Jeff Delaune : « Ingenuity est prêt à décoller sur Mars »

Il est le seul Français a avoir participé au développement d’Ingenuity. A quelques heures du vol historique de l’hélicoptère martien, Jeff Delaune, ingénieur au Jet Propulsion Laboratory, partage son aventure avec les lecteurs de Ciel & Espace.

[Note du 10 avril à 20h : la Nasa vient d'annoncer un problème lors du test de rotation à grande vitesse des pales d'Ingenuity, son premier vol est reporté au 14 avril au plus tôt.]

Vous êtes le seul Français à avoir participé au développement d’Ingenuity. Comment vous êtes-vous retrouvé intégré à l’équipe du JPL ?

Jeff Delaune : Je suis arrivé au JPL en 2015 en tant que post-doc, et j’ai été recruté définitivement pour travailler sur Ingenuity à la fin de l’année suivante. Mon intérêt pour l’espace, surtout l’astronomie au départ, date de l’enfance. D’ailleurs vers onze ou douze ans j’étais un lecteur de Ciel & Espace ! J’ai passé un bac scientifique, étudié dans une école d’ingénieur, et puis finalement soutenu une thèse en 2013 [intitulée « Navigation visuelle pour l’atterrissage planétaire de précision indépendante du relief », NDLR]. Cela m’a beaucoup aidé pour entrer au JPL car le secteur spatial, aux Etats-Unis, est soumis aux règles ITAR – ce qui rend le recrutement de non-Américains très difficile. Il faut vraiment montrer des compétences spécifiques, qu’ils ne trouvent pas chez eux, pour travailler au JPL. D’ailleurs, ça m’a pris deux, trois ans pour y entrer. J’ai dû envoyer une dizaine de CV et de lettres de motivation !

Quel a été votre rôle ?

J’ai travaillé sur le système de navigation d’Ingenuity, qui doit lui permettre de se repérer de façon autonome pendant son vol. A cause du délai de la communication entre Mars et la Terre – 22 minutes aller-retour –, il est impossible de le piloter depuis le sol. Ingenuity doit se débrouiller tout seul. Tout seul, et sans GPS, car bien sûr il n’y en a pas sur Mars !

Comment se repère-t-il alors ?

Ingenuity possède une caméra de navigation et utilise ses images pour savoir comment il se déplace. J’ai conçu ce système, puis j’ai dirigé ses essais sur le terrain. J’ai aussi été chargé de la vérification des centrales inertielles du drone. Ingenuity en possède deux. Si la caméra de navigation est l’œil d’Ingenuity, ses centrales inertielles sont son oreille interne. Elles lui permettent de savoir comment il est orienté par rapport au champ de gravité, c’est-à-dire par rapport à la verticale. C’est important, surtout quand on ne peut pas utiliser la caméra, par exemple près du sol. On s’attend à créer un gros nuage de poussières quand on va décoller. À moins de 1 m du sol, les images seront inutilisables.

On a d’ailleurs bien vu Perseverance disparaître dans la poussière, au moment de son arrivée !

Oui, dans les dix derniers mètres de sa descente, il y avait tellement de sable qu’on ne le voyait plus ! Cela dit, c’est la propulsion des tuyères de la skycrane qui ramenait le sable. Pour nous, ce sera l’inverse : les pâles devraient repousser le sable vers l’extérieur. Mais on verra bien… Dans la chambre à vide où nous avons fait les essais de vol, nous n’avons pas pu mettre de sable pour tester cet aspect. De toute façon, nous n’aurions pas pu simuler le comportement du sable en gravité martienne.

Jeff Delaune dans la chambre à vide du JPL à côté du modèle de vol d'Ingenuity. © DR

Quels aspects du vol avez-vous testé dans la chambre à vide ?

Le décollage, l’atterrissage, et une petite excursion de 1 m sur le côté. Tout ça dans une atmosphère d’un centième de la pression terrestre et avec un câble antigravité – autrement dit un câble accroché à une poulie qui retire les deux tiers de la gravité terrestre. C’est la même chambre à vide qui est utilisée depuis les missions Voyager. Quand on est passionné d’exploration spatiale, c’est magique de faire des essais là-dedans. Mais évidemment, elle n’a jamais été conçue pour tester un hélicoptère, elle ne fait que 8 m de diamètre. Du coup, nous avons pas pu tester complètement le comportement en vol d’Ingenuity.

Et où avez-vous fait les essais de terrain de votre système de navigation ?

À la sortie du parking du JPL ! Le laboratoire est implanté près d’un lit de rivière asséché, l’Arroyo Seco. Finalement, les conditions sont assez proches de Mars. On aurait pu utiliser le Mars Yard, le terrain qui est spécifiquement construit au JPL pour tester les rovers martiens, mais il n’est pas assez vaste pour tester le système de navigation d’un hélicoptère. Et de toute façon, il nous fallait une diversité de terrains importante. Il faut bien noter que les essais du système de navigation n’ont pas été réalisés avec un drone ressemblant à Ingenuity. Car Ingenuity, lui, ne peut pas voler dans l’environnement de la Terre !

Quelles ont été les principales difficultés du développement de ce drone extraterrestre ?

Le premier défi, c’est évidemment de réussir à obtenir de la portance dans une atmosphère cent fois moins dense que l’atmosphère terrestre. La solution trouvée explique la physionomie d’Ingenuity : quatre pâles surdimensionnées pour soulever une boite de kleenex ! La faible gravité martienne nous aide un peu quand même, puisque Ingenuity pèse trois fois moins lourd sur Mars que sur Terre.

