Pour que tout se passe bien sur la planète rouge

L'industrie suisse des machines jouit d'une excellente réputation internationale - comme elle l'a toujours fait. Lorsqu'il s'agit de précision et d'applications de niche, les produits des fabricants suisses sont utilisés à maintes reprises. À cet égard, la société maxon de Sachseln OW, par exemple, a acquis une réputation mondiale. Cette entreprise fabrique de petits moteurs électriques, qui ont été fournis à plusieurs reprises à la NASA. Les moteurs à courant continu de maxon ont été utilisés dans presque toutes les missions de robots sur Mars - selon la société, il y a plus de 100 moteurs à ce jour. Et ce n'est pas tout : dès son arrivée sur la planète rouge en février 2021, un nouveau rover appelé "Persévérance" collectera des échantillons de sol qui seront ensuite examinés plus en détail sur Terre. Un drone d'hélicoptère appelé "Ingenuity" sera également une première. Ce sera le premier "vrai" objet volant sur Mars.

La longue route vers des moteurs "commercialisables

Les moteurs de maxon jouent un rôle clé dans la réussite de la mission vers Mars. D'une part, ils sont responsables du mouvement du bras robotique du rover. Les mécanismes de fermeture des récipients d'échantillons sont également actionnés par des moteurs à courant continu sans balais de ce fabricant. Pour leur développement et leur modification, une équipe de maxon a travaillé avec des spécialistes du Jet Propulsion Laboratory (JPL). Les moteurs de maxon sont également utilisés dans l'hélicoptère, mais ils nécessitent moins de modifications.

Les moteurs utilisés dans le Rover sont les types EC 20 plat et EC 32 plat de la famille de produits "moteur plat", utilisés dans de nombreuses applications industrielles. Ils ont une conception globale rentable qui fournit un couple élevé et - grâce au rotor externe - permet un excellent refroidissement par convection et donc une puissance continue élevée dans les conditions sur Terre. Les conditions sur Mars, cependant, sont très différentes. Quelles sont donc les exigences auxquelles doivent répondre les moteurs utilisés et qu'a-t-on fait pour que leur fonctionnalité reste garantie même là, dans l'environnement hostile de la planète rouge avec ses fortes variations de température et ses violentes tempêtes de sable ? Cet article donne un petit aperçu du travail de développement et de test approfondi, au cours duquel de nombreux détails ont dû être pris en compte.

Modifications du modèle de série

Heureusement, Maxon a pu s'appuyer sur l'expérience acquise lors de précédentes missions sur Mars. Néanmoins, diverses modifications ont dû être apportées une fois de plus, d'autant plus que le rover s'aventure dans de nouveaux domaines d'application. Ces modifications comprenaient à la fois des ajustements de conception et l'utilisation de matériaux de substitution. Par exemple, contrairement aux modèles de série, le FR4 a été utilisé comme matériau de la carte de circuit imprimé, un matériau qui est aussi couramment utilisé dans d'autres missions spatiales. Il dégage moins de gaz et est assez robuste pour supporter les capteurs Hall nécessaires au système de contrôle dans un environnement très vibrant. Il répond également aux exigences de la directive technique IPC-A-600 Classe 3 pour les cartes de circuits imprimés et aux tests requis par le JPL. Toute l'architecture du moteur a été modifiée afin que l'ensemble du système ne change pas même en cas de choc violent, c'est-à-dire que les différentes parties ne se déplacent pas en cas de choc ou de vibration. Un ressort plus robuste avec des rondelles d'extrémité assure une meilleure répartition des forces.

Les tests de pyrochocs montrent les limites de la résilience

Les moteurs doivent également répondre aux exigences mécaniques les plus élevées et avoir été testés en conséquence. Un test couramment utilisé dans la technologie spatiale est le test dit du "pyroshock". Cela implique de tester les composants pour voir s'ils peuvent résister aux contraintes qui se produisent, par exemple, lors d'allumages pyrotechniques (comme la séparation d'un étage de fusée ; des allumages pyrotechniques similaires se produisent également, par exemple, lors du déclenchement d'airbags). L'objet de test est excité pour osciller par une impulsion courte et très forte. Ces impulsions sont générées par des dispositifs de pose de boulons ou des marteaux de chute ou de pendule. Bien entendu, ces essais de pyrochocs sont validés et comprennent les normes ECSS-EST-10-03C Space Engineering - Testing, MIL- STD-810 G Environmental Test Methods ainsi que NASA-STD-7003 Pyroshock Test Criteria.

Le moteur plat EC 32 de maxon a également été testé par le JPL selon ces critères. Il a été soumis à une force de 3000 g (3000 fois l'accélération due à la gravité) à une fréquence d'oscillation de 1600 Hz. Après l'essai, le moteur a été examiné. Pendant le fonctionnement, un bruit semblable à celui d'un moulin à café était audible. D'un point de vue purement externe, le moteur semblait toutefois intact, et un examen tomographique par ordinateur n'a pas non plus révélé de dommages discernables sur la structure. D'autres tests, notamment une analyse de fréquence du bruit du moteur et un examen de l'arbre rotatif, ont révélé que les roulements du moteur étaient légèrement endommagés. Que faire alors ? Une nouvelle conception du moteur aurait pris trop de temps. Il a donc été décidé de l'installer de toute façon, à un endroit où la charge du pyrochoc était présente, mais où l'"effet moulin à café" ne s'est pas avéré préjudiciable.

La question du contrôle de la température

Un autre défi des moteurs électriques est la production de chaleur, déclenchée par la résistance électrique dans les enroulements. Contrairement aux moteurs utilisés précédemment dans les missions martiennes, il était cette fois possible de se passer de l'installation d'un thermomètre à résistance de platine, qui aurait déclenché un arrêt d'urgence en cas de surchauffe imminente. Grâce à la conception avec un rotor externe, le danger de surchauffe du boîtier a pu être minimisé. L'installation d'un thermocouple directement dans les enroulements pourrait être envisagée ultérieurement. Couplé au tableau de commande, cela permettrait également de déclencher une alarme de température et un arrêt d'urgence.

Le langage de la recherche - et de l'industrie

maxon a finalement pu livrer 99 moteurs plats EC 32 et 40 moteurs plats EC 20 au JPL - dans chaque cas plus que ce qui était réellement nécessaire pour l'installation dans le rover. Le JPL a ainsi pu sélectionner les moteurs les plus puissants et stocker le surplus pour des missions ultérieures. Le développement des moteurs pour la nouvelle mission sur Mars a une fois de plus montré comment les entreprises industrielles du secteur privé peuvent collaborer avec des organisations purement scientifiques financées par le gouvernement, comme le JPL. Après tout, les questions relatives aux subtilités techniques, bien qu'elles intéressent les chercheurs parce qu'elles peuvent déterminer le succès ou l'échec d'une mission spatiale coûteuse, sont souvent peu pertinentes dans un contexte commercial. Cependant, comme le déclarent le JPL et maxon, ils ont une fois de plus pu apprendre et tirer beaucoup de profit l'un de l'autre dans le cadre de ce prestigieux projet. Nous ne pouvons qu'espérer que le travail commun portera également ses fruits dans la réussite de la mission Mars.