, surnommé , est un petit hélicoptère d'un peu moins de deux kilogrammes développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, qui est mis en œuvre à titre expérimental sur le sol de la planète Mars au cours de la mission Mars 2020, lancée le à bord d'une fusée et dont l'atterrissage a eu lieu le . L'hélicoptère est embarqué à bord du rover avant d'être déposé le sur le sol martien.
Le , pour la première fois dans l'histoire de l'ère spatiale, un engin effectue un vol motorisé dans l'atmosphère ténue d'une autre planète. L'objectif de la mission 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 par des délais de communication qui interdisent tout contrôle direct du vol par un opérateur humain.
est un hélicoptère de disposant de deux rotors contrarotatifs coaxiaux. Il tire son énergie de six batteries lithium-ion rechargées par des cellules solaires qui lui permettent de voler et de parcourir au maximum . Son système de navigation lui permet de suivre sans intervention humaine un trajet pré-programmé. Sa seule charge utile est une caméra.
prouve largement ses capacités en effectuant en tout et en parcourant un total de , pour un temps de vol total de . L'hélicoptère realise de nombreuses photos aériennes, utilisées par les pilotes de l'astromobile pour identifier les obstacles et les sites prometteurs et prouve sa robustesse en résistant à l'hiver martien. La mission s'arrête en raison de la casse d'une pale lors du le .
a ouvert de nouvelles perspectives pour l'exploration de Mars. L'architecture de la mission de retour d'échantillons martiens développée par la NASA et l'Agence spatiale européenne est ainsi modifiée pour comprendre deux hélicoptères similaires. Ceux-ci seront chargés de collecter les tubes contenant des échantillons de sol martien déposés par l'astromobile en cas de panne de celui-ci.
Contexte : l'exploration du système solaire par des aérobots vignette|ARES, projet de planeur volant dans l'atmosphère de Mars étudié dans le cadre du programme (vue d'artiste).
L'exploration du système solaire à l'aide de robots débute à la fin des années 1950. Commencée modestement, avec des engins légers uniquement capables de survoler le corps céleste visé, elle s'est rapidement sophistiquée avec la mise au point en une quinzaine d'années d'engins capables de se placer en orbite (orbiteur), puis de se poser (atterrisseur) sur la surface et enfin de se déplacer sur le sol (astromobile ou ). La capacité d'exploration de ces astromobiles est toutefois modeste, notamment du fait de leur vitesse réduite et de leur limitation à des terrains relativement plats. Très rapidement, les ingénieurs ont étudié l'envoi de robots capables de flotter, planer ou voler dans l'atmosphère : ces aérobots présentent l'avantage d'étendre la portée de l'exploration des planètes ou des lunes dotées d'une atmosphère (Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, Titan, Uranus et Neptune). Vénus, qui dispose d'une atmosphère dense, est la première destination d'un aérobot et reste la seule jusqu'en 2021 : en 1985, un ballon équipé d'instruments scientifiques est largué par la sonde spatiale soviétique Vega et étudie avec succès l'atmosphère de Vénus.. Mais la planète Mars, cible privilégiée de l'exploration spatiale, est une destination compliquée pour ce type d'engin. L'atmosphère très ténue (seulement 1 % de la pression atmosphérique présente sur Terre) n'offre qu'une portance très faible et la mise au point d'un aérobot est par conséquent beaucoup plus difficile (pour flotter dans l'atmosphère de Mars, un ballon doit être plus volumineux que son équivalent largué à d'altitude dans l'atmosphère de Vénus). Plusieurs projets martiens de planeurs ou d'avions propulsés sont étudiés et proposés à la NASA, sans qu'aucun ne soit retenu..
Développement du projet d'hélicoptère martien vignette|Un technicien sur un modèle de vol de l'hélicoptère, durant la phase de test dans une chambre à vide au JPL.
Une étude suggérant le recours à un hélicoptère autonome pour explorer Mars est publiée en 2002.. En 2014, un article décrivant le concept d'hélicoptère martien préfigurant , est publié par AeroVironment et le .. En , l'agence spatiale américaine (la NASA) décide, après une phase d'évaluation, que la mission embarquera, à titre expérimental, le petit hélicoptère de afin de tester le recours à des vols de reconnaissance optique. Cette expérimentation doit durer une trentaine de jours. Son coût, évalué à de dollars américains, n'est pas inclus dans le projet ... Cette décision est prise, malgré l'opposition du responsable scientifique de la mission Mars 2020 pour qui les tests prévus ne contribuent pas à la mission mais viennent bousculer le calendrier déjà très chargé des opérations de l'astromobile sur le sol de Mars.
L'hélicoptère, qui doit être embarqué, est l'aboutissement de développements entamés cinq ans plus tôt au (JPL) de la NASA. Début 2019, pour vérifier le comportement de l'hélicoptère dans les conditions martiennes, l'équipe qui développe l'hélicoptère effectue d'abord des tests avec un modèle d'ingénierie qui représente une approximation proche de l'hélicoptère réel. Après avoir accumulé un temps de vol supérieur à , des tests plus réalistes sont effectués avec un modèle similaire à celui qui doit être envoyé sur Mars. Celui-ci est placé dans la chambre à vide de de diamètre du JPL, dans laquelle est reproduite la composition de l'atmosphère raréfiée de Mars et sont simulées sa pression (1 % de celle de l'atmosphère terrestre) et les températures extrêmes (jusqu'à ). Pour reproduire la pesanteur de Mars (un tiers de celle de la Terre), une élingue dont la tension est adaptée en permanence soulève l'hélicoptère...
