Des moteurs standards pour Mars

Home
Grâce à une combinaison de moteurs industriels standard et à une collaboration créative, des personnalisations technologiques sont réalisées pour permettre à des moteurs de haute précision et de longue durée de vie de se rendre sur Mars et au-delà.

Il est indéniable que l'environnement martien peut être rude et inadapté aux systèmes conçus pour fonctionner sur Terre. Mars a une atmosphère environ 100 fois plus fine que celle de la Terre, même si elle est assez épaisse pour supporter les nuages et les vents. Des tourbillons de poussière géants, souvent constitués de poussière de fer oxydée qui recouvre la surface de Mars - qui fait également partie intégrante de l'atmosphère martienne - peuvent recouvrir la planète pendant des mois à certaines saisons. Les variations de température sur Mars vont de -125ºC (-195ºF) près des pôles en hiver jusqu'à 20ºC (70ºF) près de l'équateur à midi. Tout cela peut sembler un environnement difficile à adapter, mais les concepteurs de systèmes se tournent toujours vers les conceptions de qualité industrielle pour commencer leur recherche des bons composants.

L'histoire compte

Depuis les années 1600, lorsque le télescope a été inventé, Mars était une curiosité. Même si les capacités du télescope augmentaient la taille de l'image, Mars n'était pas beaucoup plus grande ou plus claire pour voir grandir la curiosité à son sujet ; il était évident que, pour comprendre la planète rouge, il faudrait éventuellement s'y rendre. En 1964, la NASA a effectué son premier survol où Mariner 4 a pris des photos des surfaces craquelées de la planète, rappelant aux scientifiques la lune plus qu'une autre planète. La surface montrait également des signes d'une action volcanique qui avait eu lieu à un moment de son histoire et avait laissé derrière elle d'énormes canyons.

Même avec le grand miroir de 4,5 mètres du télescope de l'Observatoire du Mont Palomar, il est difficile de voir les détails de la surface martienne. (Photos avec l'aimable autorisation de la NASA)

Cette information n'a fait que rendre Mars plus intéressante et a incité les scientifiques à aller de l'avant dans un effort pour se poser sur la planète rouge afin d'étudier sa surface et son environnement de plus près. Dans les années 1970, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA a envoyé le premier engin spatial à se poser avec succès sur Mars. L'atterrisseur Viking 1 a été utilisé pour effectuer une analyse de surface en un seul point à la recherche de la vie. Viking 1 a pris des images à haute résolution pendant plus de six ans. Il a également réalisé des échantillons de sol à l'aide d'un bras robotisé et d'un laboratoire biologique spécialement conçu. Il a découvert que la planète froide avait un sol volcanique, une atmosphère sèche de dioxyde de carbone et des preuves d'anciens lits de rivière et de vastes inondations.

Après une pause de deux décennies, au milieu des années 1990, la NASA était prête à passer à l'étape suivante de l'exploration de Mars et à revenir avec des rovers. Pour ces voyages, la NASA a cherché des moteurs industriels standard qui seraient assez robustes pour aller sur Mars. C'est ici que commence officiellement l'histoire de Mars maxon. Lorsque la NASA/JPL a commencé ses recherches, elle savait qu'elle avait besoin de quelques spécifications critiques qui rendraient le moteur plus compatible avec la mission. Par exemple, les plus grands problèmes seraient que les moteurs résistent à l'environnement de basse pression ainsi qu'aux chocs et aux vibrations, non seulement lors du lancement mais aussi lors de l'atterrissage dur qu'ils devraient supporter. Une autre préoccupation était les cycles de variation de température extrêmes que les moteurs devraient subir.

Ce n'est qu'en 1997 que le premier rover réussi s'est posé sur Mars. Le Sojourner Pathfinder était équipé de dix moteurs à courant continu RE 16 pour tester le fonctionnement des moteurs semi-personnalisés. maxon a fourni des moteurs de qualité industrielle de longue durée de vie, avec très peu de personnalisation pour le voyage. Puis, en janvier 2004, deux géologues robotisés, Spirit et Opportunity, se sont posés sur les côtés opposés de Mars. Ils étaient équipés d'une mobilité bien plus grande que le rover Pathfinder et avaient pour objectif principal l'exploration scientifique. Chacun de ces rovers était équipé de 35 moteurs DC maxon - moteurs RE 20 et RE 25 plus des encodeurs MR.

