Des moteurs swiss made sur Ingenuity, l'hélicoptère martien de la NASA Des petits moteurs suisses sur Mars

Auteur: Marina Hofstetter

Les démonstrateurs technologiques font partie intégrante des missions spatiales, même si leurs objectifs sont différents. Dans une vision à long terme, ils permettent de valider l'utilisation de nouvelles techniques d'exploration pour les prochaines missions spatiales. C'est le cas d'Ingenuity, l'hélicoptère martien de la NASA, dont les moteurs du plateau cyclique ont été fabriqués par maxon à Sachseln (OW). Florbela Costa, responsable des projets spatiaux chez maxon, nous en apprend plus sur ce développement.

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Ingenuity sur Mars. On aperçoit très bien les moteurs développés spécialement pour l'hélicoptère par maxon.
Ingenuity sur Mars. On aperçoit très bien les moteurs développés spécialement pour l'hélicoptère par maxon.
(Source : NASA)

Quel était votre état d'esprit au moment du déploiement d'Ingenuity ?

F. Costa : J'étais évidemment ravie une fois le déploiement et le premier vol effectués avec succès ! J'étais globalement sereine, et la pointe de nervosité était plus liée à de l'excitation que de l'inquiétude. J'étais curieuse de savoir comment ça allait se passer, mais j'avais confiance en l'expérience de la NASA en matière de robotique spatiale. Et puis surtout, je n'avais aucun doute concernant nos moteurs. Les tests que nous effectuons sur nos produits destinés aux missions spatiales nous permettent de certifier que nos moteurs sont aptes à être opérés une fois dans l'espace.

Pouvez-vous nous en dire plus sur le rôle de ces moteurs ?

F. Costa : Nous avons développé et fabriqué les 6 moteurs de contrôle du plateau cyclique, un pour chaque axe des deux pales. Ce sont ces moteurs qui permettent de piloter l'hélicoptère en transmettant aux pales des rotors les ordres de pilotage. Ce sont donc des éléments essentiels au pilotage de tout hélicoptère, aussi petit soit-il !

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En quoi ces moteurs sont-ils différents des moteurs de votre catalogue ?

F. Costa : Pour tout projet, nous partons du besoin en puissance. Cela définit la taille du moteur à utiliser, dans ce cas le DCX10, un moteur à balais d'un diamètre de 10 millimètres. Les moteurs d'Ingenuity sont donc basés sur le DCX10 de notre catalogue : même diamètre, même aimant, même principe de fonctionnement à l'intérieur. L'enveloppe est en acier inoxydable. Le bobinage tout comme les roulements à bille font également partie de notre gamme standard, mais le lubrifiant utilisé est certifié pour le domaine spatial.

Les moteurs ont ensuite été renforcés pour faire face aux différents environnements de la mission. Nous avions déjà développé pour Exomars (mission de l'ESA, Agence Spatiale Européenne, ndlr) des moteurs basés sur le DCX10, ce qui nous a servi de base. Les câbles classiques ont été remplacés par des câbles certifiés ESCC. Certains composants, en plastique sur le modèle du catalogue, ont été fabriqués en métal et soudés pour éviter un déplacement à cause des vibrations et chocs dus au lancement. Nous avions en outre des spécificités bien particulières pour ce projet : en général, les moteurs sont « cachés » dans un boitier, mais sur Ingenuity, une partie des moteurs est en contact direct avec l'atmosphère martienne. L'interface client exige que le pignon et le câblage, qui normalement se trouvent chacun d'un côté du moteur, devaient être positionnés ensemble, du même côté. Pour l'extrémité opposée, celle exposée, nous avons dû développer une pièce personnalisée appelée protection anti-poussière.

Avez-vous également fourni le système de contrôle des moteurs ?

F. Costa : Le système de contrôle des moteurs était à la charge de notre client, l'entreprise AeroVironment. C'est elle qui était en contrat direct avec le NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). Notre mandat couvrait uniquement la fabrication des moteurs. Nous avons donc travaillé ensemble à la compatibilité de nos moteurs avec leur système de contrôle. De notre côté, le seul élément ajustable en termes de contrôle est le bobinage. Nous pouvons le modifier, notamment en épaisseur, afin de l'adapter aux besoins d'utilisation.

maxon a déjà fourni plusieurs moteurs pour des projets d'exploration spatiale : en quoi ce projet était-il différent ?

