Un exploit : voler avec des hélices dans l'air raréfié de Mars
La pression atmosphérique martienne est, en moyenne, plus de 100 fois inférieure celle de la Terre. Or pour voler, un hélicoptère utilise la densité de l'air. Sur Mars, Ingenuity doit accélérer son double rotor jusqu'à près de 3000 tours/minute pour espérer décoller. Il a pu y réussir, le 19 avril 2021, car il est très léger : moins de 2 kg.
© NASA/JPL-CalTech
Pour répondre à cette contrainte, son sous-système de télécommunications radio tout entier (antenne, radio, câbles) ne devait peser que 13 grammes, tout en étant assez robuste pour survivre au voyage vers Mars. À titre de comparaison, les systèmes des mini-satellites (CubeSats) pèsent quelques kilos.
Ingenuity et la contribution de Nacer Chahat
Nacer Chahat, ancien étudiant et également docteur de l'Université de Rennes 1 (il a suivi les enseignements du Master EEA et de l'ESIR, puis a fait sa thèse à l'IETR), donne des détails sur la genèse de la mission et explique comment il a mis au point les antennes qui permettent le lien radio entre le rover et l'hélicoptère. Quelques jours avant le premier vol réussi d'Ingenuity, il était interviewé par Stéphane Avrillon, l'un de ses anciens enseignants à l'ESIR et à l'IETR.
Défis technologiques à surmonter
Outre la masse du système radio, il fallait limiter au maximum sa consommation d'énergie. Ingenuity, dont la mission nominale dure 30 sols (30 jours martiens), doit aussi utiliser l'énergie de ses batteries pour maintenir sa température de fonctionnement lors de ses nuits sur la planète rouge.
Pour cela, l'équipe dont fait partie Nacer Chahat a utilisé des radios ZigBee qu'on trouve dans le commerce, puis les a profondément modifiées afin de pouvoir les utiliser dans l'environnement très exigeant de la mission.
L'antenne est située au-dessus du panneau solaire pour tirer parti de la réflexion des ondes. Elle est monopole pour permettre la communication omnidirectionnelle, quelle que soit la position de l'hélicoptère par rapport au rover, sachant qu'Ingenuity
© NASA/JPL-Caltech
L'atmosphère de Mars étant très raréfiée, charger les antennes en puissance (même si celle d'Ingenuity ne reçoit pas plus d'1 watt) pose le risque d'un "claquage électronique", une brusque décharge qui peut annuler la capacité de l'antenne à communiquer.
Enfin, Ingenuity étant un démonstrateur technologique et non un instrument scientifique, l'antenne destinée à communiquer avec lui sur le rover n'a pas bénéficié d'une implantation optimale. Les calculs de propagation d'onde ont été complexes, dans l'environnement électromagnétique très riche du rover.
Une difficulté supplémentaire vient du fait que les communications Ingenuity-Perseverance se font principalement au sol, d'où des pertes additionnelles de signal.
© NASA/JPL-Caltech
Nacer Chahat revient sur sa formation à l'Université de Rennes 1, sa vision du métier d'ingénieur et son parcours au JPL
Le 29 avril 2021, Nacer Chahat répondait en direct aux étudiants en électronique de l'Université
En tant qu'ancien étudiant et docteur de l'Université de Rennes 1, Nacer Chahat revient régulièrement sur les campus pour rencontrer les chercheurs et les étudiants des filières électroniques. En 2021, pandémie oblige, il l'a fait en visioconférence.
Cette visioconférence a permis aux étudiants des filières électroniques de l'Université de Rennes 1 de poser les questions à cet ingénieur au parcours exceptionnel. L'échange a porté aussi bien sur la mission d'Ingenuity que sur la formation de Nacer ou encore sur sa vision du métier d'ingénieur.
Les caractéristiques
Portée attendue de la liaison radio : 100m à 1km
Débit minimal (sol-sol à 250m, sol-air à 1km) : 250kb/s soit env. 30 Ko/s
Fréquence : 914 MHz
Protocole : Zigbee modifié vers TDMA.
Circuits : origine commerciale (COTS) puis renforcés à l'epoxy
Sur Ingenuity
Poids de l’ensemble du sous-système (antenne, câbles, radio) : 13 g
Consommation crête : 3W
Consommation moyenne : 1,5 W
Puissance d’émission RF max. : 28.8 dBm
Longueur de l’antenne monopôle (acier inox recouvert d’une feuille d’or) : env. 7,5 cm
Diamètre : 1mm
Température acceptable hors fonctionnement : - 135°C à + 70°C
Température de fonctionnement : -10°C à + 40°C
Sur Perseverance
Mêmes caractéristiques, avec des contraintes de masse moins fortes.
Informations complémentaires sur Ingenuity
Référence
The Mars Helicopter Telecommunication Link: Antennas, Propagation, and Link Analysis
Nacer Chahat, Joshua Miller, Emmanuel Decrossas, Lauren McNally, Matthew Chase, Curtis Jin, Courtney Duncan
IEEE Antennas and Propagation Magazine (Volume: 62, Issue: 6, Dec. 2020) - doi:10.1109/MAP.2020.2990088