Le deuxième défi, c’est d’arriver à piloter le drone, car dans une atmosphère très peu dense les pâles se comportent différemment. On s’en est rendu compte dès les tests en chambre à vide du premier prototype. Il y a une vidéo qui montre bien la difficulté de contrôler le vol. Et pourtant, sur cette vidéo [ci-dessous], c’était un pilote de drone professionnel qui était aux commandes ! En fait, dans un milieu peu dense, les vibrations des pâles sont peu amorties. Le rôle de coussin que joue l’atmosphère terrestre n’est pas assuré, et ça complique tout. La solution a été trouvée, mais aujourd’hui encore, comprendre comment rendre les pâles les plus efficaces possibles en atmosphère raréfiée est un de nos axes de travail pour d’éventuelles futures missions.

La sélection d’Ingenuity a été relativement tardive, en mai 2018. Cela n’a pas été trop difficile de travailler sur la conception d’un engin qui n’était pas sûr de voler ?

C’est mon premier projet de ce genre, donc je n’ai pas trop de recul. Mais j’ai l’impression que ne pas savoir si on allait vraiment voler à plutôt réduit la pression sur nos épaules. Pendant longtemps, ça a plutôt été un défi entre nous. Nous étions une petite équipe, de quelques dizaines de personnes, avec une super ambiance.

Relativement au coût de Mars2020, Ingenuity est un petit projet de 85 millions de dollars. Quel impact cela a eu sur le développement du drone ?

Nous avons testé de nouveaux modes de conception. Par exemple, les composants électroniques d’Ingenuity n’ont pas été réalisés spécifiquement pour le secteur spatial. On les trouve dans le commerce. C’est un choix qui permet beaucoup de souplesse dans un projet. Mais ça n’a été possible que parce que la technologie des véhicules autonomes est en train de rattraper les exigences du spatial ! Nous nous sommes en effet rendu compte que la résistance aux rayons cosmiques qui est requise pour l’électronique embarquée des systèmes autonomes, ceux qui commencent à transporter des humains sur Terre, était à peu près équivalente à celle qui est exigée pour un instrument envoyé sur Mars. Les probabilités de panne doivent être aussi faibles dans les deux cas.

Avant son vol historique, comment se porte Ingenuity ?

Tout est ok. Le processus de déploiement a commencé samedi dernier, quand on s’est détaché de Perseverance. C’était un moment critique. Jusque-là, c’est le rover qui fournissait l’énergie nécessaire au maintien de la température du drone – sa batterie ne doit pas descendre en dessous de -15°C. Une fois le cordon ombilical coupé, il fallait que les panneaux solaires assurent la recharge des batteries, qui n’ont que 24 heures d’autonomie. Nous avons testé tout cela jusqu’à mardi : les panneaux solaires, la recharge, les modèles thermiques que nous avions mis au point. Mercredi, nous avons débloqué les pâles de l’hélicoptère et, jeudi, effectué la première mise en rotation à 50 tours par minute. La prochaine étape est de les faire tourner à pleine vitesse, 2400 tours/min, mais en conservant les pâles horizontales pour qu’il ne décolle pas. Pas encore.

Perseverance a observé le premier test de la rotation des pâles d'Ingenuity à une quarantaine de mètre de distance. © Nasa/JPL-Caltech/ASU

Initialement, le premier vol devait avoir lieu le 8 avril. Pourquoi a-t-il été décalé ?

Quand Ingenuity s’est détaché de sous le rover, on a eu un petit doute à propos de certains câbles qui passent sous son châssis. On n’était pas très sûr que la petite antenne de communication du drone ne serait pas heurté par les câbles quand le rover se déplacerait. Cette antenne ne fait que quelques centimètres de long, mais si on la cassait, tout était fini ! Donc on a pris du temps pour bien étudier les images, pour discuter avec les gens qui avaient posé ces câbles. C’est typique du spatial : on est à des dizaines de millions de kilomètres de là où les choses se passent, alors on est ultra-prudent parce qu’en cas de vrai problème on ne pourra rien faire !

L’antenne de communication qui se dresse au-dessus des panneaux solaires d'Ingenuity a donné quelques sueurs froides à l'équipe. © Nasa/JPL-Caltech/ASU

Pensez-vous déjà à la suite ? A l’après Ingenuity ?

Oui ! En fait, cela fait presque deux ans que l’on travaille sur un « Mars Science Helicopter », qui pourrait porter 4 à 5 kg dans le ciel de Mars. Un tel engin pourrait explorer des terrains inaccessibles aux rovers, prélever des échantillons dans des zones inédites. Et puis il pourrait parcourir des distances beaucoup plus grandes puisque l’idée est de réaliser des vols jusqu’à une dizaine de kilomètres. C’est à peu près la distance couverte par Curiosity pendant ses cinq premières années ! En équipe avec un rover, où seraient concentrés les instruments d’analyse, un hélicoptère martien éclaireur permettrait de gagner beaucoup de temps.

Le design actuellement envisagé pour un futur Mars Science Helicopter. © Nasa/TM—2020–220485

Et sur les autres planètes, y aura-t-il un jour des hélicoptères comme Ingenuity ?

Pour Titan, c’est déjà prévu. La Nasa a sélectionné Dragonfly, un quadri-rotor à huit pâles qui doit être lancé en 2027 pour une arrivée sur le satellite de Saturne en 2037. On sent bien qu’il y a une dynamique autour des drones d’exploration planétaire.

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