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Le défi Rover : Mars Rover Evolution 1970-2020

Le défi Rover : Mars Rover Evolution 1970-2020

Merci à Leon Yao et Lisa Doetsch, ainsi qu'à l'équipe UCL Rover pour cet excellent article invité. Leon & Lisa sont des chefs d'équipe sur le projet et ont aimablement partagé leurs connaissances sur l'histoire de ces incroyables prouesses de l'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 de l'URC 2020 a été annulée en raison de la COVID-19, si l'ERC avance, l'équipe UCL Rover espère être là !

Les

rovers extraterrestres sont l'un des aspects les plus fascinants de l'exploration spatiale. Les rovers (également appelés buggies lunaires) sont des véhicules d'exploration de surface planétaires conçus pour survivre et explorer la surface d'un autre corps céleste. Ces dispositifs sont particulièrement intéressants du point de vue des ingénieurs, car ils illustrent les défis et les succès d'ingénierie 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. Les connaissances sur les rovers du passé nous ont donné un aperçu incroyable de la conception et de l'ingénierie des rovers. Dans cet article, nous explorons comment les rovers sans pilote ont évolué au cours des 50 dernières années ; nous examinons également les perspectives futures de l'exploration des rovers et les possibilités infinies qui restent à venir.

Le voyage de 1970 à 2020

Au cours des 50 dernières années, il y a eu de nombreuses missions d'exploration de l'espace extra-atmosphérique, le voyage des scientifiques et des ingénieurs a été long pour surmonter les obstacles les uns après les autres. Aujourd'hui, il y a eu 8 rovers sans pilote qui ont atterri sur la Lune ou Mars, et nous nous attendons à de plus en plus de missions dans les années à venir. Dans la section ci-dessous, nous discuterons brièvement d'une mission lunaire et de trois missions 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 que les États-Unis eurent envoyé les premiers hommes sur la Lune (mission Apollo 11), l'Union soviétique a été le premier pays à avoir envoyé un rover sans pilote pour explorer la surface de la Lune. Le but de la mission était d'obtenir des images de 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, nommé 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 été débarqué avec succès sur la lune trois ans plus tard.

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Faits saillants : Lunokhod 1

Date d'atterrissage : 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 ont été des appareils d'ingénierie extrêmement performants. Lunokhod 1, exploité pendant 10 mois, a parcouru une distance totale de plus de 10 km. À titre de comparaison, au cours des six premières années d'exploitation d'Opportunity, il 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 radio-isotope au polonium 210. Lunokhod 1 a été contrôlé à distance par des opérateurs sur Terre, avec un retard de communication de 5 secondes, une tâche extrêmement difficile avec des risques élevés. Lunokhods a également transporté 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 retourné plus de 500 images panoramiques et 20 000 images télévisées, effectué 500 sondes de surface et 25 examens radiologiques. Lunokhod 1 a finalement échoué lorsque ses isotopes ont cédé, et Lunokhod 2 a échoué en raison de la surchauffe.

1996 : Sojourner

Sojourner-credit-NASA

La dimension du 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 les nombreuses caractéristiques restent encore visibles dans les rovers aujourd'hui.

Faits saillants : 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 à bogie basculant, un mécanisme qui rovers aujourd'hui encore inhérent. Il offre une grande stabilité et une grande capacité de franchissement d'obstacles pour le rover et est l'un des composants de conception les plus cruciaux qui permettent au rover de naviguer sur la surface martienne inégale. Le rover était alimenté par des panneaux solaires pendant la journée et une batterie au lithium non rechargeable pour maintenir le rover chauffé 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 maintenir la vie microbienne, s'il en existait une.

Spirit-Opportunity-Rover-credit-NASA

Faits saillants : opportunité

Date du 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 connu une amélioration significative depuis Sojourner. Il y a deux caméras panoramiques qui ont pris des photos panoramiques 3D détaillées et multi-longueurs 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 le forage dans les roches et les surfaces.

