"7 minutes de terreur": un aperçu de la technologie dont Perseverance aura besoin pour survivre à l'atterrissage sur Mars

Nov 19, 2023

ARC DECRA Fellow, Center for Hypersonics, School of Mechanical and Mining Engineering, Université du Queensland

Chris James ne travaille pas pour, ne consulte pas, ne détient pas d'actions ou ne reçoit de financement d'aucune entreprise ou organisation qui bénéficierait de cet article, et n'a divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de sa nomination universitaire.

L'Université du Queensland fournit un financement en tant que membre de The Conversation AU.

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Ce mois a été chargé pour l'exploration de Mars. Plusieurs pays ont envoyé des missions sur la planète rouge en juin de l'année dernière, profitant d'une fenêtre de lancement. La plupart sont maintenant arrivés après leur voyage de huit mois.

Dans les prochains jours, la NASA effectuera une entrée directe dans l'atmosphère martienne pour faire atterrir le rover Persévérance dans le cratère Jezero de Mars.

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La persévérance, de la taille d'une voiture, est la plus grande charge utile jamais vue sur Mars - elle pèse littéralement une tonne (sur Terre). Après l'atterrissage, le rover recherchera des signes de vie ancienne et collectera des échantillons pour éventuellement être renvoyés sur Terre.

La mission utilisera un matériel similaire à celui de la mission Mars Science Laboratory (MSL) de 2012, qui a fait atterrir le rover Curiosity, mais aura certaines améliorations, notamment une précision d'atterrissage améliorée du rover.

Le voyage de Curiosity a fourni une mine d'informations sur le type d'environnement auquel Mars 2020 pourrait être confronté et sur la technologie dont il aurait besoin pour survivre.

Comme Mars est un environnement hostile et éloigné avec une atmosphère environ 100 fois plus mince que celle de la Terre, il y a peu d'atmosphère que les engins spatiaux entrants peuvent utiliser pour ralentir aérodynamiquement.

Au contraire, survivre à l'entrée sur Mars nécessite un mélange créatif d'aérodynamique, de parachutes, de rétropropulsion (utilisant la poussée du moteur pour décélérer pour l'atterrissage) et souvent un grand airbag.

De plus, les modèles de météo martienne ne sont pas mis à jour en temps réel, nous ne savons donc pas exactement à quel environnement une sonde sera confrontée lors de l'entrée. Les événements météorologiques imprévisibles, en particulier les tempêtes de poussière, sont l'une des raisons pour lesquelles la précision d'atterrissage a souffert lors des missions précédentes.

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Les ingénieurs de la NASA appellent la phase d'entrée, de descente et d'atterrissage (EDL) des missions d'entrée sur Mars les "sept minutes de terreur". En seulement sept minutes, il existe une myriade de façons dont l'entrée peut échouer.

Le vaisseau spatial MSL 2012 était équipé d'un bouclier thermique de 4,5 mètres de diamètre qui protégeait le véhicule lors de sa descente dans l'atmosphère de Mars.

Il est entré dans l'atmosphère martienne à environ 5 900 m par seconde. C'est hypersonique, ce qui signifie que c'est plus de cinq fois la vitesse du son.

Mars 2020 sera similaire. Il s'appuiera fortement sur son système de protection thermique, comprenant un bouclier thermique avant et un bouclier thermique arrière, pour empêcher le flux chaud d'endommager le rover rangé à l'intérieur.

À des vitesses hypersoniques, l'atmosphère de Mars ne pourra pas s'écarter assez rapidement du chemin du vaisseau spatial. En conséquence, une forte onde de choc se formera à l'avant.

Dans ce cas, le gaz devant le véhicule sera rapidement comprimé, provoquant un énorme saut de pression et de température entre l'onde de choc et le bouclier thermique.

Le flux chaud post-choc réchauffe la surface du bouclier thermique lors de l'entrée, mais le bouclier thermique protège la structure interne de cette chaleur.

Étant donné que les missions MSL 2012 et Mars 2020 utilisent des charges utiles relativement plus importantes, ces engins spatiaux présentent un risque plus élevé de surchauffe pendant la phase d'entrée.

