maxon Story
Les améliorations des moteurs standard pour explorer l´espace
Personnalisées grâce à une combinaison de moteurs industriels standard et à une collaboration créative, les technologies existantes permettent aujourd'hui à des moteurs de haute précision et à longue durée de vie de se rendre sur Mars et au-delà.
L´environnement martien peut être rude et inadapté aux systèmes conçus pour fonctionner sur Terre: l'atmosphère de Mars est environ 100 fois plus ténue que celle de la Terre, mais reste assez épaisse pour supporter les nuages et les vents. Des tourbillons de poussière géants, constitués souvent de poussière de fer oxydée qui recouvre la surface de Mars – aussi partie intégrante de l´atmosphère martienne – peuvent envelopper la planète pendant des mois à certaines saisons. La température sur Mars oscille entre -125 °C (-195 °F) près des pôles en hiver et 20 °C (70 °F) près de l´équateur à midi. Ces conditions laissent apparaître un environnement auquel il est difficile de s´adapter, mais les concepteurs de systèmes se tournent toujours vers les design de qualité industrielle pour trouver les composants appropriés.
Le poids de l´histoire
Mars était un objet de curiosité depuis les années 1600, lorsque le télescope a été inventé. Même en augmentant la taille de l´image grâce aux capacités des télescopes, l´image de Mars n´était ni vraiment plus grande, ni bien plus nette. Cela n´a fait qu´attiser la curiosité pour Mars, et il est devenu évident qu'il faudrait se rendre un jour sur la planète rouge pour la comprendre. La NASA a effectué son premier survol de la planète rouge en 1964, survol au cours duquel les photos prise par Mariner 4 ont révélé des cratères à la surface, évoquant alors aux scientifiques davantage la surface de la Lune que celle d´une autre planète. Cette expédition a aussi mis à jour des traces d´une activité volcanique antérieure ayant laissé d´énormes canyons.
Même avec le grand miroir de 4,5 mètres du télescope de l´Observatoire du Mont Palomar, les détails de la surface martienne sont difficiles à voir. (Photo mise à disposition par la NASA)
Cette information n´a fait que renforcer l´intérêt porté à la planète rouge et inciter les scientifiques à redoubler d´efforts pour se rendre sur Mars afin d´étudier sa surface et son environnement. Dans les années 1970, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA a envoyé le premier engin spatial qui s´est posé avec succès sur Mars. L´atterrisseur Viking 1 était chargé d'effectuer une analyse de surface en un seul point, à la recherche de traces de vie. Viking 1 a pris des photos haute résolution pendant plus de six ans. Il a également analysé des échantillons de sol à l´aide d´un bras robotisé et d´un laboratoire biologique spécialement conçu: il a découvert que cette planète froide présentait un sol volcanique, une atmosphère sèche composée de dioxyde de carbone et des traces d´anciens lits de rivière et de vastes inondations.
After a two decade pause, in the mid 1990’s NASA was ready to move into the next step in the exploration of Mars and return with rovers. For these trips, NASA looked for standard industrial motors that would be robust enough to go to Mars. This is where the maxon Mars story officially starts. When NASA/JPL began their search, they knew that they needed a few critical specifications that would make the motor more compatible with the mission. For example, the biggest issues would be for the motors to withstand the low-pressure environment as well as shock and vibration, not only from the launching activity but from the ha8rd landing it would have to withstand. Another concern was the extreme temperature variation cycles that the motors would have to operate through.
C´est finalement en 1997 que le premier rover s´est posé sur Mars. Équipé de dix moteurs DC RE 16, Sojourner Pathfinder a testé le fonctionnement de ces moteurs semi-personnalisés. maxon avait fourni les moteurs haut de gamme de qualité industrielle, de longue durée de vie et très peu personnalisés. Puis, en janvier 2004, deux robots géologues, Spirit et Opportunity, se sont posés sur les faces opposées de Mars. Bien plus mobiles que Pathfinder, ils étaient surtout destinés à l´exploration scientifique. Chacun de ces rovers était équipé de 35 moteurs DC maxon, des moteurs RE 20 et RE 25, plus des codeurs MR.
