Aérobot

Un aérobot est un engin spatial mis en œuvre pour explorer les planètes et les lunes du système solaire, qui se déplace grâce à la portance produite par leur atmosphère. Sa mise en œuvre pour l'exploration d'une planètes ou d'un satellite naturel nécessite que celle-ci soit pourvue d'une atmosphère suffisamment dense, ce qui exclut notamment la Lune et Mercure. Ce peut être un ballon ou un aérodyne à voilure fixe (avion ou planeur) ou à voilure tournante (hélicoptère comportant un ou plusieurs rotors).

Trois destinations sont privilégiées pour les aérobots : Vénus (aérobot de type ballon), Mars et Titan. Plusieurs caractéristiques de ces corps célestes, telles que la densité de l'atmosphère, la gravité, l'intensité du flux solaire et la température, jouent un rôle important dans l'architecture et les capacités d'un aérobot.

Au début de l'ère spatiale, l'exploration du système solaire est effectuée par des orbiteurs, engins spatiaux qui survolent les planètes ou se placent en orbite autour de celles-ci. Pour les études de ces corps, les agences spatiales développent par la suite des engins se posant sur le sol de la planète, fixes (atterrisseur) ou mobiles (astromobiles). La mobilité de ces derniers est toutefois restreinte par les accidents de terrain. Un aérobot présente l'avantage de pouvoir se déplacer beaucoup plus rapidement et étudier de vastes étendues tout en ayant la capacité d'effectuer des observations à faible distance ou in situ.

Les premiers aérobots sont les ballons lâchés dans l'atmosphère de Vénus en 1985 par les deux missions soviétiques du programme Vega. Poussés par le vent sans toutefois contrôler leur déplacement, les instruments embarqués collectent des informations sur la composition et la dynamique de l'atmosphère de cette planète. Au cours des décennies suivantes, plusieurs projets d'aérobot sont étudiés, mais aucun ne débouche sur un développement. À la fin de la décennie 2010, les progrès effectués dans la production et le stockage d'énergie ainsi que dans le domaine de la robotique permettent de concevoir des engins suffisamment légers et autonomes pour se déplacer sans être directement contrôlés par un opérateur humain. L'agence spatiale américaine, la NASA, lance le développement de plusieurs missions incluant ou reposant sur un aérobot. Le premier engin de ce type est l'hélicoptère , prototype dépourvu d'instruments, envoyé à la surface de Mars dans le cadre de la mission Mars 2020 pour valider le concept dans l'atmosphère particulièrement ténue de cette planète. La mission , qui doit étudier Titan, satellite de Saturne, à compter de 2034, est entièrement prise en charge par un aérobot lourd. Enfin, la mission de retour d'échantillons martiens de la NASA et de l'Agence spatiale européenne doit embarquer deux hélicoptères qui auront pour mission de récupérer les tubes d'échantillons de sol martien en cas de défaillance de l'astromobile .

Généralités

Types d'aérobots

Un aérobot est une catégorie d'engin spatial qui utilise pour se déplacer la portance produite par l' atmosphère de la planète ou du satellite naturel qu'il étudie. Ce peut être un ballon ou un aérodyne à voilure fixe (planeur ou avion) ou à voilure tournante (hélicoptère comportant un ou plusieurs rotors).

Ballons

Le recours à un ballon pour explorer une autre planète présente de nombreux avantages. 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. 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. 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 font que 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 peuvent supporter de petites fuites. En revanche, elles présentent l'inconvénient de ne pouvoir être utilisées que de jour. 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'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 monte lorsque le fluide se vaporise et descendre lorsque le gaz se recondense en liquide. Il y a plusieurs façons de réaliser ce système, qui toutes relèvent de ce principe.

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.

Aérobots propulsés

Aérodynes à voilure fixe (avion ou planeur)

Le recours à un aérodyne à voilure fixe (avion) a été étudié pour l'exploration de l'atmosphère de Mars David Portree, . L'avion pour Mars « AME », concept, NASA, 1996., de Vénus Geoffrey A. Landis, Anthony Colozza, et Christopher M. LaMarre, Atmospheric Flight on Venus, AIAA pour les sciences aérospaciales, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reno, Nevada, 14-17 janvier 2002. et de Jupiter George Maise, Exploration of Jovian Atmosphere Using Nuclear Ramjet Flyer, présenté à la NIAC. Rassemblement annuel NIAC report..

Aérodynes à voilure tournante (hélicoptère)

Un aérodyne à voilure tournante (hélicoptère) est un engin qui présente l'avantage d'être à la fois très manœuvrant et de pouvoir se poser sur pratiquement n'importe quel terrain. La sustentation est obtenue par le ou les rotors en rotation. Pour tenir dans l'air, l'hélicoptère doit générer un flux d'air dont la poussée contrebalance la gravité de l'astre. Ce peut être obtenu par un rotor à grand diamètre tournant à une vitesse relativement lente ou par un rotor tournant à très grande vitesse (comme les rotors de turbines de réacteur). La deuxième solution nécessite beaucoup plus d'énergie pour produire la même poussée..

Planètes et satellites éligibles

Pour pouvoir être mis en œuvre, la planète ou le satellite naturel exploré par l'aérobot doit être pourvu d'une atmosphère suffisamment dense, ce qui exclut des corps célestes comme Mercure ou la Lune. La densité de l'atmosphère, la gravité, la température, la vitesse du vent et l'intensité lumineuse (source d'énergie) jouent un rôle particulièrement important dans la conception et les capacités d'un aérobot. : la densité de l'atmosphère a un impact direct sur la portance. Cette force joue de manière importante sur la masse de l'aérobot lorsque celui-ci est un aérodyne à voilure fixe ou tournante et de manière moins importante lorsque celui-ci est un ballon (volume du ballon) ; la gravité du corps céleste joue également sur la masse de l'aérobot. Une gravité importante nécessite une portance plus importante ; le flux solaire affecte la capacité de production d'énergie si celle-ci est fournie par des cellules solaires. Un aérodyne à voilure fixe ou tournante a besoin d'une quantité importante d'énergie pour se déplacer ; une température peu élevée impose de consacrer une partie de l'énergie de l'aérobot à la préservation des organes les plus fragiles au détriment de la propulsion dans le cas d'un aérodyne à voilure fixe ou tournante ; la vitesse du vent (modulo la densité de l'atmosphère) affecte la capacité à contrôler la trajectoire de l'aérobot.

Les caractéristiques des principales destinations de l'exploration du système solaire (Mars, Vénus, Titan) sont résumées dans le tableau ci-dessous.

+Principales caractéristiques environnementales Caractéristique Vénus Mars Titan TerreGravité (g) 0,9 0,37 0,14 1Pression atmosphérique en surface (bar) 92 0,0067 1,5 1Densité de l'air en surface (kg/m-3 64 0,015 5,4 1,2Flux solaire en surface (Watt/m) 5 700 1 600Température en surface (kelvin) 735 230 94 290Variation de température diurne en surface (ΔT/T) < 0,3 30 à 50 < 1 < 10Vitesse du vent à basse altitude (km/s) 1 à 3 5 à 20 1 5 à 20Principal gaz de l'atmosphère Dioxyde de carbone Azote Caractéristiques de la troposphère Altitude de la troposphère (km) 65 11 40 17Pression de la troposphère (mbar) 97 2,7 200 90Température dans la troposphère (kelvin) 735 230 94 290Vitesse du vent dans la troposphère (km/s) 80 à 100 20 à 30 15 20 à 30

Avantages et contraintes du recours à l'aérobot

Historique