Mais MSL a efficacement contourné ce problème, en grande partie grâce à un bouclier thermique spécialement conçu qui a été le premier à utiliser le matériau Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) de la NASA.

Ce matériau, également utilisé par le vaisseau spatial Mars 2020, est composé de fibres de carbone hachées noyées dans une résine synthétique. Il est très léger, peut absorber une immense chaleur et est un isolant efficace.

Toutes les entrées avant la mission MSL 2012 n'étaient pas guidées, ce qui signifie qu'elles n'étaient pas contrôlées en temps réel par un ordinateur de vol.

Au lieu de cela, le vaisseau spatial a été conçu pour frapper "l'interface d'entrée" de Mars (à 125 km au-dessus du sol) d'une manière particulière, avant d'atterrir là où les vents martiens les ont emmenés. Cela s'est accompagné d'une incertitude importante à l'atterrissage.

La zone d'incertitude d'atterrissage est appelée ellipse d'atterrissage. Les missions Viking Mars des années 1970 de la NASA avaient une ellipse d'atterrissage estimée à 280 x 100 km. Mais MSL et Mars 2020 ont été conçus pour surpasser les efforts précédents.

La mission MSL a été la première entrée guidée de Mars. Une version améliorée de l'ordinateur de guidage Apollo a été utilisée pour contrôler le véhicule en temps réel afin d'assurer un atterrissage précis.

Avec cela, MSL a réduit son ellipse d'atterrissage estimée à 20x6,5 km et a fini par atterrir à seulement 2 km de sa cible. Avec un peu de chance, Mars 2020 obtiendra des résultats similaires.

Un parachute sera utilisé pour ralentir suffisamment le vaisseau spatial Mars 2020 pour que les dernières manœuvres d'atterrissage soient effectuées.

Avec un diamètre de 21,5 m, le parachute sera le plus grand jamais utilisé sur Mars et devra être déployé plus vite que la vitesse du son.

Déployer le parachute au bon moment sera essentiel pour obtenir un atterrissage précis.

Une toute nouvelle technologie appelée "range trigger" contrôlera le temps de déploiement, en fonction de la position relative de l'engin spatial par rapport au point d'atterrissage souhaité.

Environ 20 secondes après l'ouverture du parachute, le bouclier thermique se séparera du vaisseau spatial, exposant Persévérance à l'environnement martien. Ses caméras et ses capteurs peuvent commencer à collecter des informations à mesure qu'il s'approche du sol.

Le système de navigation spécialisé en fonction du terrain du rover l'aidera à atterrir en toute sécurité en le déviant vers une surface d'atterrissage stable.

Persévérance comparera une carte préchargée du site d'atterrissage avec des images recueillies lors de sa descente rapide. Il devrait alors être en mesure d'identifier des points de repère en dessous et d'estimer sa position relative par rapport au sol avec une précision d'environ 40 m.

La navigation relative au terrain est de loin supérieure aux méthodes utilisées pour les entrées passées sur Mars. Les engins spatiaux plus anciens devaient s'appuyer sur leurs propres estimations internes de leur emplacement lors de l'entrée et il n'y avait aucun moyen de recalibrer efficacement ces informations.

Ils ne pouvaient que deviner où ils se trouvaient avec une précision d'environ 2 à 3 km lorsqu'ils s'approchaient du sol.

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Le parachute transportant le vaisseau spatial Mars 2020 ne peut le ralentir qu'à environ 320 km par heure.

Pour atterrir en toute sécurité, le vaisseau spatial larguera le parachute et la coque arrière et utilisera des fusées face au sol pour se détendre sur les 2 100 derniers mètres. C'est ce qu'on appelle la "rétropropulsion".

Et pour éviter d'utiliser des airbags pour faire atterrir le rover (comme cela se faisait dans les missions antérieures à MSL), Mars 2020 utilisera la manœuvre "skycrane" ; un ensemble de câbles abaissera lentement Persévérance au sol alors qu'il se prépare à un fonctionnement autonome.

Une fois que Perseverance sentira que ses roues sont en sécurité au sol, il coupera les câbles le reliant au véhicule de descente (qui s'envolera et s'écrasera quelque part au loin).

Et avec ça, les sept minutes de terreur seront terminées.