, relayer leurs données vers un orbiteur jusqu'à ce que les sondes soient détruites par la température et la pression.

Aéronef planétaire

On a aussi pensé à des avions à ailes traditionnelles pour l'exploration automatique de l'atmosphère de Mars[10],[11], de Vénus[12] et aussi de Jupiter[13].

Parmi les plus grandes difficultés technologiques pour voler sur Mars on peut noter[11] :

  • la compréhension et la modélisation du faible nombre de Reynolds dans le cadre de l'aérodynamique à grande vitesse subsonique ;
  • le dessin et la construction de cellules non conventionnelles et d'aérostructures ;
  • le matriçage de la dynamique du déploiement du parachute de freinage au début de la descente du véhicule ;
  • l'intégration dans le système d'un sous–système de propulsion sans air.

En raison de ses études et dessins très aboutis, un des concepts proposés, Ares[14], a été sélectionné parmi les quatre finalistes pour le programme Mars Scout en 2007, mais n'a, finalement, pas été retenu pour laisser sa place à la mission Phoenix. Au cours des études, des avions à l'échelle un demi et à l'échelle un ont été expérimentés dans les conditions de l'atmosphère de Mars[14].

Notes et références
  1. (en) Barnes D.P., Summers, P., Shaw, A., An investigation into aerobot technologies for planetary exploration (étude sur la technique des aérobots pour l'exploration planétaire), in Proc. 6th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation, ASTRA 2000. ESTEC Noordwijk, NL, pp. 3.6-5, December 2000. PDF version « Copie archivée » (version du 15 mai 2006 sur l'Internet Archive).
  2. (en) Anthony Colozza, Geoffrey A. Landis, and Valerie Lyons, Overview of Innovative Aircraft Power and Propulsion Systems and Their Applications for Planetary Exploration (vue d'ensemble sur les nouveaux systèmes de propulsion des aéronefs et leurs applications dans l'exploration planétaire), NASA TM-2003-212459 (July 2003) link to NASA TM « Copie archivée » (version du 12 mai 2008 sur l'Internet Archive)
  3. La charge utile est la masse de la matière transportée ou la matière elle-même ; à opposer à la masse de l'avion, du bateau ou du camion avec son équipage, ne servant qu'à transporter cette charge utile.
  4. « NASA Technical Reports Server (NTRS) », sur ntrs.nasa.gov (consulté le )
  5. V. Kerzhanovich, J. Cutts, A. Bachelder et J. Cameron, « Mars aerobot validation program », dans International Balloon Technology Conference, American Institute of Aeronautics and Astronautics, coll. « Balloon Systems Conferences », (DOI 10.2514/6.1999-3853, lire en ligne)
  6. (en) et al. (8-12 janvier 2018) « Mars Helicopter Technology Demonstrator » (pdf) dans 2018 AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference : 18 p..
  7. (en) NASA, Ingenuity Mars Helicopter landing press kit, NASA, , 33 p. (lire en ligne)
  8. (en) Ralph D. Lorenz, Elizabeth P. Turtle, Jason W. Barnes, Melissa G. Trainer et al., « Dragonfly: A Rotorcraft Lander Concept for Scientific Exploration at Titan », Johns Hopkins APL Technical Digest,‎ , p. 1-14 (lire en ligne)
  9. (en) « NASA Invests in Concept Development for Missions to Comet, Saturn Moon Titan », NASA,
  10. (en) Voir « Vue d'ensemble de l'avion pour Mars Altaïr VI en 1978 »(Archive • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) par David Portree
  11. (en) NASA L'avion pour Mars « AME » concept, 1996
  12. (en) Geoffrey A. Landis, Anthony Colozza, et Christopher M. LaMarre, Atmospheric Flight on Venus, AIAA 40e rassemblement pour les sciences aérospaciales, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reno, Nevada, January 14-17, 2002.
  13. (en) George Maise,Exploration of Jovian Atmosphere Using Nuclear Ramjet Flyer, présenté à la 4e NIAC. Rassemblement annuel NIAC report
  14. (en) Ares Mars Airplane website « Copie archivée » (version du 25 mars 2010 sur l'Internet Archive)

Bibliographie
  • (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press, (ISBN 978-0-521-12958-9)
  • (en) Withrow-Maser Shannah, Koning, Witold, Kuang, Winnie, Johnson, Wayne R et al., « Recent Efforts Enabling Martian Rotorcraft Missions », x,‎ , p. 1-10 (lire en ligne)
    Etude de faisabilité d'un hélicoptère martien de deuxième génération (1er génération Ingenuity)

Voir aussi
  • Ingenuity Aérobot expérimental de type hélicoptère faisant partie de la mission Mars 2020.
  • Venus Entry Probe Aérobot de type ballon.
  • Dragonfly Aérobot de type drone qui doit explorer la lune Titan


Liens externes
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