Mars :  les robots du CNES préparés aux conditions extrêmes

Envoyer un robot sur Mars, comme l’atterrisseur qui portera la caméra ultra perfectionnée SuperCam du Cnes en 2020, c’est réaliser la recette de cuisine la plus compliquée du monde: mieux vaut la tester avant. Si une panne survient, à 76 millions de kilomètres, avec six mois de voyage, on ne peut pas envoyer de techniciens pour réparer. Pendant des mois avant le Jour-J, les chercheurs testent donc le matériel sur Terre, et s’assurent qu’il résistera à tout. 

Pression, température, gravité… « Lors d’un trajet pour Mars, il y a quatre phases bien distinctes qui ont chacune leurs aléas: le décollage, le trajet dans l’espace, l’atterrissage sur Mars et ensuite toute la vie que le robot aura là-bas », décrit Jean-Louis Espaignol, consultant Aéronautique et Espace pour Bureau Veritas, qui accompagne le Cnes. Rien ne doit altérer le fonctionnement. Tous les paramètres martiens sont donc recréés sur Terre.

Des lasers pour étudier la roche

Si la Nasa a fêté avec succès, le 26 novembre 2018, l’amarsissage de la sonde Insight sur la planète rouge, pas de répit pour les ingénieurs: un autre voyage est déjà en préparatione pour 2020. Le Cnes travaille main dans la main avec l’organisation américaine sur un projet de caméra ultra perfectionnée, la SuperCam. Elle sera les yeux du véhicule robotisé qui foulera le sable martien, « Mars 2020 Rover ». 

La caméra d’Insight, qui s’est posé sur Mars le 26 novembre, constitue déjà une petite avancée: elle filme en couleur. Supercam le fera aussi. Mais cette nouvelle caméra fait surtout partie des sept instruments scientifiques que le robot baladera entre les roches. Ce bijou technologique de seulement 30 centimètres de longs pour environ 6 kilos sera doté de deux lasers pour ses expériences : un laser Libs, à impulsion à haute énergie, pour étudier la composition chimique du sol en faisant fondre la roche, et un autre  passif à luminescence, agrémenté de spectromètres. Les analyses obtenues sur les minéraux, permettront de peut-être déceler des molécules organiques, et pourquoi pas témoigner d’anciennes traces de vie… Mais avant d’embarquer dans sa fusée, Supercam doit être soumise à toutes sortes de  conditions extrêmes. 

Nuits martiennes à -80 degrés

Lors du décollage, l’ensemble est soumis à de très fortes vibrations aléatoires. Puis en pleine accélération dans l’atmosphère, t l’air frotte sur les parois du lanceur, au-delà de 100 kilomètres, et peut chauffer énormément. « Le Rover est protégée par une coiffe épaisse - une sorte de gros capot -, qui maintient la température àl’intérieur », rassure Jean-Louis Espaignol. 

Une fois sortie de l’atmosphère, au-delà de 800 kilomètres d’altitude, après être passée au four, la fusée se retrouve dans le vide. La température tombe à -272 degrés, et la pression proche de zéro bar. Et même si elle est à l’arrêt pendant cette phase, Supercam doit résister. Le Cnes la teste alors, en mode « non fonctionnel », sur des températures allant de -50 à 60 degrés Celsius. 

Mais le plus problématique, reste à venir, après l’amarssisage.

« Sur Mars, la pression est bien plus faible que sur la Terre (environ 7 mbars, contre 1,013 au niveau de la mer). Et la température varie énormément », détaille Jean-Louis Espaignol. Sur Terre, quand la nuit tombe, l’atmosphère épaisse permet de garder la chaleur émise par les rayons du soleil pendant la journée. Mais sur Mars, la température peut descendre à -80 degrés. « Le rover dispose de réchauffeurs pour améliorer l’environnement des instruments et éviter qu’ils ne soient soumis à des températures trop froides, explique Muriel Deleuze, chef de projet de recherche pour le Cnes. Les « radiateurs » embarqués permettent de maintenir la température à -40 degrés la nuit. »

