Brevet FR2943318A1 — publié le 20100924

DISPOSITIF ATTERRISSEUR DE SONDE SPATIALE ET PROCEDE D'ATTERRISSAGE D'UNE SONDE MUNIE D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif atterrisseur de sonde spatiale et un procédé d'atterrissage d'une sonde munie d'un tel dispositif. Plusieurs dispositifs et méthodes sont connus pour l'atterrissage de sondes spatiales sur des objets célestes. Dans le cas des missions lunaires l'alunissage d'un module lunaire porteur d'un véhicule lunaire a par exemple été réalisé avec l'aide de rétrofusées, le module lunaire étant adapté à redécoller. Dans le cas de missions sur des planètes pourvues d'une atmosphère, des parachutes ont par exemple été utilisés pour ralentir les sondes, les sondes étant portées par un module support muni de ballons d'amortissement de l'impact au sol. On constate que l'ensemble des sondes réalisées à ce jour comprennent une structure porteuse et une charge utile, cette dernière étant par exemple un module roulant de type "rover" amarré sur la structure porteuse. La structure porteuse est adaptée à amortir le choc de l'atterrissage et se trouve sous la charge utile après l'atterrissage. Dans le cas où la charge utile est un module apte à se déplacer tel qu'un module roulant, cette charge, pour être opérationnelle, doit descendre de la structure porteuse après l'atterrissage. Un système de déchargement, rampes, grue ou autre doit donc être prévu, ce système accroissant la masse de l'ensemble. En outre, lorsque la sonde atterrit à l'aide de ballons ou de parachutes, la charge utile doit traverser une zone où se trouve des restes du système de descente comme des liens ou de la toile dégonflée et il existe un risque que les roues de la charge utile s'emmêlent dans ces restes. Dans un tel cas, des pans inclinés ou rampes peuvent être prévus pour recouvrir la zone où se trouvent les ballons dégonflés comme notamment prévu 5 dans le projet ExoMars de l'ESA. Pour pallier à ces problèmes, la sonde appelée "Mars Scientific Laboratory" de la NASA est prévue pour utiliser un autre concept basé sur une structure porteuse comportant un dispositif parachute ralentisseur, libérant ensuite un module de transport qui effectuera un vol quasi-stationnaire propulsé au dessus 10 du sol martien pour descendre un module martien jusqu'au sol au moyen d'une grue et d'un câble. Un tel vol stationnaire est une solution complexe et coûteuse en matière de propergols par contre cette solution évite que le site d'atterrissage du module soit encombré de restes du système de descente et permet de poser le module dans 15 une zone bien définie. La présente invention a pour objectif de réaliser un dispositif atterrisseur de sonde spatiale d'utilisation simplifiée et adapté pour amener au sol une sonde spatiale telle qu'un module roulant et faciliter son déploiement. Pour ce faire, la présente invention propose une sonde spatiale comportant 20 un module de descente porteur d'un engin d'exploration mobile, pour laquelle le module de descente est un module atterrisseur à l'intérieur duquel s'accroche l'engin d'exploration mobile, le module atterrisseur étant muni de jambes d'atterrissage adaptées à se déployer au dessous du niveau inférieur de l'engin d'exploration mobile. 25 La présente invention propose en outre un procédé de déploiement d'une sonde spatiale comportant un module de descente et d'atterrissage porteur d'un engin d'exploration mobile, pour lequel l'engin d'exploration mobile s'accroche sous le module de descente, le procédé comportant une séquence d'atterrissage de la sonde comportant: 30 - une phase de freinage du module de descente et d'atterrissage conduit par propulsion au moyen de tuyères d'éjection de gaz propulsifs, - une étape de déploiement de jambes d'atterrisseur du module de descente et d'atterrissage, - une étape d'atterrissage du module de descente et d'atterrissage pourvu de l'engin d'exploration mobile, - une étape de dépose de l'engin d'exploration mobile entre les jambes d'atterrisseur module de descente et d'atterrissage posé au sol. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue en perspective d'une sonde de l'invention équipée de son capotage arrière en transparence et de son bouclier; en figure 2: une vue en perspective de la sonde de la figure 1 sans son bouclier; en figure 3: la sonde de la figure 1 de côté, module de descente en configuration de vol piloté sans capotage arrière et sans bouclier; en figure 4: la sonde de la figure 1 module de descente en configuration 15 d'atterrissage; en figure 5: la sonde de la figure 1 après atterrissage et engin d'exploration posé au sol. en figure 6: une vue en perspective de dessous d'un exemple de réalisation du module de descente et d'atterrissage. 