Le petit hélicoptère est baptisé (Ingéniosité) à la suite d'un appel à nommage lancé par la NASA auprès des élèves et étudiants américains.. Il est parfois surnommé Ginny. Par ailleurs a été fixé sous son panneau solaire un échantillon de matériau provenant du Wright Flyer, contenu dans un minuscule sachet en plastique.
Choix architecturaux vignette|Prototype utilisé en 2016 pour vérifier la faisabilité d'un hélicoptère volant dans l'atmosphère ténue de la planète Mars.
Contraintes du vol sur Mars et conséquences sur les caractéristiques de l'hélicoptère
Un hélicoptère martien est handicapé par la faible densité de l'atmosphère de cette planète. En effet, la puissance requise pour sustenter l'engin (W) est définie de la manière suivante :
où : est la portance du rotor (N) est la superficie du disque rotor () est la masse volumique de l'atmosphère martienne ()
En vol stabilisé, la portance est égale en module et opposée au poids de l'engin, où est sa masse et la gravité sur Mars.
La puissance requise est donc proportionnelle à la puissance 3/2 de la masse à sustenter, et inversement proportionnelle à la puissance 1/2 de la masse volumique de l'atmosphère.
La pression atmosphérique martienne est environ plus faible que la pression terrestre. Par contre, l'atmosphère martienne étant essentiellement constituée de gaz carbonique, sa masse volumique est 50 % plus élevée dans les mêmes conditions de température et de pression. En tablant sur la valeur moyenne de pression de , on peut estimer que la masse volumique atmosphérique est plus faible sur Mars que sur Terre au niveau du sol.
A contrario, la gravité martienne vaut 38 % de celle de la Terre, ce qui aide la sustentation.
Le rapport est, pour une même superficie du disque rotor, plus élevé sur Mars que sur Terre ( = 2.34).
Pour limiter la puissance nécessaire au vol sur Mars, et donc préserver une autonomie satisfaisante, une superficie du disque rotor plus élevée que celle d'un hélicoptère terrestre de masse équivalente est nécessaire.
Une difficulté supplémentaire est liée à la vitesse du son plus faible sur Mars ( contre sur terre). Ceci oblige à diminuer la vitesse de rotation du rotor dans les mêmes proportions, ce qui n'est favorable ni au bilan de masse, ni au rendement du moteur électrique s'il n'est pas équipé d'un train d'engrenages pour réduire la vitesse du rotor par rapport à celle du moteur.
Type d'aéronef
Le choix de la formule hélicoptère par opposition à celle du quadrirotor s'explique par la masse importante du rotor liée à sa grande taille pour les raisons vues plus haut. La stabilisation d'un quadrirotor est effectuée en agissant sur la vitesse de rotation des rotors mais la vitesse de modulation est fonction de la masse de ceux-ci (inertie). Dans le contexte martien, la stabilisation d'un quadrirotor devient problématique comme sur Terre à haute altitude. L'utilisation de rotors contrarotatifs coaxiaux permet de gagner en encombrement par rapport au recours à un rotor anticouple..
Contraintes de masse
Pour parvenir à faire voler l'hélicoptère dans l'atmosphère de Mars, il fallait concevoir un engin suffisamment léger, ce qui n'a été rendu possible que récemment grâce aux avancées réalisées dans le domaine des accumulateurs (liées au développement des téléphones portables), des cellules photovoltaïques (rendement), des systèmes inertiels et des ordinateurs embarqués. Ainsi, il est conçu pour que sa masse ne dépasse pas (soit un poids de sur le sol martien).
Une phase d'atterrissage délicate
La phase la plus délicate du vol de l'hélicoptère est l'atterrissage, du fait des turbulences qui peuvent déséquilibrer l'engin. La solution retenue est d'arrêter la propulsion à un mètre au-dessus du sol et de laisser l'hélicoptère atteindre le sol en chute libre. La vitesse verticale à l'atterrissage est en conséquence de plus d'. Le train d’atterrissage est conçu pour encaisser cette vitesse sur un sol qui peut présenter une pente importante..
Caractéristiques techniques Structure
Les dimensions du fuselage de l'hélicoptère sont de , soit la taille d'un ballon de basket-ball. Avec son train d'atterrissage, ses rotors et les panneaux solaires qui les coiffent, est haut de . Le volume très réduit du fuselage contient les ordinateurs, les batteries, les capteurs (caméras, altimètre) et le système de télécommunications. L'hélicoptère est construit autour d'un tube vertical, dans lequel circulent les liaisons électriques reliant le processeur aux rotors ainsi qu'au vaisseau mère (l'astromobile ) durant le transit vers Mars. Sur ce tube sont attachés de haut en bas : le système de fixation à l'astromobile, un panneau solaire, les deux rotors ainsi que les servomoteurs les mettant en mouvement, la partie centrale du train d'atterrissage et enfin le fuselage de forme cubique. Le train d'atterrissage comprend quatre pieds en composite carbone longs de fixés au corps d en faisant un angle oblique avec la verticale, qui maintiennent le corps de l'aéronef à une hauteur de au-dessus d'un terrain plat... a une masse de sur Terre comme sur Mars, mais son poids plus faible sur Mars équivaut à celui d'une masse de sur Terre, du fait de la différence de gravité entre ces deux planètes..
centre|700px|vignette|Schéma de l'hélicoptère martien. 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 souples du train d'atterrissage.
Propulsion vignette|Détails : parties centrales des rotors et des cellules solaires, antenne radio.