Le premier moteur DCX et réducteur planétaire de Maxon a été utilisé dans un mécanisme qui a fait appel à une méthode similaire à celle d'un batteur de pieux de chantier pour encastrer un capteur de température profondément dans le sol. (Photo avec l'aimable autorisation de la NASA)

Les moteurs ont été utilisés pour diverses applications sur chaque rover, notamment pour entraîner les roues, ouvrir les panneaux photo, déployer les mâts et bien d'autres choses encore. Après 15 ans et 45 km de voyage, la mission d'Opportunity a pris fin. L'accent était mis sur la science. Le rover devait découvrir si Mars avait déjà eu des eaux de surface dans son histoire planétaire. Une photo révélatrice des couches sédimentaires a prouvé le contraire. Fin novembre 2018, InSight s'est posé sur Mars et a été le premier à utiliser la nouvelle génération de moteur DCX à balais de Maxon et le premier réducteur de Maxon sur Mars.

Collaboration et technologie Avancées

La collaboration avec d'autres partenaires industriels ainsi qu'avec des centres spatiaux tels que la NASA/JPL permet de partager les expériences et l'expertise entre toutes les parties, ce qui se traduit par des progrès dans les capacités technologiques à tous les niveaux. Les connaissances acquises facilitent non seulement les avancées technologiques pour les composants semi-personnalisés à usage unique tels que les missions d'exploration spatiale, mais permettent également aux fabricants d'utiliser les données pour faire progresser les technologies utilisées pour les produits industriels standard. Chaque mission du Mars Rover nécessitant une plus grande flexibilité et davantage de capacités, la collaboration est essentielle.

Actionneur électromécanique de bogie incorporant un maxon DCX 22L avec un réducteur GP 32HD et un encodeur intégré pour l'entraînement des roues ExoMars

Les partenariats efficaces permettent aux participants d'apprendre ce qui a fonctionné et ce qui n'a pas fonctionné, ce qui peut être modifié pour obtenir de meilleures performances et comment trouver de nouvelles opportunités pour élargir la recherche. Par exemple, MDA se spécialise dans la conception d'actionneurs personnalisés. La société intègre les boîtes de vitesses, les freins et les encodeurs de maxon dans son actionneur ExoMars. Comme une très grande précision était requise tout au long du processus de fabrication, MDA et maxon se sont associés pour créer des techniques d'assemblage spéciales qui comprenaient un registre pour chaque boulon (4 000) et sa valeur de couple à l'intérieur de l'unité. Sur les 70 unités construites, 12 voleront lors du lancement de la mission ExoMars en 2022.

Un autre partenariat efficace qui a contribué à faire progresser les capacités et les possibilités de nouveaux systèmes a été celui avec Flight Works, une société qui a révolutionné la propulsion des vaisseaux spatiaux en utilisant des moteurs électriques industriels légèrement modifiés - permettant de nouvelles missions vers la Lune, Mars et au-delà. Flight Works est un leader dans le domaine des micropompes à haute densité de puissance pour les marchés commerciaux et aérospatiaux (drones et autres propulsions spatiales). Les unités sont des micropompes électriques qui produisent des densités très élevées, rendues possibles par les moteurs industriels sans balais maxon modifiés pour résister aux vibrations et aux chocs du lancement ainsi qu'aux environnements spatiaux. Les produits de l'entreprise sont ce qui a permis l'augmentation drastique des lancements de CubeSat au cours de la dernière décennie, comme la mission NASA/JPL Lunar Flashlight.

La propulsion par pompe permet de nouvelles opérations spatiales. En incorporant les moteurs plats EC maxon et les moteurs industriels EC à 4 pôles, Flight Works est en mesure de concevoir et de fabriquer ses pompes à propergol de 32 mm, ses pompes à hydrazine de 22 mm et ses pompes cryogéniques LOX/méthane. Ces micropompes permettent aux systèmes de propulsion alimentés par des pompes de fonctionner dans le cadre d'une grande variété de missions, y compris les petits engins spatiaux qui utilisent les pompes pour diverses opérations, notamment la propulsion, la gestion des fluides et le refroidissement des engins spatiaux, ainsi que le ravitaillement en orbite et l'entretien prévu pour une utilisation future dans les opérations de retour sur Mars.