F. Costa : Le principal défi auquel nous avons dû faire face était celui du poids. Dans les précédents projets, nous n'avions pas été confronté à des besoins aussi importants. La pression atmosphérique martienne est d'à peine 1 % de la pression atmosphérique terrestre, et plus l'appareil est lourd, plus il lui sera difficile de voler. La version personnalisée du DCX10 pèse environ 7 grammes, elle a été optimisée pour un minimum de poids sans compromettre l'intégrité du moteur en termes de résistance mécanique, aux chocs et aux variations de température.

La taille du moteur étant directement liée à la puissance disponible, sur quelles autres caractéristiques avez-vous pu travailler pour réduire le poids ?

F. Costa : Nous n'avions que peu de possibilités d'optimisation : nous pouvions essayer d'optimiser soit les pièces internes, soit les pièces spécifiques au projet, comme la protection anti-poussière. Cette petite pièce a été redessinée 3 fois avant d'obtenir la version de vol, plus légère de seulement quelques centaines de milligrammes.

Où ont été produits ces moteurs spécifiques ?

F. Costa : Nous disposons ici à Sachseln d'une ligne de production spéciale, dédiée aux projets spatiaux et aux prototypes des autres secteurs dans lesquels maxon opère, comme par exemple l'industrie médicale. Les collaborateurs sont spécialisés et qualifiés pour ce type de projet. Nous avons une salle blanche ISO 8 dans laquelle nous effectuons certaines étapes de production comme l'application de revêtement, par exemple sur les balais du DCX10. D'autres étapes comme le soudage doivent être faites à l'extérieur de la salle blanche. Notre ligne de production spéciale est bien plus flexible que nos autres lignes de production classiques. Cela est dû au fait que nous devons être capables d'y produire toutes tailles de moteurs. Certains outils très spécifiques pour la fabrication de sous-ensemble ne sont cependant disponibles que sur certaines chaînes de production, nous contrôlons alors avec précision ces sous-ensembles quand nous les recevons. L'un des sous-ensembles des moteurs d'Ingenuity a été fabriqué sur notre site de production en Hongrie, le reste a été fait ici, en Suisse, tout comme le développement et les tests.

À quels types de tests ont été soumis les moteurs d'Ingenuity ?

F. Costa : Le développement du projet s'est déroulé en deux phases. Nous avons tout d'abord produit des modèles d'ingénierie qui ont également servi de modèles de qualification. Ces modèles ont subi tous les tests nécessaires à la validation d'un projet spatial : test de vibration, test de chocs, tests sous vide et thermique. Ainsi nous avons pu certifier que les moteurs étaient aptes à survivre au lancement, aux 6 mois de voyage sous vide, à l'atterrissage, et aptes à effectuer leur mission sur place. Une fois les modèles de qualification validés, nous avons pu passer à la production des modèles de vol, qui ont eux aussi été testés mais pas aussi intensément que les modèles d'ingénierie. Les moteurs ont été testés seuls, attachés par le pignon. Ils sont si légers que nous n'avons pas eu besoin d'une structure particulière pour les soutenir. Nous avons également reçu l'interface mécanique du boitier de contrôle de la part du client, afin de tester les contraintes à l'interface. Nous avons effectué tous les tests dans nos locaux, nous sommes équipés pour : pot vibrant, chambre à vide, … le seul test que nous n'aurions pas été capable de faire ici, mais qui n'était pas nécessaire pour ce projet, est le test de radiations.

Au niveau thermique par exemple, à quoi avez-vous du prêter attention ?

F. Costa : En ce qui concerne la survie à l'environnement martien, nous avons testé les moteurs sur la gamme de températures de – 120 °C à + 50 °C. De manière générale, nous avons du être particulièrement attentifs à la quantité de chaleur produite par le moteur. Sur Terre, l'air ambiant va refroidir le moteur, ce n'est pas le cas sur Mars car l'atmosphère est trop tenue. Cela signifie que le moteur va atteindre plus rapidement sa température critique de fonctionnement. En ce qui concerne le DCX10, le bobinage commencera à se dégrader à partir d'une température de 100 degrés. Nous avons testé nos moteurs en laboratoire sous les conditions atmosphériques martiennes afin de pouvoir définir leur durée de fonctionnement maximale en fonction des plans de vol du client. Au-delà de cette limite, le vol doit être interrompu sous peine de porter atteinte à l'intégrité des moteurs.

La maintenance de vos moteurs est impossible sur un tel projet, comment prenez-vous ce point en compte ?

F. Costa : En effet, les moteurs que nous vendons pour les projets d'exploration spatiale ne peuvent pas être remplacés une fois la mission partie ! Nous devons donc nous assurer qu'ils sont aptes à fonctionner pour le temps ou le nombre d'utilisations requis par le client. Dans le cas d'Ingenuity, la mission initiale était constituée de 5 vols sur 30 jours, ce qui constituait pour nous le besoin opérationnel de base.

