Technologies canadiennes d'exploration spatiale pour la mobilité de surface

Partout dans le monde, les agences spatiales discutent de la manière de coordonner les prochaines phases du programme d'exploration spatiale. À titre de partenaire actif, l'Agence spatiale canadienne (ASC) concentre ses efforts sur la réalisation d'études scientifiques et le développement de technologies spatiales qui répondent aux priorités du Canada et qui jouent un rôle important dans des missions internationales. Ses activités touchent notamment l'exploration robotique et humaine du système solaire et le développement de technologies d'exploration de pointe.

Depuis plus de trois décennies, grâce à l'exploitation de l'emblématique Canadarm sur la navette spatiale et celle du Canadarm2 et de Dextre sur la Station spatiale internationale (ISS), le Canada s'est forgé une réputation d'excellence enviable au sein de la communauté internationale dans le domaine de la robotique spatiale de pointe. Afin de préparer le Canada aux prochaines étapes de l'exploration de l'espace, l'ASC a travaillé en collaboration avec plus de 40 organisations issues de l'industrie spatiale canadienne et du milieu universitaire afin de concevoir et de construire un parc de rovers terrestres. Ces rovers constituent les prédécesseurs des véhicules susceptibles de servir, un jour, dans le cadre de missions d'exploration, par exemple sur la Lune ou sur Mars. Les activités de développement et de mise à l'essai de prototypes et de rovers terrestres permettent au Canada de déterminer les développements scientifiques et technologiques dont les futures missions d'exploration spatiale d'intérêt pour le pays auront vraisemblablement besoin. Elles nous permettent également d'apprendre à utiliser les ressources susceptibles d'être présentes sur le site (p. ex., extraction d'eau à même le sol), d'évaluer les contributions potentielles que le Canada pourrait faire dans le cadre de ces missions, et de s'assurer que les technologies requises auront atteint un niveau de maturité suffisant lorsque l'occasion se présentera.

Les rovers terrestres qui suivent, ainsi que leurs technologies connexes, sont actuellement utilisés dans le cadre de diverses activités d'essai, de démonstration et de déploiement visant à évaluer et à améliorer les technologies mises au point, et à s'assurer que les objectifs de mission sont atteints et affinés. En 2009, le Plan d'action économique du Canada annoncé dans le Budget de 2009 a accordé 110 millions de dollars sur trois ans au développement de technologies d'exploration spatiale et de systèmes robotiques de pointe. De ce montant, 60 millions de dollars ont été alloués au projet de Mobilité de surface pour l'exploration. Ces fonds ont été investis dans 33 contrats ambitieux de haute technologie menés par 40 entreprises canadiennes du secteur privé et une douzaine d'universités.

Parc de rovers de l'ASC

Prototypes terrestres de rovers lunaires

Juno (amélioré)

La famille de rovers Juno est constituée de 5 rovers distincts portant tous le même nom. Ces rovers très polyvalents sont constitués chacun d'une plateforme de base, de trois types de roues et de chenilles (semblables à celles d'une motoneige) afin de permettre au rover de mettre à l'essai du matériel scientifique sur une multitude de terrains. Ces rovers robustes peuvent être exploités à distance (télé-exploitation), ils peuvent transporter une charge presque aussi lourde qu'eux, et ils sont étonnamment agiles et rapides. Les rovers Juno, qui sont exploités depuis 2010, ont été passablement modernisés dans le cadre d'un investissement fait en vertu du Plan d'action économique. Les rovers Juno ont été déployés avec succès dans le cadre de deux campagnes menées par la National Aeronautics and Space Administration (NASA) sur les pentes rocailleuses d'un volcan visant à simuler des missions lunaires (en 2010 et 2012).

