Un bref historique nous permet de resituer les « première fois où » des aéronefs ont approché l’atmosphère martienne :

• en 1960, une sonde américaine (Mariner 4) survole Mars,
• en 1971, les orbiteurs soviétiques (Mars 2 et Mars 3) sont mis en orbite autour de la planète rouge. L’atterrisseur embarqué dans Mars 2 s’écrase mais celui embarqué dans Mars 3 réussit le premier « amarsissage » de l’histoire. A cette occasion, le premier Rover humain parcourt quelques mètres sur le sol martien,
• en 2004 la sonde Rosetta (Union Européenne) utilise Mars pour une assistance gravitationnelle lors de son voyage vers la comète Tchoumi.

Et donc en avril 2021, le décollage et l’atterrissage de l’hélicoptère (Ingenuity) de reconnaissance a été conduit avec succès. Comme nous l’avons dit précédemment, cela constitue un défi ! En effet, tout hélicoptère s’élève grâce à la portance créée par le déplacement de ses pales. Or la densité de l’atmosphère a proximité du sol martien (0,015 kg/m³) est égale à celle de notre atmosphère terrestre à des altitudes ou aucun hélicoptère n’a jamais volé. La masse volumique de l’air terrestre est de 1,22 kg/m3 au niveau de la mer et de 0,3 kg/m³ à 12500 m d’altitude.

Description de l’aéronef.

Sa masse de 1,8 kg le fait ressembler à un gros drone qui peut se recharger en énergie grâce à ses capteurs solaires. Il est adapté au vol martien dans la mesure où son électronique et ses systèmes peuvent supporter les amplitudes thermiques importantes, ainsi que la très faible pression atmosphérique.

Comme tout hélicoptère, il possède deux rotors. Mais la forme la plus commune de l’hélicoptère dispose d’un rotor principal et d’un rotor anticouple placé au bout le la queue de l’appareil. Ici, les deux rotors sont placés l’un en dessus de l’autre. Ils tournent en sens inverse l’un de l’autre (le terme exact est « contrarotatif »), ce qui permet donc de se passer de la nécessité d’avoir un rotor anti-couple. Cela consommerait de l’énergie uniquement pour stabiliser mais pas pour porter l’appareil.

Or il apparait que la problématique principale à laquelle ont du répondre les ingénieurs de la NASA, est la création d’une portance suffisante dans un gaz de très faible densité et avec une quantité d’énergie limitée. Mais sont-ils les inventeurs de cette formule de double rotor ? Et bien non. ils se sont inspiré de machines déja existantes, comme celles popularisées par le constructeur russe Kamov dans les années 1950.

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Un peu de physique

Observons maintenant les pales de ces eux rotors. Leur forme est également pensée pour générer une portance suffisante sur Mars. On voit que :

• leur allongement est très inférieur à celui des pales d’un hélicoptère commun.
• leur surface portante est supérieure à celle des hélicoptères que l’on connait sur Terre.
• leur angle de calage (inclinaison des pales par rapport à l’air relatif) montre qu’elles fonctionnent avec une forte incidence.

Pour comprendre ces choix, un petit coup d’œil sur notre formule de portance suffit à nous faire voir que la raison principale de ces choix est la recherche d’une portance suffisante en compensation de la faible densité.

On peut ajouter à cela la vitesse de rotation du rotor qui peut approcher les 3000 tours/min (contre 300 pour un hélicoptère terrestre).

La masse volumique ρ du fluide est toute petite. En compensation, la surface portante S est augmentée, ainsi que la vitesse v ainsi que le Cz, au travers de l’augmentation d’incidence. On remarque que, le facteur vitesse apparaissant au carré, une multiplication par 10 de la vitesse des pâles induit une multiplication par 100 de la portance Rz.