Ces moteurs étaient en charge de nombreuses tâches: entraîner les roues, ouvrir les panneaux photovoltaïques et déployer les mâts, entre autres. Après 15 ans et 45 km de voyage, la mission d´Opportunity a pris fin. Son objectif était surtout scientifique: le rover devait permettre de déduire si la surface de Mars avait déjà été recouverte d´eau à un moment de son histoire. Une photo de couches sédimentaires le démontre. Fin novembre 2018, InSight s´est posé sur Mars et a été le premier à utiliser la nouvelle génération de moteur maxon DCX à balais et le premier réducteur maxon sur la planète rouge.
Collaboration et avancées technologiques
La collaboration avec d´autres partenaires industriels ainsi qu´avec des centres spatiaux tels que la NASA/JPL permet de mutualiser les expériences et les connaissances, ce qui se traduit par une avancée dans les capacités technologiques à tous les niveaux. Les connaissances acquises facilitent non seulement les avancées technologiques pour les composants semi-personnalisés à usage unique tels que les missions d'exploration spatiale, mais permettent également aux fabricants d'utiliser les données pour faire progresser les technologies utilisées pour les produits industriels standard. Chaque mission du rover martien exigeant une flexibilité accrue et davantage de capacités, la collaboration est essentielle.
Le premier moteur DCX et le réducteur planétaire de maxon ont été utilisés dans un mécanisme utilisant une méthode similaire à celle d´un batteur de pieux de chantier pour enfoncer profondément un capteur de température dans le sol. (Photo mise à disposition par la NASA)
Des partenariats bien menés permettent aux parties prenantes de savoir ce qui fonctionne, ce qui ne fonctionne pas, ce qui peut être modifié pour obtenir de meilleures performances pour finalement trouver de nouvelles possibilités d'élargir la recherche. Par exemple, MDA se spécialise dans la conception d´actionneurs personnalisés. La société intègre les boîtes de vitesses, les freins et les codeurs maxon dans son actionneur ExoMars. Étant donné qu'une très grande précision était requise tout au long du processus de fabrication, MDA et maxon se sont associés pour créer des techniques d´assemblage spéciales qui comprenaient un registre pour chaque boulon (4 000 en tout) et sa valeur de couple à l´intérieur de l´unité. Sur les 70 unités construites, 12 voleront lors du lancement de la mission ExoMars en 2022.
Le partenariat avec Flight Works, entreprise ayant révolutionné la propulsion des engins spatiaux en utilisant des moteurs électriques industriels légèrement modifiés, est un autre exemple d'efficacité; il a contribué à faire progresser les capacités et les possibilités des nouveaux systèmes et a permis de lancer de nouvelles missions vers la Lune, vers Mars et au-delà. Flight Works est leader dans le domaine des micropompes à haute densité de puissance destinés aux marchés commerciaux et aérospatiaux (drones et autres propulsions spatiales). Les unités sont des micropompes électriques qui produisent des densités très élevées, permises par les moteurs industriels sans balais maxon modifiés pour résister aux vibrations et aux chocs du lancement ainsi qu´aux environnements spatiaux. Les produits de cette entreprise ont permis d´augmenter considérablement les lancements de CubeSat au cours de la dernière décennie, comme la mission Lunar Flashlight de la NASA/JPL.
Autant dire que la propulsion par pompe ouvre de nouveaux horizons. En incorporant les moteurs maxon EC flat et les moteurs industriels EC à 4 pôles, Flight Works est en mesure de concevoir et de fabriquer ses pompes à propergol de 32 mm, ses pompes à hydrazine de 22 mm et ses pompes cryogéniques LOX/méthane. Ces micropompes permettent aux systèmes de propulsion alimentés par des pompes de fonctionner dans des missions très diversifiées, y compris les petits engins spatiaux où les pompes prennent en charge diverses opérations comme la propulsion, la gestion des fluides et le refroidissement des engins spatiaux, ainsi que le ravitaillement en orbite et l´entretien prévu pour une utilisation future dans les opérations de retour sur Mars.