20 La sonde spatiale 1 de la présente invention représentée complète à la figure 1 est une sonde destinée à déposer un engin d'exploration d'une planète et s'applique en particulier à une sonde martienne. Elle comporte un module de descente 2 porteur d'un engin d'exploration mobile 3. 25 La sonde représentée en figure 1 est munie d'un bouclier thermique 6 et d'un capotage arrière 7 afin de la protéger lors de son entrée dans l'atmosphère d'une planète. Le capotage arrière 7 comporte des logements concentriques 13 et 14 le logement central logeant un parachute hypersonique propulsé par mortier et le 30 logement périphérique logeant un parachute principal subsonique. Le module de descente 2 comporte une structure adaptée à porter et libérer le bouclier inférieur 6 et en figure 2, vue montrant une partie du dessous de la sonde avec le bouclier retiré, sont représentées des ferrures 15 permettant l'accrochage du bouclier à la structure inférieure du module de descente. De même, le module de descente comporte une structure adaptée à porter le capotage arrière 7 et la figure 3 permet de voir des plots d'accrochage inférieurs 16 et supérieurs 17 permettant de fixer le capotage arrière 7 sur la structure du module de descente. Selon l'invention, le module de descente est un module atterrisseur 2 à l'intérieur duquel s'accroche l'engin d'exploration mobile comme représenté par exemple aux figures 2 et 3. Plus particulièrement, l'engin d'exploration mobile s'accroche dans une partie inférieure du module atterrisseur, par exemple sous une platine 23 plus particulièrement représentée à la figure 6 de sorte que l'engin d'exploration mobile puisse être libéré du module 2 par le dessous du module 2. Le module atterrisseur est muni de jambes d'atterrissage 4, représentées 15 en particulier à la figure 4, adaptées à se déployer au dessous du niveau inférieur de l'engin d'exploration mobile 3. Les jambes d'atterrissage sont des jambes télescopiques munies de moyens amortisseurs 5 adaptés à amortir le choc de l'atterrissage du module atterrisseur. 20 Selon la figure 3, les jambes d'atterrissage 4 sont, selon une position rétractée, logées dans des tubes 12 disposés en périphérie du module atterrisseur 2. Cette position rétractée des jambes correspond à la configuration de descente et de vol du module. 25 Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le module atterrisseur 2 est réalisé sous forme d'une ossature entourant l'engin d'exploration mobile. Cette ossature porte le capotage arrière 7 et contribue à lui donner sa rigidité, le capotage pouvant ainsi être réalisé en tenant compte uniquement des 30 contraintes thermiques auxquelles il doit résister pour protéger le module d'atterrissage et l'engin d'exploration. Le module atterrisseur comme représenté notamment à la figure 5 comporte un cadre supérieur 10 de forme générale annulaire d'un premier diamètre, un cadre inférieur 9 de forme générale annulaire d'un second diamètre supérieur au premier diamètre et des montants périphériques 11 reliant le cadre supérieur au cadre inférieur. Les cadres supérieur 10 et inférieur 9 sont réalisés avec des barres 22 reliées par des pièces de liaison en T 18 recevant aussi les montants 11. Cette constitution en treillis formant une ossature externe autour de l'engin d'exploration est légère et rigide. En outre, capotage arrière et boucliers largués et une fois l'engin d'exploration posé, cette structure ajourée laisse passer les rayons solaires jusqu'aux panneaux solaires 19 de l'engin d'exploration ce qui permet de le rendre opérationnel et d'alimenter ses moteurs pour qu'il puisse sortir de dessous le module d'atterrissage. Pour son pilotage dans la phase de descente finale et d'atterrissage, le module atterrisseur comporte des tuyères de freinage 8. Ces tuyères sont alimentées par un circuit d'alimentation à partir de 15 réservoirs 20 fixés sur la structure du module par des bielles 21 repérés à la figure 5. Sur les figures, les réservoirs n'étant pas à l'échelle, la position des bielles n'est pas représentée avec exactitude. Selon l'exemple représenté, au moins certaines des tuyères de freinage 20 sont disposées à la périphérie du cadre inférieur 9 du module atterrisseur. Selon l'exemple représenté, comme par exemple à la figure 6, les tuyères sont réparties et fixées sur les barres 