C’est déjà mieux, mais dangereux. Si le thermomètre descendait trop bas, la faiblesse de l’agitation moléculaire viendrait altérer les circuits électroniques embarqués. Et tout pourrait s’interrompre quand la caméra fonctionne. Autre point compliqué : les différences successives de températures extrêmes peuvent décaler l’alignement des voies optiques. Le Cnes doit alors tester des cycles de variations de températures…

Caisson sous vide pour simuler la faible atmosphère

Le centre recrée alors ces conditions en laboratoire et observe le comportement de la caméra, en mode « fonctionnel ». « Tout d’abord, nous faisons beaucoup de simulations informatiques. Les caractéristiques de la caméra et les paramètres de l’environnement nous permettent de modéliser son comportement, et si nous atteignons des conditions critiques », explique Muriel Deleuze. Mais évidemment, cela ne suffit pas… Il faut aussi faire des tests en vrai. « Nous plaçons la caméra dans un caisson sous vide, et faisons varier la pression ou la température, puis nous observons comment elle fonctionne, continue Muriel Deleuze. Tout le secret, c’est de bien tirer toutes les connaissances de ce que l’on observe, de fouiller tous les paramètres mais en prenant garde de ne pas créer non plus de faux problèmes. »

Ce que le Cnes appelle de « faux problèmes », c’est un trop plein d’exigence. Comme si on demandait à un téléphone portable de résister à une pression de plusieurs tonnes. C’est possible techniquement, mais coûterait très cher. En aéronautique, la taille et la masse des objets est très problématique. « Le moindre centimètre à son importance, explique Muriel Deleuze. Car c’est de la masse en plus, qui demande plus d’énergie lors du décollage. » Et l’énergie du décollage, c’est le gros du budget.

« On crée des explosions proches de la caméra »

Au total, pendant tout son voyage, la caméra sera également soumise à différents traumatismes physiques. « Nous avons trois types de chocs à tester : les vibrations sinusoïdales et aléatoires et les chocs dit « béliers »ou « pyro », explique Jean-Louis Espaignol, de Bureau Veritas. Ces derniers correspondent à des chocs indirects, comme les explosions pyrotechniques. » Tous vont être testés un par un.

Les vibrations sont simulées sur un pot vibrant, sur lequel on contrôle la fréquence et l’amplitude des mouvements. Elles vont de 20 à 2000 Hz, avec une tranche en vibrations aléatoires, de 40 à 450 Hz, et une densité spectrale de puissance de 0,08g2/Hz. Pour les chocs béliers, le principe est plus basique. Une sorte de marteau suspendu simule les coups. l Plus il est lancé de haut, plus le choc est élevé. « Ces chocs bélier peuvent être remplacés par les chocs « pyros », on crée des explosions proches de la caméra. Ces chocs sont importants. Ils ont notamment lieu lorsque les étages inférieurs, les lanceurs, se séparent de la fusée », précise Jean-Louis Espaignol. Donc le Cnes recrée des explosions près de la caméra. 

Le casse-tête de la gravité

Sur Mars, la planète étant bien plus petite, la gravité n’y est que de 3 m/s2, contre 9 m/s2 sur la Terre. « Pour la caméra, nous estimons que la différence de gravité n’a que très peu d’influence, donc ce n’est pas un test que nous réalisons avant de partir, note l’expert de Bureau Veritas. Mais nous avons déjà travaillé sur un sismomètre, pour lequel la gravité est problématique. C’est un appareil qui mesure le mouvement des sols. Dans ce cas, nous modifions les réglages de départ, comme une balance où l’on décalerait la tare. » Ainsi, on fait croire à l’appareil sur Terre, qu’il est sur Mars.

Pour ce projet, Bureau Veritas veille à ce que tous les protocoles de tests respectent les standards et les procédures européennes ou internationales. Ce qui permet ensuite aux équipes, réparties partout sur la planète, de s’assurer que tout fonctionnera bien, lorsqu’on montera toutes les pièces détachées du Rover ensemble.