Grâce aux récents développements de l'architecture des micropuces, Spirit et Opportunity disposaient de 1000 fois plus de mémoire embarquée que Sojourner, ce qui a permis aux rovers d'obtenir une mobilité planétaire autonome, l'image de la caméra stéréo est cartographiée sur un terrain 3D, et par la suite les rovers décident le plus sûr et le chemin le plus efficace lui-même. Le système de suspension est adapté et amélioré par rapport au système de bogie à bascule de Sojourner.

L'un des défis d'ingénierie auxquels Spirit et Opportunity étaient encore confrontés était la source de puissance. Les rovers étaient toujours alimentés par des panneaux solaires, mais les améliorations de la technologie des batteries menées par la révolution mobile au début du XXIe siècle signifiaient que les batteries au lithium rechargeables fournissaient désormais une source d'énergie qui pouvait être facilement réapprovisionnée. Cela signifie 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 est le seul rover actuellement en service, et son but est d'étudier si les conditions ont été favorables à la vie microbienne et à la préservation d'indices dans les roches sur la vie passée possible. Par rapport à ses prédécesseurs, Curiosity a été une autre amélioration significative dans presque tous les aspects du rover.

Curiosity-Rover-Credit-NASA

Faits saillants : 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 du matériel pour recueillir et traiter des échantillons de roches et de sol et est capable de les distribuer aux chambres d'essai embarqués.

Le défi technique concernant la puissance a également été relevé par Curiosity. Il repose sur un système d'énergie radio-isotopique qui génère 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 avec 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 courbés en titane pour le soutien.

Les roues de Curiosity ont été endommagées par des roches sculptées par le vent, et il y avait eu un problème avec la mémoire flash de l'ordinateur actif. Néanmoins, il fonctionne toujours dans un état sain au moment de la rédaction de cet article, et nous nous attendons à ce qu'il continue de l'explorer dans les années à venir.

Résumé : Évolution des Rovers Mars

En observant l'évolution des rovers lunaires et martiens au cours des 50 dernières années, nous avons acquis des informations précieuses sur la façon dont les ingénieurs ont surmonté les défis d'ingénierie. Il y avait eu des améliorations persistantes sur le matériel et les logiciels des rovers, et presque souvent les performances ont augmenté d'un ordre de grandeur.

Deux ingénieurs de vaisseaux spatiaux rejoignent un groupe de véhicules fournissant une comparaison de trois générations de rovers Mars développés au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, à Pasadena, en Californie. Le cadre est la zone de test Mars Yard du JPL.

L'une des seules conceptions mécaniques qui ont persisté dans toutes les générations de rovers martiens est le système de suspension du bogie à bascule, qui s'est avéré 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 mars.

D'autre part, la charge utile scientifique de chaque génération de rover ne cesse de s'améliorer, tant en qualité qu'en 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 avec le temps, grâce à la technologie améliorée des fusées capables de supporter plus de charge. Enfin, 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.

Rovers du futur

L'année prochaine, deux rovers passionnants sont prévus pour Mars : le rover Mars 2020 de la NASA et le rover ExoMars de l'ESA, Rosalind Franklin. Les deux missions franchir la prochaine étape de la question clé de l'exploration de Mars en recherchant des signes de vie microbienne passée elle-même.

Le rover Mars 2020 dispose d'un exercice qui permettra de recueillir des échantillons de sites prometteurs et de les mettre de côté dans une cache pour une future mission de retour sur Terre. Le rover recueillera également des connaissances et des technologies de test pertinentes pour les futures expéditions humaines, y compris 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 de l'aluminium plus avancé, une nouvelle doublure menaçante pour une montée plus raide et une forme qui permet un diamètre plus grand et maximise les performances. Un autre ajout intéressant est le Mars Helicopter Scout, un drone qui testera la possibilité de voler sur Mars et pourrait être utilisé pour tracer des itinéraires ou étudier des zones difficiles d'accès telles que des cratères

.