22 du cadre inférieur, chaque barre recevant deux tuyères, les tuyères étant disposées à proximité des extrémités des barres. Comme vu plus haut, le module de descente et d'atterrissage de l'invention 25 comporte des jambes d'atterrissage. Pour réduire l'encombrement du module en phase de vol, les jambes d'atterrissage 4 sont rétractables et sont logées, selon une position rétractée, dans des tubes 12 disposés parallèlement à certains des montants périphériques 11. La sonde spatiale de l'invention permet un déploiement simple et sûr d'un 30 engin d'exploration, permet en outre, en contrôlant la descente du module d'atterrissage, de choisir un site d'atterrissage propice à la dépose de l'engin d'exploration et permet enfin de limiter la quantité de carburant nécessaire à l'atterrissage de la sonde. 6 Le procédé de déploiement de la sonde spatiale 1 comportant le module de descente et d'atterrissage 2 porteur d'un engin d'exploration mobile 3, pour lequel l'engin d'exploration mobile s'accroche sous le module de descente comporte ainsi une séquence d'atterrissage de la sonde comportant: - une phase de freinage du module de descente et d'atterrissage conduit par propulsion au moyen de tuyères 8 d'éjection de gaz propulsifs pendant laquelle le module peut être piloté pour choisir un site d'atterrissage adéquat, ce depuis une altitude de 500 à 1000 mètres, le module étant alors dans la configuration de la figure 3, - une étape de déploiement de jambes d'atterrisseur 4 du module de descente et d'atterrissage 2 en fin de descente et avant l'atterrissage faisant passer le module dans la configuration de la figure 4 jambes déployées, - une étape d'atterrissage du module de descente et d'atterrissage pourvu de l'engin d'exploration mobile 3, pour laquelle les amortisseurs 5 des jambes encaissent le choc de l'atterrissage, - une étape de dépose de l'engin d'exploration mobile 3 entre les jambes d'atterrisseur 4 module de descente et d'atterrissage 2 posé au sol. Selon l'exemple de la figure 6, le module atterrisseur est fixé sous une platine 23 du module atterrisseur au moyen de plots 24 et, pour la dernière étape, soit l'engin mobile est simplement décroché des plots 24 et tombe de la hauteur des pieds 4, soit l'engin se décroche des plots et est ralenti dans sa chute par des câbles freinés. Avant la séquence d'atterrissage, le procédé de déploiement de la sonde comprend une séquence de descente comportant: - une phase d'entrée de la sonde dans l'atmosphère d'une planète, module de descente et d'atterrissage recouvert du capotage arrière 7 et du bouclier 6, le bouclier servant dans un premier temps de dispositif de freinage, depuis l'entrée dans l'atmosphère jusqu'à une vitesse de l'ordre de mach 2, la sonde étant dans la configuration de la figure 1, le freinage étant ensuite réalisé par un parachute hypersonique éjecté par un mortier depuis un logement 13 représenté en figure 1 jusqu'à une vitesse inférieure à mach 1, - au moins une phase de ralentissement du module de descente et d'atterrissage muni de son capotage arrière 7 et de son bouclier 6 sous parachute principal, le parachute principal étant déployé depuis un logement 14 après largage du mortier et du parachute hypersonique, - une étape de largage du bouclier 6, la différence des coefficients balistiques du bouclier 6 et de la sonde sous parachute principal permettant au bouclier de s'éloigner rapidement de la sonde, la sonde se trouvant alors dans la configuration de la figure 2. Une fois l'altitude ramenée à environ 500 à 1000 mètres, le procédé comporte une étape de largage du capotage arrière 7 et du parachute principal, le module de descente et d'atterrissage 2 passant ensuite en vol piloté au moyen des tuyères 8 pour terminer sa descente et finir de ralentir comme dans la configuration de la figure 3. En fin de descente et avant l'atterrissage, le module de descente déploie ses jambes et enfin, une fois le module de descente et d'atterrissage 2 posé au sol, le procédé de déploiement de sonde de l'invention prévoit que l'engin d'exploration mobile 3 se dégage du dessous du module de descente et d'atterrissage par un déplacement entre les jambes d'atterrisseur 4 du module de descente et d'atterrissage. Ce déplacement peut être effectué après ouverture au moins partielle des panneaux solaires 19 de l'engin afin d'alimenter les moteurs de l'engin. La sonde de l'invention est optimisée en masse par le dimensionnement des éléments constituant le module de descente et d'atterrissage, le dimensionnement du capotage