Mais les moteurs industriels semi-personnalisés ont trouvé leur place dans l´espace dans de nombreuses autres applications: citons le mécanisme international d´accostage et d´amarrage (IBDM) utilisé pour amarrer deux vaisseaux spatiaux habités l´un à l´autre, comme le Dream Chaser qui se connecte à la station spatiale internationale. Des entreprises commerciales intègrent également les moteurs de maxon dans leurs vaisseaux spatiaux, comme le SpaceX Cargo Dragon qui utilise dix moteurs à courant continu sans balais EC 40 pour faire tourner les panneaux solaires, ouvrir la porte de la baie de navigation et verrouiller le grappin en place.
Actionneur électromécanique de bogie incorporant un maxon DCX 22L avec un réducteur GP 32HD et un codeur intégré pour l´entraînement des roues ExoMars
La technologie des missions d´aujourd´hui
Une haut degré technologique est requis pour que les produits dépassent leurs limites et offrent une plus grande précision tout en fonctionnant dans des environnements particulièrement rudes – et sans la moindre erreur. Les conceptions semi-personnalisées et personnalisées comportent des modifications mineures, qui peuvent représenter des différences énormes en termes de capacités.
Lors de la mission Mars 2020 (système de manipulation et de mise en cache d´échantillons), NASA/JPL utilisera un rover similaire à Curiosity mais équipé d'un éventail d´instruments plus large et plus robuste. Le but étant de collecter et d´analyser des échantillons, d'en sélectionner les meilleurs et de les déposer sur la surface de Mars à un endroit précis. Un autre rover sera ensuite chargé de collecter ces échantillons et de les ramener sur Terre à une date ultérieure. Les moteurs DC sans balais maxon ont été modifiés et servent à manipuler les précieux échantillons de sol martien, ainsi que le mandrin de la tête de forage qui prélève l´échantillon de sol. L´échantillon sera ensuite positionné dans un carrousel du rover chargé de réceptionner les échantillons. Un moteur maxon est également utilisé dans le petit bras robotisé qui déplace l´échantillon vers les stations réalisant l´inspection visuelle, le scellage et le stockage.
Comme les missions expérimentales précédentes, la charge utile de la mission Mars 2020 comprend une innovation sans précédent: le premier hélicoptère, Ingenuity. La mission, qui consiste à vérifier à peu de frais si l´hélicoptère peut fonctionner dans l´atmosphère martienne, est l´une des plus révolutionnaires à ce jour. Ingenuity comprend six moteurs DC à balais (DCX 10S comme actionneurs de plateau cyclique pour ajuster le pas des rotors), chargés de diriger l'engin. Comme l'hélicoptère présente deux rotors, et que trois moteurs sont utilisés pour chaque rotor, il est équipé d'un total de six moteurs. Les moteurs ressemblent beaucoup aux moteurs industriels standard mais comportent des modifications internes pour supporter les chocs et les vibrations du voyage, ainsi que le fonctionnement dans l´atmosphère martienne à basse pression.
Étant donné que les années à venir seront consacrées à la découverte du système solaire, c´est un avantage de savoir que des composants industrialisés standard peuvent être incorporés dans les vaisseaux spatiaux, les rovers et les appareillages d'analyse. Avec des modifications mineures, des composants essentiels que sont notamment les moteurs et les boîtes de vitesse aident les scientifiques à se projeter dans l´avenir pour explorer d´autres lunes et d´autres planètes. Grâce aux enseignements tirés de chaque mission et à l´application de concepts analogues à l´industrie en général, il a été possible de faire progresser considérablement la conception des moteurs au cours des dernières décennies. Le progrès technologique est une réflexion lors de laquelle les concepteurs se posent la question suivante: «Que pouvons-nous faire de plus?» En adaptant leurs produits à de nouveaux environnements et donc en augmentant leurs capacités, les entreprises peuvent être certaines non seulement de rester dans le peloton de tête, mais aussi que leurs produits standard évolueront.