Une autre application où des moteurs industriels semi-customisés ont trouvé leur place dans l'espace est le mécanisme international d'amarrage et d'arrimage (IBDM) utilisé pour amarrer ensemble deux engins spatiaux habités, comme le Dream Chaser qui se connecte à la station spatiale internationale. Des entreprises commerciales intègrent également les moteurs de Maxon dans leurs vaisseaux spatiaux, comme le SpaceX Cargo Dragon qui utilise dix moteurs à courant continu sans balais EC 40 pour faire tourner les panneaux solaires, ouvrir la porte de la baie de navigation et verrouiller le grappin en place.

L'ingéniosité est un test de vol et sera le premier avion à tenter un vol contrôlé sur une autre planète. (Photo avec l'aimable autorisation de la NASA)

La technologie pour les missions d'aujourd'hui

La technologie est importante lorsque les conceptions doivent dépasser leurs limites pour offrir une plus grande précision tout en fonctionnant dans des environnements difficiles - avec une exigence de non-faillite. Les conceptions semi-personnalisées et personnalisées peuvent apporter des modifications mineures pour faire d'énormes différences de capacités.

Maintenant, en route vers Mars, la mission Mars 2020 (système de manipulation et de mise en cache d'échantillons) de la NASA/JPL, va déployer un rover similaire à Curiosity mais avec un ensemble d'instruments plus grand et plus robuste. Son but est de collecter et d'analyser des échantillons, de sélectionner les meilleurs et de les déposer sur la surface de Mars. Un autre rover sera ensuite envoyé pour collecter les échantillons et les ramener sur Terre à une date ultérieure. Les moteurs à courant continu sans balais de Maxon ont été personnalisés et sont utilisés pour manipuler les précieux échantillons de Mars, y compris le mandrin de la tête de forage qui prélève l'échantillon de sol. L'échantillon est ensuite déplacé dans un carrousel sur le rover, où l'échantillon est reçu. Un moteur maxon est également utilisé dans le petit bras robotique qui déplace l'échantillon vers les stations pour l'inspection visuelle, le scellage et le dépôt.

Comme les missions expérimentales précédentes, la charge utile de la mission Mars 2020 comprend quelque chose de jamais essayé auparavant : le premier hélicoptère, Ingenuity. Il s'agit d'une pratique peu coûteuse visant à vérifier si l'hélicoptère peut fonctionner dans l'atmosphère martienne. C'est l'une des missions les plus révolutionnaires à ce jour. Ingenuity intègre six moteurs à courant continu à balais (DCX 10S comme actionneurs de plateau cyclique pour ajuster le pas des rotors), ce qui permet de diriger Ingenuity. Comme deux rotors sont incorporés dans l'hélicoptère, trois moteurs sont utilisés pour chaque rotor, soit un total de six moteurs. Les moteurs ressemblent beaucoup aux moteurs industriels standard mais comportent des modifications internes pour supporter les chocs et les vibrations du voyage, ainsi que le fonctionnement dans l'atmosphère martienne à basse pression.

Alors que nous explorons notre système solaire pour les années à venir, c'est un avantage de savoir que des composants industrialisés standard peuvent être incorporés dans les vaisseaux spatiaux, les rovers et les équipements analytiques qui nous y conduiront. Avec des modifications mineures, des composants essentiels tels que les moteurs et les boîtes de vitesse aident les scientifiques à se projeter dans l'avenir pour explorer d'autres lunes et d'autres planètes. Tirer les leçons de chaque mission et appliquer des concepts similaires à l'industrie en général a contribué à faire progresser la conception des moteurs au cours des dernières décennies. L'avancement technologique est un processus de réflexion par lequel les concepteurs se demandent continuellement "Que peut-on faire de plus ? Lorsqu'elles s'adaptent à de nouveaux environnements exigeant des niveaux de capacités plus élevés, les entreprises peuvent être assurées que non seulement elles resteront en tête, mais que leurs produits standard évolueront également.

 

En savoir plus ?

Découvrez dans notre Livre Blanc les exigences auxquelles nos produits doivent répondre pour Mars2020 co-écrit avec JPL (Jet Propulsion Laboratory)

Téléchargeable gratuitement ici.

Youtube

Revivez le webinaire "Comment l'innovation des moteurs maxon sur Mars booste l’électrification des avions sur Terre ?" Virtual Aerospace Show 2021 -Michael Niemaz

Revivez le webinaire "Comment l'innovation des moteurs maxon sur Mars booste l’électrification des avions sur Terre ?" Virtual Aerospace Show 2021 -Michael Niemaz
Play Video