Masse : 300 kg
Capable de transporter 275 kg de charge utile scientifique
Vitesse maximale : 13 km/h (4 vitesses)
Utilise des roues de caoutchouc ou de métal, des roues iRing ou des chenilles en métal
Peuvent être reliés pour une configuration en tandem
Entrepreneur principal : Neptec Design Group
1,33 M$ ont été investis afin de moderniser les rovers Juno et accroître leurs capacités
Partenaires : Ontario Drive and Gear Ltd. (ODG), Université McGill, CrossChasm Technologies, Université d'Ottawa

Rover léger d'exploration lunaire (nouveau)

Le Rover léger d'exploration lunaire, nouveau rover mis au point par l'ASC, est un prototype terrestre de laboratoire lunaire mobile. Il peut être équipé d'un bras robotique autorisant la collecte d'échantillons en vue de leur analyse à bord du véhicule. Ce rover, qui est le plus grand et le plus rapide de tous les rovers de l'ASC, est doté de six roues. De par sa conception, il peut être mis à niveau afin d'accueillir un équipage humain afin d'étudier comment les astronautes pourraient piloter le rover dans le cadre de leurs activités sur la Lune (le principe n'est pas sans rappeler le Moon Buggy que les astronautes ont utilisé dans le cadre des missions Apollo). Le rover léger d'exploration lunaire est un véhicule d'exploration de longue portée pouvant s'éloigner jusqu'à 15 km de sa base principale. Bien que ce rover puisse être commandé à distance, il est semi-autonome (ce qui signifie qu'il se sert de son lidar embarqué pour balayer son environnement et contourner les obstacles sans intervention humaine).

Masse : 900 kg
Capable de transporter 300 kg de charge utile scientifique
Vitesse maximale de 15 km/h
Entrepreneur principal : MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. (MDA)
Valeur du contrat : 14,6 M$, incluant le SL-Commander (voir ci-dessous)
Partenaires : Bombardier Produits Récréatifs (BRP), University of Toronto Institute for Aerospace Studies (UTIAS)-ASRL (Autonomous Space Robotics Lab), Université Ryerson, Université Western Ontario, Université York, Université de Winnipeg, Université de Colombie-Britannique, Université McMaster, Hamilton Sunstrand, Université de Toronto, Turquoise Technology, Université du Wisconsin-Madison, Penguin ASI

Artemis (nouveau)

Artémis fait partie des nouveaux rovers mis au point par l'ASC. Il s'agit d'un prototype terrestre léger de rover d'exploration lunaire. Artemis peut être exploité par un humain se trouvant dans son voisinage, ou il peut être commandé à distance. Il peut également utiliser ses capteurs afin de balayer son environnement et naviguer sans l'intervention d'un opérateur humain. Grâce à ses roues uniques, Artemis est très agile dans les espaces restreints. Pour tourner, il mise sur une direction à glissement (à l'instar des chars d'assaut avec leurs chenilles). Ainsi, pour tourner, Artemis fait tourner deux roues du même côté dans un sens, et ses deux autres roues dans le sens inverse. Cette méthode de direction permet au rover de pivoter à 360 degrés autour d'un même point. Le rover est également doté de panneaux solaires qui alimentent en électricité les instruments scientifiques qu'il transporte. Artemis a déjà réalisé sa première campagne d'essai sur le terrain en collaboration avec la NASA, en juillet 2012.

Masse : 230 kg
Peut transporter jusqu'à 150 kg de charge utile scientifique
Vitesse maximale : 4 km/h
Traction intégrale
Entrepreneur principal : Neptec Design Group
Valeur du contrat : 13,5 M$
Partenaires : ODG, COM DEV, NGC Aerospace, Université McGill, ProtoInnovations, Provectus

Microrover Kapvik (nouveau)

Pesant un maigre 40 kg, Kapvik (qui signifie « carcajou » en innu) est l'un des deux microrovers élaborés par l'ASC. Les microrovers sont des véhicules qui peuvent être mis à contribution afin de faciliter le travail humain (p. ex., on peut les utiliser pour aider un astronaute à creuser le sol) ou même le travail des rovers lunaires plus imposants. Leur petite stature leur permet d'explorer les espaces restreints (p. ex. des grottes ou des crevasses). Kapvik peut aussi être relié par un câble à un rover plus grand et être progressivement descendu le long de pentes présentant une inclinaison maximale de 65 degrés (en guise de comparaison, les rampes de saut à ski ont une inclinaison de 40 degrés!).

