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Sept minutes de terreur: comprendre la technologie dont la persévérance aura besoin pour survivre à l’atterrissage de Mars

Ce mois a été chargé pour l’exploration de Mars. Plusieurs pays envoyé des missions sur la planète rouge en juin de l’année dernière, profitant d’une fenêtre de lancement. La plupart ont maintenant arrivé après leur voyage de huit mois. Dans les prochains jours, la NASA effectuera une entrée directe de l’atmosphère martienne pour faire atterrir le rover Perseverance dans le cratère Jezero de Mars.

Persévérance, de la taille d’une voiture, est la plus grande charge utile jamais enregistrée sur Mars – elle pèse une tonne (sur Terre). Après l’atterrissage, le rover recherchera des signes de vie ancienne et recueillera des échantillons pour être finalement renvoyé sur Terre.

  Sept minutes de terreur: comprendre la technologie dont la persévérance aura besoin pour survivre à l'atterrissage sur Mars

La NASA effectuera une entrée directe de l’atmosphère martienne pour faire atterrir le rover Perseverance dans le cratère Jezero de Mars. Crédit d’image: NASA / JPL-Caltech

La mission utilisera un matériel similaire à celui du 2012 Laboratoire scientifique de Mars (MSL), qui a atterri le rover Curiosity, mais aura certaines améliorations, notamment une précision d’atterrissage améliorée.

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

Mars: une terre des plus extraterrestres

Comme Mars est un environnement hostile et éloigné avec une atmosphère 100 fois plus mince que la Terre, il y a une petite atmosphère que les vaisseaux spatiaux entrants peuvent utiliser pour ralentir aérodynamiquement.

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

Un profil de la phase d'entrée, de descente et d'atterrissage de Mars 2020 Crédit image: NASA / JPL-Caltech

Un profil de la phase d’entrée, de descente et d’atterrissage de Mars 2020 Crédit image: NASA / JPL-Caltech

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 dans le précédent missions.

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

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Protection thermique

La MSL 2012 vaisseau spatial était équipé d’un écran 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 5900 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, y compris un écran thermique avant et un écran thermique de la coque 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’échapper assez rapidement 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 l’écran thermique.

Le flux chaud post-choc chauffe la surface de l’écran thermique lors de l’entrée, mais l’écran thermique protège la structure interne de cette chaleur.

Sur la photo, l'écran thermique de la coque arrière de Mars 2020 (premier plan) et l'écran thermique principal PICA (arrière-plan).  Crédit d'image: NASA / JPL-Caltech

Sur la photo, l’écran thermique de la coque arrière de Mars 2020 (premier plan) et l’écran thermique principal PICA (arrière-plan). Crédit d’image: NASA / JPL-Caltech

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 véhicule sur Mars à utiliser l’ablateur de carbone imprégné phénolique (PICA) de la NASA. Matériel.

Ce matériau, que l’engin spatial Mars 2020 utilise également, est constitué de fibre de carbone hachée intégrée dans un résine synthétique. Il est très léger, peut absorber une chaleur immense et constitue un isolant efficace.

Entrée guidée

Toutes les entrées avant la mission MSL de 2012 n’avaient pas été 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 le Mars.interface d’entrée»(125 km au-dessus du sol) d’une manière particulière, avant d’atterrir là où les vents martiens les emportaient. Avec ceci est venu une incertitude significative d’atterrissage.

Cette impression d'artiste montre des propulseurs contrôlant l'angle de l'engin spatial lors de l'entrée sur Mars de MSL 2012.  Mars 2020 utilisera la même technique.  Crédit d'image: NASA / JPL-Caltech

Cette impression d’artiste montre des propulseurs contrôlant l’angle de l’engin spatial lors de l’entrée sur Mars de MSL 2012. Mars 2020 utilisera la même technique. Crédit d’image: NASA / JPL-Caltech

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

La mission MSL a été la première entrée guidée sur Mars. Une version améliorée du Ordinateur de guidage Apollo a été utilisé pour contrôler le véhicule en temps réel pour assurer un atterrissage précis.

Avec cela, MSL a réduit son ellipse d’atterrissage estimée à 20 x 6,5 km et a fini par atterrir juste 2 km de sa cible. Avec un peu de chance, Mars 2020 obtiendra des résultats similaires.

Sur la photo, les différents sites d'atterrissage sur Mars de la NASA, y compris le site d'atterrissage proposé pour Perseverance.  La persévérance devrait atterrir dans une zone relativement moins dégagée Crédit image: NASA / JPL-Caltech

Sur la photo, les différents sites d’atterrissage sur Mars de la NASA, y compris le site d’atterrissage proposé pour Perseverance. La persévérance devrait atterrir dans une zone relativement moins dégagée Crédit image: NASA / JPL-Caltech

Parachutisme supersonique

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

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

Le vaisseau spatial descendant après le déploiement du parachute.  Crédit d'image: NASA / JPL-Caltech

Le vaisseau spatial descendant après le déploiement du parachute. Crédit d’image: NASA / JPL-Caltech

Le déploiement du parachute au bon moment sera essentiel pour réaliser un atterrissage précis.

Une toute nouvelle technologie appelée « déclencheur de plage»Contrôlera le temps de déploiement du parachute, en fonction de la position relative du vaisseau spatial par rapport au point d’atterrissage souhaité.

Navigation à la pointe de la technologie

Environ 20 secondes après l’ouverture du parachute, le bouclier thermique se séparera du vaisseau spatial, exposant Perseverance à l’environnement martien. Ses caméras et capteurs peuvent commencer à collecter des informations à l’approche du sol.

Le rover est spécialisé navigation relative au terrain le système l’aidera à atterrir en toute sécurité en le détournant vers une surface d’atterrissage stable.

Perseverance 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 les points de repère ci-dessous et d’estimer sa position relative au sol avec une précision de environ 40m.

La navigation relative au terrain est de loin supérieure aux méthodes utilisées pour les entrées passées sur Mars. Les engins spatiaux plus anciens devaient se fier à leurs propres estimations internes de leur emplacement lors de leur entrée.

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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 2-3 km à l’approche du sol.

Le touché final

Le parachute transportant le vaisseau spatial Mars 2020 ne peut que le ralentir 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 pour la finale. 2 100m. C’est ce qu’on appelle la «rétropropulsion».

Le rover Perseverance est placé sur le sol martien par le skycrane Crédit image: NASA / JPL-Caltech

Le rover Perseverance est placé sur le sol martien par le skycrane Crédit image: NASA / JPL-Caltech

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

Une fois que Perseverance sent que ses roues sont au sol en toute sécurité, il coupera les câbles connectés au véhicule de descente (qui s’envolera et s’écrasera quelque part au loin).

Et avec cela, les sept minutes de terreur seront terminées.La conversation

Chris James, ARC DECRA Fellow, Center for Hypersonics, École de génie mécanique et minier, L’Université du Queensland

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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