Capteurs MEDLI2 : données critiques pendant l'atterrissage de Perseverance sur Mars

« Tango delta. Atterrissage confirmé. Perseverance en sécurité sur la surface de Mars, prêt à commencer la recherche de signes de vie passée. » Pendant plus de six ans, l'équipe de l'instrumentation d'entrée, de descente et d'atterrissage 2 (MEDLI2) a attendu d'entendre ces mots.

Le rover Perseverance de la NASA a atterri avec succès le 18 février 2021, débutant son exploration robotique de la Planète Rouge. MEDLI2 était l'une des technologies cruciales sur l'aéroshell protecteur du rover qui a aidé à documenter l'entrée, la descente et l'atterrissage (EDL) de l'engin spatial. Toutes les données MEDLI2 ont été stockées sur Perseverance pour transmission vers la Terre après un atterrissage réussi.

Rôle de MEDLI2

Le rôle de MEDLI2 était de collecter des données critiques sur l'environnement hostile pendant l'entrée de Perseverance dans l'atmosphère de la planète. Il comprenait trois types de capteurs — thermocouples, capteurs de flux thermique et transducteurs de pression — qui mesuraient la chaleur et la pression extrêmes pendant l'entrée. Il contenait aussi l'électronique et le matériel pour enregistrer les charges thermiques et de pression vécues pendant l'entrée et le déploiement du parachute.

MEDLI2 a utilisé ses mesures pour déterminer le chauffage et les forces atmosphériques sur le bouclier thermique et la coque arrière. Ensemble, ces deux composants forment l'aéroshell, qui abritait et protégeait le rover Perseverance pendant la croisière vers Mars et l'EDL.

Chronologie de l'atterrissage

MEDLI2 a été mis sous tension cinq heures avant les « Sept minutes de terreur » — la descente finale de sept minutes vers Mars. Cela a donné le temps à l'électronique de MEDLI2 de stabiliser sa température et de mesurer les conditions initiales avant l'entrée. Après que l'équipe a reçu l'indication que MEDLI2 était activé avec succès, ils ont continué à surveiller les données entrantes pendant la phase de croisière de cinq heures avant l'entrée.

La majorité des capteurs MEDLI2 et l'électronique principale étaient montés sur le bouclier thermique Mars 2020. Environ 10 secondes après le déploiement du parachute supersonique, MEDLI2 a été mis hors tension pour la dernière fois, son travail étant accompli. Comme il est critique que le bouclier thermique soit séparé pour permettre l'extraction du rover Perseverance du véhicule d'entrée, il était requis que MEDLI2 soit éteint quelques secondes avant la séparation pour prévenir tout problème d'alimentation électrique. Le harnais connectant le bouclier thermique et la coque arrière a alors été coupé par le tir d'un pyrocoupeur, et le bouclier thermique a été largué.

Perseverance a renvoyé des « données d'événements critiques » en temps réel pendant l'EDL. Cela incluait un sous-ensemble des données MEDLI2, permettant d'observer ce que le véhicule d'entrée vivait au moment où cela se passait. Trois jours après l'atterrissage réussi de Perseverance, les données MEDLI2 restantes ont été transmises vers la Terre, et la prochaine phase du projet a commencé : analyse de données et reconstruction de performance.

Résultats clés

« Les données retournées sont fascinantes. C'est comme avoir une vue d'oiseau de ce qui arrive à l'aéroshell alors qu'il vole dans les cieux martiens. Les signaux des capteurs MEDLI2 sont si clairs qu'on a pu immédiatement identifier des phénomènes intéressants et des événements cruciaux » a déclaré Todd White, investigateur principal MEDLI2 au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley californienne.

Les données collectées par MEDLI2 fournissent aussi des mesures utilisées pour déterminer les propriétés de l'atmosphère traversée par le véhicule d'entrée Mars 2020. MEDLI2 fournit des données d'observation EDL essentielles pour comprendre quelle marge restait sur l'entrée de Perseverance, avec des données qui seront utilisées pour améliorer les modèles de prédiction et outils pour les futures missions.

Les températures d'isolation du bouclier thermique enregistrées pendant toute la phase d'entrée étaient cohérentes avec les prédictions d'entrée. La température maximale mesurée dans le bouclier thermique pendant l'entrée était de 1830 °F (1000 °C). Cela correspond à une température externe maximale estimée du bouclier thermique d'environ 2550 °F (1400 °C).

MEDLI2 a aussi utilisé ses thermocouples intégrés pour déterminer combien d'isolation protectrice du bouclier thermique a pu brûler ou s'abler. Tous les thermocouples ont survécu à l'impulsion de chauffage d'entrée, indiquant que l'ablation du bouclier thermique était très faible. Cette observation pourrait être utilisée pour réévaluer la quantité d'isolation nécessaire sur un bouclier thermique pour potentiellement réduire la masse globale du véhicule d'entrée.

Les pressions de surface ont aussi été mesurées pendant la même phase avec la pression de surface maximale du bouclier thermique correspondant aux prédictions d'entrée de l'équipe. MEDLI2 a sélectionné différents capteurs pour capturer avec précision différents régimes de vol. Un capteur couvrait la gamme complète des pressions de surface maximales. Les six autres mesures de pression du bouclier thermique avaient une gamme pour capturer plus précisément les conditions pendant le régime de vol supersonique (d'environ cinq fois la vitesse du son sur Mars jusqu'au déploiement du parachute supersonique). Ces capteurs, combinés avec les mesures inertielles embarquées, ont permis un aperçu supplémentaire sur la performance du véhicule d'entrée quand les impacts des variations de densité atmosphérique et des vents étaient plus prononcés. Les données de pression MEDLI2 seront utilisées pour améliorer l'approche de modélisation pour les futures missions EDL.

MEDLI2 incluait des capteurs sur la coque arrière du véhicule d'entrée Mars 2020, une zone qui jusqu'ici avait des observations limitées. Pression de surface, température d'isolation et mesures de chauffage direct de surface composaient la suite de capteurs de la coque arrière. La connaissance de la pression de surface à l'arrière du véhicule d'entrée contribue à réduire la taille de l'empreinte d'atterrissage. Les données de température d'isolation de la coque arrière étaient dans les prédictions initiales, ce qui peut réduire l'incertitude de modélisation. Comme pour l'isolation du bouclier thermique, comprendre la performance de l'isolation de la coque arrière pourrait mener à une réduction de la masse d'isolation de la coque arrière. Les mesures de chauffage direct de surface de la coque arrière contribuent aussi à réduire l'incertitude dans les modèles prédictifs.

Les données MEDLI2 incluaient aussi une gamme de mesures « de maintenance ». Celles-ci incluaient un certain nombre de mesures de température de compensation de capteurs scientifiques critiques. Une grande partie de ces données de maintenance est aussi d'un vif intérêt pour l'équipe Mars 2020 pour aider leurs propres efforts de reconstruction EDL. Une partie des mesures de maintenance incluait des capteurs internes à l'électronique de support MEDLI2 (tensions, températures internes, battement de cœur/horloge MEDLI2, etc.).

L'équipe MEDLI2 continuera d'analyser les données pendant les six prochains mois, affinant la compréhension de la NASA de l'atmosphère martienne, des conditions extrêmes d'entrée, et de la façon dont l'aéroshell Mars 2020 a protégé le rover. Ces leçons seront immédiatement utiles pour les prochaines missions vers Mars, et même vers Titan.