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Les Drones d'accès extrêmes, "Extreme access flyers" en anglais, sont des robots volants autonomes destinés à la recherche et à la prospection des surfaces extra-terrestres. Ils sont conçus pour résister aux conditions extrêmes des environnements spatiaux et pour opérer dans des milieux avec ou sans atmosphère de manière autonome.

A prototype built to test Extreme Access Flyer systems in different environments.

Ce sont les avancés significatives en matière de contrôle, de guidage, de lasers et de cartographie au cours des dernières années qui ont poussées des équipes de la NASA à initier le développements de ces nouveaux appareils d'exploration et de prospection. Les enjeux de coûts et faisabilité, principales freins au prototypage de drones spatiaux, sont désormais moindres grâce aux progrès technologiques récents, particulièrement en matière d'impressions 3D, et à la popularisation des drones sur le marché résultant à une plus grande accessibilité aux pièces et aux composantes associées.

Applications

Les drones d’accès extrêmes ont pour objectif de pallier aux limitations actuelles de la prospection extra-terrestre et de paver la voie à des missions habitées. L’enjeu est de permettre la collecte et l’analyse d’échantillons provenant d’emplacements actuellement inaccessibles par voies traditionnelles. En effet, les rovers ont une portée restreinte et sont incapables d’explorer les reliefs plus prononcés et conséquemment les cratères, crevaces et sommets et sont aussi inapte à se déplacer dans des environnements sans gravité. Tandis que les outils d’observation orbitaux et extra-orbitaux sont limités dans leur capacité d’analyse des sols ainsi que dans leur vision des espaces constamment dans l’obscurité ou couvert par d’autres éléments du relief. De plus, les structures sous-terraines ou caverneuses sont actuellement inatteignables.

Mars

L’objectif le plus imminent pour l’équipe de Swamp Work est la planète Mars. Actuellement, l’étude de la planète rouge s’articule autour des missions de rovers, tel que Curiosity dont la mission à été prolongée indéfiniment, ainsi qu’autour de dizaines de vaisseaux, d’orbiteurs, sondes envoyées sur Mars par différentes nations au fil des décennies.

Cependant, la surface de Mars est caractérisée par de forts reliefs, des volcans, des canyons, des trous, des cavernes, etc. Plusieurs cratères présentent des pentes de plus de 30 degrés ce qui est impraticables pour les rovers. Les drones d’accès extrême sont conçus pour accéder, entre autres, à ces lieux d’impacts afin de collecter des échantillons de sols et permettre l’analyse de la composition de ces derniers ainsi que l'évaluation rapide des effets des radiations. Cette analyse est centrale pour permettre l’intensification des missions et la colonisation de Mars. Comme le mentionne Rob Mueller, scientifique senior chez Swamp Works, “The first step in being able to use resources on Mars or an asteroid is to find out where the resources are. They are most likely in hard-to-access areas where there is permanent shadow”. L’enjeu des ressources disponibles et de leur accessibilité est crucial pour toute mission prolongée puisque ces dernières requièrent une autosuffisance partielle ou totale qui repose inévitablement sur les ressources locales.  Par ailleurs, les drones d’accès extrêmes seraient en mesure d’explorer les tunnels de lave volcanique (ayant des diamètres parfois supérieurs à 10 mètres) et d’identifier des emplacements stratégiques pour protéger les astronautes des aléas climatiques martiens ainsi que des radiations omniprésentes à la surface. Autrement, les robots volants peuvent aussi jouer un rôle de reconnaissance clé pour les missions tels que la planification de trajet des rovers et plus généralement, la sélection et la validation des trajets et déplacements des machines et des astronautes en offrant une perspective aérienne. C’est d’ailleurs à cette fin que le laboratoire californien Jet Propulsion développe actuellement son drone à hélice destiné à la reconnaissance martienne. Ce dernier est auto-suffisant grâce à un panneau solaire et conçu pour opérer pour de courtes durées quotidiennement et se maintenir une température suffisamment élevée la nuit.

Planètes, Lunes et Astéroïdes

Les drones d’accès extrêmes de par leur conception, seront en mesure de naviguer, d’explorer et de prospecter une variété d’astres extra-terrestres. Ces robots étant en mesure d’opérer en l’absence d’atmosphère, avec autonomie et, potentiellement à terme, autosuffisance, ils pourront être déployés systématiquement pour préparer la voie à des missions plus avancées et assister ces dernières. Les astéroides en particulier, des environnements sans gravité, dont on estime le nombre dans le système solaire à plus de 150 millions, sont pour la plupart dans l'obscurité permanente, impraticables et fréquemment riche en ressources.

Terre

Les capacités, la résistance et la mobilité des drones d’accès extrêmes telles qu’actuellement envisagées pourraient avoir des applications sur Terre pour la prospection de localités, de souterrains, et d’autres emplacements actuellement difficilement accessibles ou à grand risque. D’ailleurs, leur conception permettrait à ces drones d’opérer efficacement dans des milieux toxiques ou radioactifs, telle que la centrale Fukushima, pour la collecte, l’analyse et la reconnaissance; les japonais ont d'ailleurs dû développer un appareil pour ce type d'opération.

Développement

Les drones d'accès extrêmes constituent l'un des projets de recherche et de développement du Swamp Works Laboratory de la NASA situé au Kenedy Space Center. Ce sont d'ailleurs les ingénieurs associés qui ont nommés ces drones les "Extreme access flyers".

Swamp Works Laboratory

The Swamp Works lab at Kennedy has large open areas to encourage engineers to work together informally and to help spur creativity.

