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Le bras robotique IDA

Un bras robotique de deux mètres de longueur

La sonde InSight dispose d'un bras robotique sophistiqué qui a été conçu avec un seul objectif : pouvoir déployer avec le maximum de précision et de sécurité les deux instruments principaux de la mission, le sismomètre SEIS et le capteur de flux thermique HP3.

Représentation graphique en 3D du bras robotique IDA en train de soulever le sismomètre SEIS (© NASA)Représentation graphique en 3D du bras robotique IDA en train de soulever le sismomètre SEIS (© NASA)

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, même une fois solidement posée sur ses trois pieds, la sonde InSight n'en a pas encore fini avec la phase d'atterrissage.

Ses deux instruments majeurs, le sismomètre SEIS et le capteur de flux thermique HP3 sont encore à environ un mètre de la surface martienne, qu'ils doivent impérativement rejoindre pour pouvoir commencer à accumuler des mesures.

Grâce à deux caméras, les ingénieurs vont donc devoir choisir un site d'atterrissage pour les deux appareils, avant de poser ces derniers par l'intermédiaire d'un bras robotique.

Baptisé IDA (Instrument Deployment Arm), le bras robotique d'InSight n'est autre que celui qui avait été construit pour la mission Mars Surveyor 2001, annulée suite à la disparition inexpliquée de l'atterrisseur Mars Polar Lander au-dessus du pôle sud de Mars en décembre 1999. Ce bras était lui-même dérivé de celui embarqué sur Mars Polar Lander. Le bras robotique de Mars Surveyor 2001 avait été conçu pour déposer à la surface de Mars non pas un instrument, mais Marie Curie, une copie conforme du petit rover Sojourner de la sonde Pathfinder qui avait roulé sur la planète rouge en 1997.

Stocké dès lors dans un container en attendant une éventuelle réutilisation pendant plus d'une décennie, le bras robotique de Mars Surveyor 2001 fut finalement tiré de son long sommeil pour la mission InSight.

Test du bras robotique IDA (© NASA)Test du bras robotique IDA. Un ingénieur manipule le capot de protection de la caméra IDC (© NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)

De nombreuses avancées technologiques ayant eu lieu depuis sa conception, sa remise à neuf et sa re-certification pour le vol spatial a présenté des challenges intéressants et inhabituels aux ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory. Une fois sorti de son container, le bras a été vérifié et testé de façon scrupuleuse par les ingénieurs, avant d'être presque totalement désassemblé pour permettre le remplacement de certaines parties, avant le réassemblage. D'une manière générale, l'état du bras fut jugé excellent par les ingénieurs, malgré les treize années de stockage.

Dimensions en mètre du bras robotique IDA de la sonde InSight (©NASA)Dimensions en mètre du bras robotique IDA de la sonde InSight (©NASA)

Fixé sur le pont de l'atterrisseur, le bras IDA est identique dans sa structure à un bras humain : il comporte un bras supérieur, relié à un avant bras par un coude motorisé. L'avant bras se termine par un poignet mobile, auquel est fixé un astucieux dispositif de préhension. L'ensemble dispose de quatre degrés de liberté, caractérisé chacun par la présence d'un moteur : deux pour la jonction entre le bras supérieur et le pont de l'atterrisseur (l'épaule), un pour le coude et un dernier pour le poignet.

Les deux segments tubulaires du bras ont été fabriqués dans un matériau composite à base de fibres de carbone, associé à de l'aluminium et du titane. Le bras supérieur mesure un mètre de longueur, contre 80 centimètres de longueur pour l'avant bras. Étiré au maximum, le bras peut atteindre une zone située à une distance de 1,9 mètre de l'atterrisseur.

Les moteurs employés ont un long héritage dans l'histoire de l'exploration martienne, et ils ont été en particulier mis en oeuvre dès la mission Pathfinder sur le petit robot Sojourner (1997), puis utilisés sur les rovers Spirit et Opportunity (2004), et enfin employés pour la sonde polaire Phoenix (2008). Les moteurs disposent notamment d'éléments chauffants pour pouvoir résister aux rigueurs du climat martien.

Le bras robotique de la sonde InSight est capable de soulever sans problème le sismomètre SEIS (29 kg), le bouclier thermique et éolien WTS (9,5 kg) et le pénétrateur HP3 (3 kg). Chacun des dispositifs devant être déposés au sol est équipé d'une poignée composée d'une tige rigide terminée par une sphère. Celle-ci est conçue pour pouvoir être saisie de manière optimale par le grappin qui équipe le bras robotique IDA.

Un grappin à cinq griffes

Détail du grappin du bras robotique d'InSight (© NASA)Détail du grappin du bras robotique d'InSight (© NASA)

Le grappin est fixé à l'extrémité de l'avant bras du bras robotique, par l'intermédiaire d'un ombilic de 20 centimètres de longueur.

Dans un premier temps, les ingénieurs du JPL avaient envisagé l'utilisation d'un grappin magnétique. L'aimantation était fournie par l'intermédiaire d'un aimant permanent en terres rares (borure de néodyme). Les charges à saisir étaient elle équipés d'un palet magnétique.

Une fois à proximité des objets à déposer au sol, le grappin se serait aligné automatiquement avec les palets métalliques fixés sur ces derniers. Pour sécuriser la dépose, un système électromagnétique redondant permettait de supprimer le champ magnétique, rendant ainsi possible la libération de la charge transportée.

La séparation entre le grappin et sa charge nécessitait obligatoirement le passage d'un courant électrique. Ainsi, il n'y avait aucune chance que le bras lâche par mégarde sa précieuse cargaison si une panne électrique survenait soudain durant les opérations de déploiement. Le grappin magnétique fut cependant remplacé ultérieurement par un dispositif plus conventionnel, une pince à cinq doigts préhenseurs, en raison de son manque de fiabilité.

L'environnement martien est effectivement caractérisé par la présence continuelle de poussière, qui se dépose sur toutes les surfaces. Riche en oxydes de fer, cette poussière est par nature très attirée par les surfaces magnétiques. L'incapacité à pouvoir garder le grappin propre à la surface de Mars, et les risques encourus par les interférences liées à la dépose de la poussière a donc conduit les ingénieurs à abandonner la solution initiale, en faveur d'un grappin plus classique et plus fiable.

Insensible à l'environnement martien, le grappin mécanique actuel ne peut de plus pas relâcher la charge qu'il transporte de lui-même. L'instruction commandant la séparation ne peut provenir que du centre de contrôle de mission sur Terre, ce qui protège donc d'un lâcher intempestif  des instruments par le bras.

Outre son grappin, le bras robotique d'InSight dispose également d'un godet d'une capacité moyenne de 500 grammes de sol. Ce dernier n'est cependant pas destiné à des travaux massifs d'excavation. Son rôle principal est de pouvoir préparer du mieux possible le terrain avant la dépose des instruments. Il offre aux ingénieurs la capacité de repousser un caillou gênant, d'aplanir une petite butte située dans un secteur optimal de déploiement, ou plus simplement de vérifier la nature du sol.

Dernière mise à jour : 2 février 2018

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