Le défi Rover : l'évolution de Mars Rover 1970-2020
Le défi Rover : l'évolution de Mars Rover 1970-2020
Merci à Leon Yao et Lisa Doetsch, ainsi qu'à l'équipe UCL Rover pour cet excellent article invité. Leon et Lisa sont les chefs d'équipe du projet et ont aimablement partagé leurs connaissances sur l'histoire de ces incroyables prouesses d'ingénierie !
Accu sponsorise l'équipe Mars Rover de l'UCL depuis 2018. Les équipes de l'UCL ont participé à l'European Rover Challenge (ERC) en 2018 et 2019 et prévoient de participer à l'University Rover Challenge (URC) en 2020. (La mise à jour URC 2020 a été annulée en raison de la COVID-19. Si l'ERC est lancé, l'équipe UCL Rover espère y être !
Les rovers extraterrestres constituent l'un des aspects les plus fascinants de l'exploration spatiale. Les rovers (également appelés poussettes lunaires) sont des véhicules d'exploration de la surface planétaire conçus pour survivre et explorer la surface d'un autre corps céleste. Ces appareils sont particulièrement intéressants du point de vue de l'ingénieur, car ils illustrent les défis et les succès techniques de chaque décennie.
En tant que membre de l'équipe Mars Rover de l'UCL (University College London), nous avons étudié l'évolution des rovers extraterrestres entre 1970 et 2020. En découvrant les rovers du passé, nous avons obtenu des informations incroyables sur la conception et l'ingénierie des rovers. Dans cet article, nous explorons l'évolution des rovers sans pilote au cours des 50 dernières années ; nous jetons également un coup d'œil aux perspectives d'avenir de l'exploration des rovers et aux possibilités infinies qui restent à venir.
Le voyage de 1970 à 2020
Au cours des 50 dernières années, de nombreuses missions ont été menées pour explorer l'espace extra-atmosphérique. Les scientifiques et les ingénieurs ont dû parcourir un long chemin pour surmonter les obstacles les uns après les autres. Aujourd'hui, 8 rovers sans pilote ont atterri avec succès sur la Lune ou sur Mars, et nous nous attendons à de plus en plus de missions dans les années à venir. Dans la section ci-dessous, nous aborderons brièvement une mission lunaire et trois missions sur Mars du passé et verrons comment la technologie des rovers a évolué au fil du temps.
Années 1970 : Lunokhod
Tout a commencé en 1970. Après l'envoi des premiers hommes sur la lune par les États-Unis (mission Apollo 11), l'Union soviétique a été le premier pays à envoyer un rover sans pilote pour explorer la surface de la lune. L'objectif de la mission était d'imager la surface lunaire, d'examiner les niveaux de lumière ambiante, de mesurer les champs magnétiques locaux et de réaliser des expériences de télémétrie laser depuis la Terre. Le rover, baptisé Lunokhod 1 (« Moonwalker » en russe), a été le premier rover sans pilote à avoir atterri avec succès sur un corps extraterrestre. Son successeur, Lunokhod 2, a également atterri avec succès sur la lune trois ans plus tard.
Faits en bref : Lunokhod 1
Date de débarquement : novembre 1970 Durée de
l'opération : 10 mois
Distance parcourue : 10,5 km
Poids : 756 kg
Taille : 2,3 m de long, 1,5 m de haut
Rétrospectivement, les rovers Lunokhod étaient des appareils d'ingénierie extrêmement performants. Lunokhod 1, exploité pendant 10 mois, a parcouru une distance totale supérieure à 10 km. À titre de comparaison, au cours des six premières années d'exploitation d'Opportunity, celui-ci n'a parcouru qu'environ 12 km.
Les rovers Lunokhod étaient alimentés par l'énergie solaire pendant la journée et dépendaient de l'énergie thermique d'un radiateur à radio-isotopes au polonium-210. Lunokhod 1 était contrôlé à distance par des opérateurs sur Terre, avec un délai de communication de 5 secondes, une tâche extrêmement difficile et risquée. Les Lunokhods transportaient également divers équipements scientifiques tels qu'un pénétromètre (pour mesurer la densité du sol), un spectromètre à rayons X, un télescope à rayons X et un détecteur de rayons cosmiques.
