Mesurer l’approvisionnement en carburant d’Odyssey, un vaisseau spatial vieux de plusieurs décennies sans jauge de carburant, n’est pas une tâche facile.
Depuis que la NASA a lancé le Mars Odyssey Orbiter 2001 vers la planète rouge il y a près de 22 ans, le vaisseau spatial a fait le tour de Mars plus de 94 000 fois. Cela équivaut à environ 1,37 milliard de miles (2,21 milliards de kilomètres), une distance qui a nécessité une gestion extrêmement prudente de l’approvisionnement en carburant du vaisseau spatial. Cet exploit est d’autant plus impressionnant que l’Odyssey n’a pas de jauge à carburant; les ingénieurs ont dû compter sur les mathématiques à la place.
Leur travail a aidé Odyssey à construire un héritage scientifique : le vaisseau spatial a cartographié les minéraux à travers la surface martienne, permettant aux scientifiques de mieux comprendre l’histoire de la planète. Odyssey a découvert des dépôts de glace qui pourraient être utilisés par de futurs astronautes. C’est un rayonnement étudié qui pourrait nuire à ces mêmes astronautes. Et il a repéré des sites d’atterrissage potentiels pour les missions à venir. Odyssey fait également partie d’une petite constellation d’orbiteurs qui relaie les données vers la Terre depuis les rovers et les atterrisseurs de la NASA (près de 150 gigaoctets à ce jour, et plus).
Mais l’année dernière, Odyssey semblait être à court d’essence : les calculs ont indiqué que son carburant hydrazine était beaucoup plus bas que prévu.
Odyssey a été lancé en 2001 avec près de 500 livres (225,3 kilogrammes) de propulseur hydrazine. Comme il n’y a pas de jauge de carburant, les ingénieurs ont utilisé diverses méthodes pour déduire la quantité d’hydrazine consommée par le vaisseau spatial au fil du temps. Une façon de mesurer le carburant d’Odyssey est d’appliquer de la chaleur aux deux réservoirs de propulseur du vaisseau spatial et de regarder combien de temps ils mettent pour atteindre une certaine température. Comme pour une théière, un réservoir de carburant presque vide chaufferait plus rapidement qu’un réservoir plein.
C’est, en fait, ce qui semblait se produire avec une estimation de carburant effectuée sur Odyssey à l’été 2021. Les calculs semblaient montrer qu’environ 11 livres (5 kilogrammes) de propulseur restaient disponibles, soit moins que ce que la modélisation de la mission avait prévu. Une autre estimation en janvier 2022 indiquait qu’il ne restait plus que 6 livres (2,8 kilogrammes) d’hydrazine.
Si les chiffres étaient exacts, Odyssey fonctionnerait à vide dans moins d’un an. Soit le vaisseau spatial avait connu une sorte de panne, comme une fuite, soit quelque chose n’allait pas dans les mesures de l’équipe.
Des mois de tests et d’investigations intenses ont suivi. Après avoir étudié le mystère du carburant « manquant », les ingénieurs de la mission ont appris de nouvelles choses sur la façon dont le système de carburant complexe du vaisseau spatial vieillissant se comporte en vol. Leur conclusion : l’orbiteur devrait en avoir assez pour durer au moins jusqu’à la fin de 2025.
Comment Odyssey utilise l’hydrazine
Odyssey n’a pas besoin de beaucoup d’hydrazine pour se débrouiller chaque jour. Des panneaux solaires alimentent ses systèmes, tandis que trois roues de réaction stratégiquement placées aident l’orbiteur à pointer ses instruments scientifiques vers la surface martienne. Lorsque les roues de réaction tournent à l’intérieur du bus ou du corps du vaisseau spatial, elles créent un couple qui fait bouger Odyssey dans la direction opposée.
« Ces roues de réaction doivent travailler ensemble pour maintenir le pointage du vaisseau spatial », a déclaré le responsable de la mission d’Odyssey, Jared Call du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Mais avec Odyssey effectuant une boucle complète à chaque orbite, vous avez besoin d’un moyen de décharger l’élan croissant. »
C’est là qu’intervient l’hydrazine d’Odyssey. Les propulseurs du vaisseau spatial libèrent ce propulseur en petites rafales calculées pour contrer l’élan de construction des roues de réaction.
Travail en équipe
Ainsi, lorsque les calculs de l’équipe ont montré que leur approvisionnement en propulseurs était inférieur aux prévisions, les ingénieurs du JPL ont travaillé avec ceux de Lockheed Martin Space, qui a construit Odyssey, maintient les opérations de la mission et fournit un soutien technique aux engins spatiaux.
« Nous avons d’abord dû vérifier que le vaisseau spatial était en bon état », a déclaré Joseph Hunt, chef de projet d’Odyssey au JPL. « Après avoir exclu la possibilité d’une fuite ou que nous brûlions plus de carburant que prévu, nous avons commencé à examiner notre processus de mesure. »
L’équipe a convenu qu’elle avait besoin d’un regard neuf pour évaluer la situation. Ils ont fait appel à Boris Yendler, un consultant extérieur également spécialisé dans l’estimation des propulseurs des engins spatiaux.
Comme tous les engins spatiaux, Odyssey s’appuie sur des radiateurs pour maintenir diverses pièces, y compris les réservoirs de carburant, en fonctionnement dans le froid de l’espace. Yendler s’est demandé si de la chaleur était ajoutée au propulseur à partir d’une autre source sur le vaisseau spatial, compliquant la mesure du carburant. Après de nombreuses expérimentations, l’équipe a confirmé que c’était le cas : les réchauffeurs le long d’une conduite de carburant reliant les réservoirs les réchauffaient plus rapidement que prévu, donnant l’impression que les réservoirs étaient presque vides.
« Notre méthode de mesure était bonne. Le problème était que la dynamique des fluides se produisant à bord d’Odyssey est plus compliquée que nous ne le pensions », a déclaré Call.
Après avoir déterminé la quantité de chaleur qui n’était pas prise en compte dans leurs calculs, l’équipe a conclu qu’il restait environ 9 livres (4 kilogrammes) d’hydrazine à Odyssey. C’est suffisant pour faire durer la mission encore quelques années. Bien que le nombre puisse changer à mesure que l’équipe s’efforce d’affiner les mesures et d’améliorer leur précision, l’équipe se repose plus facilement maintenant qu’elle comprend mieux son vaisseau spatial.
« C’est un peu comme notre processus de découverte scientifique », a déclaré Call. « Vous explorez un système d’ingénierie sans savoir ce que vous allez trouver. Et plus vous regardez longtemps, plus vous trouvez que vous ne vous attendiez pas. »