Un peu plus de trois ans après la fin de la mission pionnière d'Ingenuity sur Mars, les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory, en Californie, conçoivent déjà les hélicoptères martiens de demain. Objectif : transporter des charges plus lourdes sur de plus longues distances, à travers l'atmosphère ténue de la planète rouge. Une avancée récente en laboratoire, le franchissement du mur du son par les pales d'un rotor, rapproche ce projet de la réalité.

Ingenuity, un pionnier du ciel martien

Le petit hélicoptère a été un franc succès, devenant la première machine volante à explorer un autre monde. Déposé sur Mars par le rover Perseverance, l'engin à double rotor a effectué 72 vols, dépassant de loin l'objectif initial de la Nasa, fixé à cinq vols en trente jours.

Quand la mission s'est achevée sur un atterrissage brutal en janvier 2024, Ingenuity avait démontré une nouvelle manière d'explorer d'autres planètes : utiliser l'air pour parcourir de plus grandes distances et atteindre des lieux inaccessibles aux véhicules terrestres. Son corps principal n'était guère plus gros qu'une boîte de mouchoirs, pour une masse de seulement 1,8 kilogramme et des rotors contrarotatifs d'environ 1,2 mètre d'envergure.

La mission SkyFall

La Nasa prévoit désormais d'envoyer trois nouveaux hélicoptères sur Mars, dans le cadre de la mission SkyFall, dont le lancement pourrait intervenir dès la fin 2028. SkyFall voyagerait à bord d'un vaisseau à propulsion nucléaire baptisé Space Reactor-1 (SR-1), l'une des démonstrations technologiques annoncées cette année par l'administrateur de la Nasa, Jared Isaacman.

Ces nouveaux appareils seront plus grands et plus lourds qu'Ingenuity. Ils useront d'une manœuvre inédite pour se poser eux-mêmes sur le sol martien, après avoir traversé l'atmosphère à l'abri d'un bouclier thermique. Autant de défis qui exigent de repenser leur conception.

Les récents essais au Jet Propulsion Laboratory de la Nasa, où les rotors ont atteint des vitesses supersoniques, laissent entrevoir de nouvelles opportunités pour explorer Mars à basse altitude. © Toos, iStock

Repousser le mur du son

Le JPL et l'entreprise privée AeroVironment, déjà partenaires sur Ingenuity, ont récemment réalisé une percée décisive. Les tests portaient sur les nouvelles pales, plus grandes, destinées à propulser ces hélicoptères dans une atmosphère dont la densité n'atteint que 1 % de celle de l'air au niveau de la mer sur Terre.

Cette rareté de l'air impose une contrainte majeure. Pour générer de la portance, un hélicoptère martien doit faire tourner ses rotors bien plus vite que sur Terre, et un véhicule plus lourd réclame davantage de portance. Ingenuity faisait déjà tourner ses pales à 2 700 tours par minute, soit dix fois plus vite qu'un hélicoptère de passagers terrestre. Mais les ingénieurs avaient veillé à ne pas dépasser la vitesse du son, de crainte que le franchissement de Mach 1 (environ 870 km/h sur Mars) ne fasse voler les pales en éclats.

Autour de Mach 1, les choses peuvent devenir imprévisibles, résume Jaakko Karras, responsable des essais de rotor au JPL. Pour Ingenuity, l'équipe avait maintenu l'extrémité des pales à Mach 0,7 sans vent, afin qu'un éventuel vent de face martien ne les fasse pas passer en supersonique. Mais la nouvelle génération d'appareils exige plus de performance, et il fallait s'assurer que les rotors pouvaient tourner plus vite en toute sécurité.

Mach 1,08 sans casse

Les essais récents au JPL ont poussé les rotors au-delà de la vitesse du son sans les endommager. Dans une chambre de test reproduisant l'atmosphère martienne, l'extrémité des pales a atteint Mach 1,08. Ignorant ce qui allait se produire, les ingénieurs avaient tapissé une partie de la chambre de tôle pour la protéger en cas de rupture.

Le déroulé fut méthodique. Depuis une salle de contrôle voisine, l'équipe a suivi la montée en régime jusqu'à 3 750 tours par minute, portant les extrémités à Mach 0,98. Un ventilateur a ensuite été activé pour bombarder les rotors de vents de face, dont la vitesse était augmentée à chaque nouvel essai.

Essais de la prochaine génération de pales de rotor d'hélicoptère martien. © Nasa Jet Propulsion Laboratory

Une première série de tests portait sur un rotor à trois pales, envisagé pour des missions ultérieures à SkyFall. Une seconde campagne a utilisé la conception à deux pales réellement prévue pour SkyFall. Légèrement plus longues, ces pales ont atteint la même vitesse supersonique à un régime plus bas, avec à la clé un gain de portance de 30 %. De quoi permettre aux futures missions d'emporter des charges scientifiques plus lourdes, ainsi que des capteurs perfectionnés et des batteries de plus grande capacité pour des vols prolongés.

« Nous pensions être chanceux d'atteindre Mach 1,05, et nous avons touché Mach 1,08 lors des derniers essais, se réjouit Shannah Withrow-Maser, aérodynamicienne au centre de recherche Ames de la Nasa. Nous analysons encore les données, et il pourrait rester de la marge côté poussée ».

Vers des explorateurs volants plus ambitieux

En parallèle, la Nasa développe un aéronef bien plus imposant, Dragonfly, destiné à Titan, la lune de Saturne. Pesant près d'une tonne, cet engin affrontera paradoxalement moins de difficultés que sur Mars, l'atmosphère de Titan étant plus dense que celle de la Terre.

Les ambitions pour Mars, quant à elles, montent en puissance. Ingenuity ne transportait que deux caméras, et son plus long vol, en 2022, avait couvert moins de 800 mètres en 161 secondes, avant de devoir se poser pour recharger ses batteries solaires, le rover Perseverance lui servant de relais de communication. SkyFall n'aura pas de rover à proximité : ses hélicoptères communiqueront via des satellites en orbite ou une liaison directe avec la Terre.

Les futurs appareils miseront sur des batteries plus grandes pour voler plus longtemps et emporter des instruments plus sophistiqués, capables par exemple de détecter de la glace dans le sol martien. Tout cela suppose des véhicules plus lourds. Franchir le mur du son sans casser le matériel constitue donc un pas de plus vers l'exploitation pleine et entière de ce nouveau mode d'exploration planétaire.