Les rovers Lunokhod ont renvoyé plus de 500 images panoramiques et 20 000 images télévisées, ont effectué 500 sondes de surface et 25 examens radiologiques. Le Lunokhod 1 a fini par échouer en raison de la perte de ses isotopes, et le Lunokhod 2 a échoué à cause d'une surchauffe.
1996 : Sojourner
La taille de Sojourner n'était que d'environ 48 cm de large sur 30 cm de haut et pesait 10,6 kg. La NASA le décrit comme un « micro rover ». En fait, Sojourner est le plus petit rover envoyé sur Mars. Malgré sa petite taille, Sojourner a joué un rôle irremplaçable dans l'exploration de Mars. Il a été le pionnier des rovers martiens dont de nombreuses caractéristiques sont encore visibles sur les rovers aujourd'hui.
Faits en bref : Sojourner
Date de débarquement : juillet 1997 Durée de
l'opération : 83 jours
Distance parcourue : 100 m
Poids : 11,5 kg
Taille : 66 cm de long, 30 cm de haut
L'une des caractéristiques les plus remarquables de Sojourner était le mécanisme de suspension du bogie à bascule, un mécanisme qui est encore inhérent aux rovers aujourd'hui. Il offre une grande stabilité et une capacité de franchissement d'obstacles au rover et constitue l'un des éléments de conception les plus cruciaux qui permettent au rover de naviguer sur la surface irrégulière de Mars. Le rover était alimenté par des panneaux solaires pendant la journée et par une batterie au lithium non rechargeable pour le garder au chaud pendant la nuit, ce qui signifiait que le rover avait une durée de vie limitée.
2004 : Esprit et opportunité
Spirit et Opportunity étaient des rovers jumeaux qui ont atterri sur Mars les 3 et 24 janvier respectivement. Ensemble, ils ont découvert qu'il y a longtemps, Mars était plus humide et que les conditions sur Mars auraient pu soutenir la vie microbienne, s'il y en avait eu une.
Faits en bref : Opportunité
Date de débarquement : janvier 2004 Durée de
l'opération : 15 ans
Distance parcourue : 45 km
Poids : 185 kg
Taille : 2,3 m de long, 1,5 m de haut
La charge utile scientifique du Spirit and Opportunity avait été considérablement améliorée depuis Sojourner. Il existe deux caméras panoramiques qui ont pris des photos panoramiques 3D détaillées et multilongueurs d'onde du paysage ; un imageur microscopique qui a pris des images haute résolution des roches et des sols ; et des outils d'abrasion des roches pour forer les roches et les surfaces.
Grâce aux récents développements de l'architecture des micropuces, Spirit et Opportunity disposaient de 1 000 fois plus de mémoire embarquée que Sojourner, ce qui a permis aux rovers d'acquérir une mobilité planétaire autonome, l'image de la caméra stéréo est cartographiée sur un terrain en 3D, puis les rovers décident eux-mêmes de la trajectoire la plus sûre et la plus efficace. Le système de suspension est adapté et amélioré par rapport au système rocker-bogie de Sojourner.
L'un des défis techniques auxquels Spirit and Opportunity était toujours confrontée était la source d'énergie. Les rovers étaient toujours alimentés par des panneaux solaires, mais les améliorations apportées à la technologie des batteries grâce à la révolution mobile du début du 21e siècle signifiaient que les batteries au lithium rechargeables fournissaient désormais une source d'énergie qui pouvait être facilement réapprovisionnée. Cela signifiait que les rovers n'ont pu explorer que les régions équatoriales où il était régulièrement possible de se recharger pendant la journée.
2012 : Curiosité
Curiosity est le dernier rover envoyé sur Mars et le seul rover actuellement en activité. Son objectif est de déterminer si les conditions ont été favorables à la vie microbienne et à la préservation d'indices dans les roches concernant une éventuelle vie passée. Par rapport à ses prédécesseurs, Curiosity constituait une autre amélioration significative dans presque tous les aspects du rover.