Le rover ExoMars est beaucoup plus petit, n'ayant qu'une masse de 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 les signatures morphologiques ou chimiques de vie. Contrairement au rover de la NASA et à Curiosity, le rover utilise des panneaux solaires pour générer l'énergie nécessaire et survit aux nuits grâce à de nouvelles batteries. Une caractéristique inhabituelle est la possibilité de faire pivoter individuellement les roues et d'ajuster la hauteur et l'angle du Rover par rapport à la surface, créant ainsi une capacité de marche utile dans les sols mous et non cohésifs.

Dans le même temps, les missions sur la Lune sont de plus en plus fréquentes. Par exemple, la Chine, qui vient de battre un record avec Yutu-2 comme rover le plus long sur la lune, se prépare à sa prochaine mission lunaire pour le retour d'échantillons. De nombreuses autres agences planifient des missions, notamment Roscosmos, en Corée du Nord, et diverses entreprises privées telles que la technologie astrobotique et les scientifiques en TP.

Mise à jour de mars 2020 : Le Rover Mars 2020 sera nommé « Persévérence »

Collaboration et commercialisation

Aujourd'hui, la façon dont les missions spatiales sont développées évolue. Dans le passé, l'exploration spatiale a souvent donné lieu à une rivalité entre les pays ; les missions spatiales réussies ont prouvé la puissance technologique d'un pays. Cette rivalité a amené les programmes spatiaux à recevoir un financement important de la part du gouvernement. De nos jours, il y a de plus en plus de missions qui sont le fruit d'une collaboration internationale. Le rover Rosalind Franklin est un effort conjoint de l'ESA et de l'agence spatiale russe Roscosmos ; la Chine et la Russie s'associent pour explorer la lune ; et bien sûr, il y a aussi la station spatiale internationale.

De plus, ce ne sont plus seulement les gouvernements qui sont impliqués dans 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 le secteur. Cela permettra d'accélérer la production de produits plus petits, moins chers et plus efficaces en favorisant la concurrence contractuelle entre les entreprises. Néanmoins, il convient 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 supporter. Ils sont souvent pertinents sur le plan scientifique, mais ils n'ont pas le retour direct de l'investissement nécessaire pour être commercialisés.

Ce n'est qu'un début...

L'exploration extraterrestre continuera d'être l'un des événements les plus excitants auxquels nous nous réjouissons dans les années à venir. Cet article donne 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 fait qu'effleurer la surface de tous les projets et missions qui ont eu lieu dans le passé et qui vont se produire dans le futur. Pourtant, c'est précisément ce qui rend le sujet si intéressant : l'exploration extraterrestre est la tentative de l'humanité de comprendre l'inconnu, et nous avons encore un long voyage à parcourir.

Un dernier merci à Lisa & Leon de l'équipe UCL Rover 2020 pour leur contribution à cet article. Jetez un coup d'œil à ce qu'ils font ici : UCL Rover Website

Œuvres citées et lectures complémentaires

Exploration.ESA.int. (2019). ESA - Exploration robotique de Mars - Mission ExoMars (2020).

Mars.NASA.gov. (2019). Vue d'ensemble - Mars de la NASA.

Exploration du système solaire de la NASA. (2018). En profondeur | Lunokhod 01 — Exploration du système solaire de la NASA.

Exploration du système solaire de la NASA. (2019). En profondeur | Opportunité — Exploration du système solaire de la NASA.

NASA. (2012). Trois générations de Rovers Mars avec des ingénieurs.

NASA.gov. (2020). NASA - Rovers lunaires de l'Union soviétique.

Programme d'exploration de Mars de la NASA. (2017). Body | Rover — Programme d'exploration de Mars de la NASA.

News.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 de catalogue pour PIA01122.

Pyle, R. (2020). Route difficile à venir : Le terrain rocheux de Mars défie Curiosity Rover.