Ce laboratoire fondée en 2012 par l'agence nationale de l'administration spatiale américaine dans le centre spatial Kennedy est un centre d'innovation et de développement technologique. Elle se distingue par une approche d'ingénierie agressive axé sur le brainstorming et le prototypage rapide, peu couteux et créatif inspirée des Lockheed Martin's Skunk Works. Les scientifiques Jack Fox, chef du bureau des systèmes de surface au centre kennedy, et Rob Mueller, technologiste senior pour les projets de développement avancés, sont les figures instigatrice de Swamp Works. Mueller est, par ailleurs, directement impliqué dans le projet des drones d'accès extrêmes. Ces derniers, constituant une toute nouvelle approche d'exploration et de prospection, s'inscrivent parfaitement dans le cadre opérationnel du laboratoire qui favorise systématiquement les tentatives innovantes afin de surmonter les défis.

Les Swamp works ont pour objectif principal de développer des technologies pionnières visant la vie sur les corps extra-terrestres tels que les planètes, lunes et autres. Actuellement, les projets internes se catégorisent parmi 8 départements:

• Support à la vie avancée
• Physique appliquée
• Matériaux et systèmes avancés
• Chimie appliquée
• Cryogénie
• Méchaniques granulaires et matériaux de surface
• Électrostatique et physique de surface
• Technologies de corrosion

Facteurs

Les surfaces extra-terrestres présentent de nombreux défis pour les ingénieurs. Les conditions y sont largement différentes que sur Terre et sont hostiles pour les équipements et le personnel. De plus, le développement de nouvelles générations de drones adaptés aux conditions les plus extrêmes constituent aussi un défi d'ingénierie complexe, ardu et prolongé qui implique plusieurs phases de prototypage, de recherche et de conception.

Dans le cas de Mars, il s'avère important de considérer, tout d'abord, les facteurs gravitationnels et atmosphériques. En effet, alors que la gravité y est de 3.711 m/s², soit environ 38% de la gravité terrestre, l'atmosphère y est 100 fois moins dense que sur Terre. La conséquence est que pour voler, malgré la gravité réduite, il est nécessaire pour un drone d'avoir des hélices significativement plus grandes et/ou ayant une vitesse de rotation plus grande que les standards terrestres pour compenser la faible densité de l'air. Dans le cas des astéroïdes, l'absence de gravité et d'atmosphère oblige tout drone à posséder un système de propulsion ne nécessitant pas d'atmosphère et ayant une flexibilité de maneouvrabilité omnidirectionelle. Chez Swamp Works, la solution choisi passe par des jets de gaz froids employant de l'oxygène et de la vapeur d'eau pour assurer la propulsion.

Les environnements spatiaux sont aussi directement associés aux radiations cosmiques puissantes pouvant affecter, endommager ou user l'équipement et les composantes du drone. Il en va de même pour les intempéries parfois extrêmes et les variations de températures radicales (entre -140 et 30 degrés celcius sur Mars par exemple). C'est pourquoi les appareils sont conçus en conséquence à l'instar des rovers et satellites.

Un autre facteur à considérer est la nécessité pour les drones d'être autonomes avec leur environnement et leurs déplacements. En effet, les méthodes standards de localisation GPS ne sont pas applicables aux environnements extra-terrestres tout comme les options de contrôle direct sont rendus impossible dû aux délais trop de long de communication avec la Terre. La piste de solution emprunté dans la cas présent est une combinaison de système actuellement disponible sur le marché ainsi que des systèmes de reconnaissance de structures ou d'éléments marquants du décors.

L'enjeu de l'auto-suffisance persiste comme un des défis les plus cruciaux pour la viabilité prolongée des systèmes déployés. La solution solaires et autrement la conversion de ressources locales sont envisagés.

Prototypes

The Asteroid Prospector Flyer prototype in a testing gimbal.

Afin de mettre a l'épreuve les différentes composantes et aspects des drones d'accès extrêmes, plusieurs modèles de tailles variés ont déjà été conçu et testés dans des environnements contrôlés. Parmis ceux-ci, on note tout d'abord un module visant à tester les systèmes et le design pour l'atterissage. Les expérimentations sont réalisés dans l'environnement artificielle conçu pour le module MORPHEUS situé dans le Nord-Est du même complexe que Swamp Works. Il s'agit d'un quadrirotor d'environ 1.5 mètre de d'envergure. Il s'agit du plus imposant prototypes, tous les autres sont significativement plus petits dont l'un de 3m par 3m servant aux tests de contrôle et de logiciel ainsi qu'un modèle, le Asteroid Prospector Flyer, servant au test des systèmes de propulsions et de contrôle en zéro gravité. La firme Honeybee Robotic Spacecraft Mechanisms et l'université d'aéronautique Embry-Riddle ont assistés dans la conception et l'adaptation des systèmes de contrôle et guidage. Ces derniers sont des versions modifiés de systèmes actuellement employés par des drones à usage terrestre.

Alternatives

Certains projets de drones d'exploration planétaires sont aussi en développement ou, tout dumoins, envisagés par d'autres chercheurs, C'est le cas du projet "Arne", un drone sphérique qui serait conçu pour alunir de manière contrôlée et manoeuvrer en cours de descente dans les tunnels volcaniques de la surface lunaire tout en réalisant une batterie de scans. C'est Mark Robinson qui est le principal instigateur de cette "Lunar Reconnaissance Orbiter Camera".

L'ingénieur en chef des systèmes de mobilité et de robotique chez JPL (Jet Propulsion Laboratory), Bob Balaram, dirige pour sa part le développement d'un drone à hélice (1.1 mètres d'envergure et 1kg) conçu pour assister les rovers et participer à l'exploration de mars. Actuellement, les prototypes seraient en mesure de parcourir près de 0.5 km par jour et de se rechargé de manière autonome via un panneau solaire.