Faits en bref : Curiosité
Date de débarquement : août 2012 Durée de
l'opération : 15 ans
Distance parcourue : 21,2 km (en janvier 2020)
Poids : 899 kg
Taille : 2,9 m de long, 2,2 m de haut
L'un des changements les plus remarquables par rapport aux rovers précédents est que Curiosity est environ 5 fois plus lourd et contient une charge utile plus de 10 fois plus lourde. Il contient des équipements permettant de recueillir et de traiter des échantillons de roches et de sol et est capable de les distribuer aux chambres d'essai embarquées.
Le défi technique en matière d'alimentation a également été surmonté par Curiosity. Il repose sur un système d'alimentation à radio-isotopes qui produit de l'électricité à partir de la chaleur de la désintégration radioactive du plutonium.
Le système rocker-bogie est toujours adopté avec six roues, chacune dotée de son propre moteur indépendant. Les deux roues avant et arrière sont équipées de moteurs de direction individuels et, si nécessaire, le rover peut tourner à 360 degrés sur place. Les roues sont en aluminium, avec des crampons pour la traction et des ressorts incurvés en titane pour le soutien.
Les roues de Curiosity auraient été endommagées par des roches sculptées par le vent et un problème est survenu avec la mémoire flash de l'ordinateur actif. Néanmoins, il fonctionnait toujours en bon état au moment de la rédaction de cet article, et nous nous attendons à ce qu'il continue à explorer dans les années à venir.
Résumé : Évolution des rovers martiens
En observant l'évolution de Mars et des rovers lunaires au cours des 50 dernières années, nous avons acquis de précieuses informations sur la manière dont les ingénieurs ont surmonté les défis techniques. Des améliorations constantes ont été apportées au matériel et aux logiciels des rovers et ont presque souvent augmenté les performances d'un ordre de grandeur.
Deux ingénieurs en engins spatiaux rejoignent un groupe de véhicules fournissant une comparaison de trois générations de rovers martiens développés au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie. Le décor est la zone d'essai Mars Yard du JPL.
L'une des seules conceptions mécaniques qui ont persisté sur toutes les générations de rovers martiens est le système de suspension à bogie à bascule, qui s'est révélé être l'un des mécanismes les plus fiables pour les rovers opérant sur Mars. De même, l'utilisation de l'aluminium comme matériau de roue a également persisté au fil des générations de rovers martiens.
D'autre part, la charge utile scientifique de chaque génération de rover ne cesse de s'améliorer, tant en termes de qualité que de quantité. Bien que la catégorie d'équipements reste similaire, leur qualité et leurs performances s'améliorent considérablement pour chaque génération de rover. En outre, la taille et le poids des rovers augmentent également au fil du temps, grâce à l'amélioration de la technologie des fusées capable de transporter plus de charge. Enfin, au fur et à mesure que les scientifiques et les ingénieurs en apprennent davantage sur Mars à chaque mission, les connaissances et l'expérience continuent de nous aider à construire des rovers plus fiables et plus adaptables à l'environnement martien.
Futur rovers
L'année prochaine, deux rovers passionnants devraient être lancés vers Mars : le rover Mars 2020 de la NASA et le rover ExoMars de l'ESA, Rosalind Franklin. Les deux missions franchissent une nouvelle étape dans la question clé de l'exploration de Mars en recherchant des signes de la vie microbienne passée elle-même.
Le rover Mars 2020 dispose d'une foreuse qui collectera des échantillons de sites prometteurs et les mettra de côté dans une cache en vue d'une éventuelle mission de retour sur Terre. Le rover recueillera également des connaissances et testera des technologies pertinentes pour les futures expéditions humaines, notamment une méthode de production d'oxygène à partir de l'atmosphère de la planète et des techniques d'atterrissage. Le design du rover est basé sur Curiosity et utilise une grande partie de ses pièces de rechange. Les améliorations incluent le nouveau design des roues avec un aluminium plus avancé, une nouvelle doublure résistante pour les montées plus raides et une forme qui permet un diamètre plus grand, maximisant ainsi les performances. Un autre ajout intéressant est le Mars Helicopter Scout, un drone qui testera la possibilité de voler sur Mars et qui pourrait être utilisé pour cartographier des itinéraires ou étudier des zones difficiles d'accès telles que des cratères
Le rover ExoMars est beaucoup plus petit et ne pèse que 300 kg, soit un tiers de celle de Curiosity. Tout comme le rover de la NASA, Rosalind Franklin dispose d'un foret souterrain pour l'échantillonnage, jusqu'à un maximum de deux mètres. Les échantillons seront analysés directement par des instruments scientifiques, appelés charge utile Pasteur, afin de détecter des signatures de vie morphologiques ou chimiques. Contrairement au rover de la NASA et à Curiosity, le rover utilise des panneaux solaires pour générer l'énergie requise et survit à la nuit grâce à de nouvelles batteries. Une caractéristique inhabituelle est la possibilité de faire pivoter les roues individuellement et d'ajuster la hauteur et l'angle du Rover par rapport à la surface, ce qui permet également de marcher, ce qui est utile dans les sols meubles et non cohésifs.