Une fois ces 5 vols effectués, nous avons été contactés par AeroVironment et NASA JPL afin de savoir dans quelle mesure nos moteurs pouvaient encore être utilisés. En accord avec leurs nouveaux plans de mission, nous avons utilisé notre chambre à vide pour effectuer des tests additionnels de résistance thermique sur les modèles d'ingénierie que nous avions toujours à disposition, et avons pu leur confirmer que nos moteurs étaient en mesure de continuer à fonctionner selon leurs nouveaux besoins. Et Ingenuity a désormais effectué 8 vols, soit trois vols supplémentaires !

Pouvez-vous estimer exactement le nombre de vols que vos moteurs peuvent endurer ?

F. Costa : Nous ne pouvons pas l'estimer de manière précise, non. Même dans le cas plus classique d'une application terrestre, c'est difficile. Cela va dépendre de la manière dont les moteurs sont utilisés. Nous pouvons cependant estimer la durée de vie minimale lors d'une utilisation nominale de nos produits. Dans le cas présent, la NASA souhaite utiliser l'hélicoptère jusqu'à la fin du mois d'août. Ensuite, l'hiver martien commencera, et les panneaux solaires d'Ingenuity ne seront plus en mesure de fournir l'énergie nécessaire à sa survie. Il va donc geler, et sa mission se terminera d'elle-même.

Que se passerait-il si vos moteurs avaient un problème ?

F. Costa : Ingenuity n'a aucune redondance, ces moteurs sont des points de défaillance unique. Dès l'instant où ils ne fonctionnent plus, la mission est terminée. Mais l'hélicoptère est un démonstrateur technologique, son rôle n'est donc pas aussi important que celui du rover. Une défaillance sur Perseverance et ce sont toutes les missions scientifiques qui sont perdues. Le but d'Ingenuity était de démontrer qu'on pouvait voler sur Mars. C'est fait ! On peut être quasiment sûrs que les prochaines missions martiennes emporteront des engins volants pour l'assistance aux missions au sol des rovers.

Il y a eu une anomalie sur le cinquième vol : à quoi était-elle due ?

F. Costa : Pas à nos moteurs ! (rires) Si je me souviens bien, l'anomalie était liée à un problème de software, pas de hardware.

Ingenuity est un démonstrateur technologique : quelles différences cela a-t-il eu sur le développement des moteurs ?

F. Costa : Dans le cas d'un démonstrateur technologique, les exigences, principalement en termes de contrôle qualité, sont moins strictes que pour les développements spatiaux classiques, mais néanmoins plus que pour nos développements industriels standards. Si le rôle des moteurs avait été plus critique, comme c'est le cas pour les moteurs que nous développons pour les rovers, nous aurions été dans l'obligation d'ajouter à notre processus de nombreuses étapes de contrôle et de fournir bien plus de documentation, du développement aux étapes de tests. Mais la technologie et la qualité du produit fourni est la même.

Quels avantages tirez-vous du développement de moteurs pour le spatial ? Peuvent-ils être utilisés pour d'autres applications ?

F. Costa : Nous travaillons actuellement sur un projet interne de création d'un catalogue « spatial », qui regroupe justement tous nos développements. Le but est d'avoir un pendant « high tech » à notre catalogue de base. Ce catalogue permettra aux clients qui le souhaitent d'avoir accès à des moteurs de très haute qualité et de très grande résistance sans avoir à payer le prix d'un développement complet. Ce type de produit peut être particulièrement intéressant pour l'industrie médicale, qui représente plus de 50 % des ventes de maxon, ainsi que pour l'industrie spatiale commerciale, en plein expansion. Ce catalogue leur proposera donc des produits hauts de gamme à un prix certes plus élevés que ceux du catalogue de base, mais qui représente une très bonne alternative à une étude personnalisée de A à Z, si tant est qu'aucune personnalisation n'est nécessaire. Et si tel est le cas, ce sera malgré tout financièrement intéressant.

Nous savons donc maintenant faire voler des engins sur Mars, que pensez-vous de l'exploration humaine de la planète rouge ?

F. Costa : Je ne suis pas contre des vacances là-bas, tant que je suis sûre de pouvoir revenir ! Plus sérieusement, je pense que nous arriverons à cette étape d'exploration, j'espère juste être encore en vie pour le voir.

MSM

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À propos de l'auteur

 Marina Hofstetter

Marina Hofstetter

Rédactrice, Vogel Communications Group AG