arrière et le maintien du module de descente sous parachute principal jusqu'à une altitude relativement basse pour limiter la quantité de carburant nécessaire pour la dernière phase de descente. L'invention ne se limite pas à l'exemple décrit mais englobe les variantes couvertes par les revendications et notamment, l'exemple représenté comporte quatre jambes, mais d'autres configurations telles que 5 ou 6 jambes sont envisageables. REVENDICATIONS1 - Sonde spatiale (1) comportant un module de descente porteur d'un engin d'exploration mobile (3), caractérisé en ce que le module de descente est un module atterrisseur (2) à l'intérieur duquel s'accroche l'engin d'exploration mobile, le module atterrisseur étant muni de jambes d'atterrissage (4) adaptées à se déployer au dessous du niveau inférieur de l'engin d'exploration mobile. 2 - Sonde spatiale selon la revendication 1 caractérisée en ce que les jambes d'atterrissage sont des jambes télescopiques munies de moyens amortisseurs (5) adaptés à amortir le choc de l'atterrissage du module atterrisseur. 3 - Sonde spatiale selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le module atterrisseur (2) comporte une structure adaptée à porter et libérer un bouclier inférieur (6). 4 - Sonde spatiale selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que le module atterrisseur comporte une structure adaptée à porter un capotage arrière (7). 5 - Sonde spatiale selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle le module atterrisseur (2) est réalisé sous forme d'une ossature entourant l'engin d'exploration mobile. 6 - Sonde spatiale selon les revendications 4 et 5 pour laquelle l'ossature porte le capotage arrière (7). 7 - Sonde spatiale selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le module atterrisseur comporte des tuyères de freinage (8). 8 - Sonde spatiale selon la revendication 7 caractérisée en ce que au moins certaines des tuyères de freinage sont disposées à la périphérie d'un cadre 25 inférieur (9) du module atterrisseur. 9 - Sonde spatiale selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le module atterrisseur comporte un cadre supérieur (10) de forme générale annulaire d'un premier diamètre, un cadre inférieur (9) de forme générale annulaire d'un second diamètre supérieur au 30 premier diamètre et des montants périphériques (11) reliant le cadre supérieur au cadre inférieur. 10 - Sonde spatiale selon la revendication 9 caractérisée en ce que les jambes d'atterrissage (4) sont, selon une position rétractée, logées dans des tubes (12) disposés parallèlement à certains des montants périphériques (11). 11 - Procédé de déploiement d'une sonde spatiale (1) comportant un module de descente et d'atterrissage (2) porteur d'un engin d'exploration mobile (3), pour lequel l'engin d'exploration mobile s'accroche sous le module de descente caractérisé en ce qu'il comporte une séquence d'atterrissage de la sonde comportant: - une phase de freinage du module de descente et d'atterrissage conduit par propulsion au moyen de tuyères (8) d'éjection de gaz propulsifs, - une étape de déploiement de jambes d'atterrisseur (4) du module de descente et d'atterrissage (2), - une étape d'atterrissage du module de descente et d'atterrissage pourvu de l'engin d'exploration mobile (3), - une étape de dépose de l'engin d'exploration mobile (3) entre les jambes d'atterrisseur (4) module de descente et d'atterrissage (2) posé au sol. 12 - Procédé de déploiement d'une sonde spatiale selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comprend avant la séquence d'atterrissage une séquence de descente comportant: - une phase d'entrée de la sonde dans l'atmosphère d'une planète, module de descente et d'atterrissage recouvert d'un capotage arrière (7) et d'un bouclier (6), - au moins une phase de ralentissement du module de descente et d'atterrissage muni de son capotage arrière (7) et de son bouclier (6) sous 25 parachute principal, - une étape de largage du bouclier (6), - une étape de largage du capotage arrière (7) et du parachute principal, le module de descente et d'atterrissage (2) passant ensuite en vol piloté au moyen de tuyères (8). 30 13 - Procédé de déploiement d'une sonde spatiale (1) selon la revendication 10 ou 11 caractérisé en ce que module de descente et d'atterrissage (2) posé au sol, l'engin d'exploration mobile (3) se dégage du dessous du module de descente et d'atterrissage par un déplacement de l'engin d'exploration entre les jambes d'atterrisseur (4) du module de descente et d'atterrissage.