Dans le même temps, les missions sur la lune sont de plus en plus courantes. Par exemple, la Chine, qui vient de battre un record avec Yutu-2 en tant que rover le plus ancien en activité sur la Lune, prépare sa prochaine mission lunaire pour le retour d'échantillons. De nombreuses autres agences planifient des missions, notamment Roscosmos, la Corée du Nord et diverses entreprises privées telles que Astrobotic Technology et PTScientists.
Mise à jour de mars 2020 : le rover Mars 2020 s'appellera « Perseverence »
Collaboration et commercialisation
Aujourd'hui, la façon dont les missions spatiales sont développées est en train de changer. Dans le passé, l'exploration spatiale a souvent donné lieu à des rivalités entre les pays ; les missions spatiales réussies étaient la preuve de la puissance technologique d'un pays. Cette rivalité a permis aux programmes spatiaux de bénéficier d'un financement important de la part du gouvernement. De nos jours, de plus en plus de missions sont le résultat d'une collaboration internationale. Le rover Rosalind Franklin est le fruit d'un effort conjoint de l'ESA et de l'agence spatiale russe Roscosmos ; la Chine et la Russie font équipe pour explorer la lune ; et bien sûr, il y a aussi la station spatiale internationale.
De plus, les gouvernements ne sont plus les seuls à participer à la course à l'espace. Depuis la législation sur les voyages spatiaux privatisés, des entreprises telles que SpaceX, Virgin Galactic et Astrobotic Technology sont entrées dans l'industrie. Cela accélérera la production de produits plus petits, moins chers et plus efficaces en permettant la concurrence contractuelle entre les entreprises. Il convient néanmoins de noter que les agences spatiales nationales continueront de montrer la voie en matière de technologies et de missions que le marché ne peut pas soutenir. Ils sont souvent pertinents sur le plan scientifique mais ne présentent pas le retour direct sur investissement nécessaire pour être commercialisés.
Ce n'est que le début...
L'exploration extraterrestre continuera d'être l'un des événements les plus passionnants à attendre dans les années à venir. Cet article a donné un bref aperçu de l'évolution des rovers, des futurs rovers, et de leur impact sur le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui. Nous n'avons qu'un aperçu de tous les projets et missions qui ont eu lieu dans le passé et qui se dérouleront à l'avenir. C'est pourtant exactement ce qui rend le sujet si intéressant : l'exploration extraterrestre est la tentative de l'humanité de comprendre l'inconnu, et il nous reste encore un long chemin à parcourir.
Un dernier merci à Lisa et Leon de l'équipe UCL Rover 2020 pour leur contribution à cet article.
Ouvrages cités et lectures complémentaires
Exploration.ESA.Int. (2019). ESA - Exploration robotique de Mars - Mission ExoMars (2020).
Mars, NASA.gov. (2019). Aperçu - NASA Mars.
NASA. (2012). Trois générations de rovers martiens avec des ingénieurs.
Administration de la NASA (2020). NASA - Rovers lunaires de l'Union soviétique.
Actualités.cgtn.com. (2019). La Chine lancera la sonde lunaire Chang'e-5 en 2020.
Pasadena, I. (2019). La NASA développe un vaisseau spatial MHS pour survoler Mars.
Photojournal.jpl.NASA.gov. (1997). Page du catalogue pour PIA01122.
Pyle, R. (2020). Un chemin difficile nous attend : Rocky Mars Terrain met Curiosity Rover au défi.