Le bras robotique de Kapvik remplit deux fonctions. Dans un premier temps, il sert de mât. Grâce aux capteurs installés à son extrémité, il permet au rover de balayer et de cartographier son environnement afin de repérer des minéraux, de l'eau ou de la glace. Lorsque le rover a repéré une cible d'intérêt, il peut s'y rendre par lui-même, déployer son bras robotique, creuser une tranchée et déposer des échantillons de sol ou de roches dans deux contenants installés sur ses « épaules ».

Mât robotique et capteurs d'imagerie miniatures
Suspension de type « rocker-bogie »
Commandé à distance et entièrement autonome
Autonomie supérieure à 500 m
Fonctionnement autonome sur les pentes de 30 degrés et moins
Fonctionnement à l'aide de câbles sur les pentes abruptes de 65 degrés maximum
Mât robotique doté d'un effecteur terminal permettant l'acquisition d'échantillons sélectionnés et le creusage de tranchées
Les capteurs d'imagerie multispectrale UV-Vis/IR permettent l'analyse in situ et la cartographie 2D des ressources minéralogiques, du contenu en eau/glace et des ressources planétaires
Entrepreneur principal : MPB Communications
Valeur du contrat : 2 M$
Partenaires : Université Carleton, Université Ryerson, UTIAS, MDA, Université de Winnipeg, Xiphos

Plateforme de microrover avec bras robotique instrumentalisé (nouveau)

Deuxième microrover mis au point par l'ASC, ce petit véhicule de la taille d'une pinte de lait peut prêter main-forte à un astronaute ou encore travailler en tandem avec un autre rover plus imposant. Les microrovers peuvent être utilisés pour explorer les endroits inaccessibles aux humains ou aux rovers de plus grande taille. Les microrovers peuvent être attachés par un câble à un rover plus grand, de manière à pouvoir descendre des pentes présentant une inclinaison maximale de 65 degrés. Ce microrover de la taille d'une pinte de lait a pour particularité qu'il peut rouler en terrain rocailleux. On peut remplacer ses roues par des chenilles, au besoin, et on peut également relever ou abaisser son centre de gravité afin d'accroître sa stabilité en terrain difficile à négocier.

Plateforme de microrover de 30 kg munie d'un bras instrumentalisé, qui convient bien aux missions de reconnaissance, de retour d'échantillons et d'exploration scientifique
Autonomie supérieure à 500 m
Fonctionnement autonome sur les pentes de 30 degrés et moins
Fonctionnement à l'aide de câbles sur les pentes abruptes de 65 degrés maximum
Configuration variable et modulaire lui conférant une souplesse accrue pour différents scénarios opérationnels sur terrain rocailleux
Système de navigation permettant la télé-exploitation, le fonctionnement autonome et le contrôle collaboratif
Entrepreneur principal : Engineering Services Inc.
Valeur du contrat : 2,15 M$
Partenaires : Cohort Systems Inc (anciennement Frontline Robotics), Université York

Prototypes terrestres de rovers martiens

Rex

Rex (pour Robot EXplorer) est un rover terrestre conçu pour simuler des opérations de prélèvement de roches et de sol à la surface de Mars. Ainsi nommé à la suite d'un concours national en association avec la chaîne History TV, le robot à six roues peut surmonter des obstacles atteignant 15 cm. Il est aussi doté d'un bras robotique. Rex peut transporter jusqu'à 30 kg de matériel scientifique pour mener à bien ses activités. C'est avec succès qu'il a réalisé en 2010 sa première mission terrestre à l'occasion d'un essai sur le terrain réalisé conjointement avec la NASA au cratère météoritique de Flagstaff en Arizona.

Dimensions : (longueur x largeur x hauteur) : 152 x 142 x 76 cm
Masse : 140 kg
Roues : 6 (aluminium ou caoutchouc)
Peut transporter jusqu'à 30 kg de charge utile scientifique
Vitesse nominale : 4 cm/sec
Franchissement d'obstacles : 15 cm
Franchissement de pente : 10 degrés
Entrepreneur principal : MDA
Valeur du contrat : environ 1,3 million $

Rover scientifique d'exploration martienne (nouveau)

Le Rover scientifique d'exploration martienne fait partie de la famille des nouveaux prototypes terrestres de l'ASC. Il se compare aisément à un géologue robotisé. Il est capable de mener des activités scientifiques à la surface de la planète rouge, en particulier une mission de retour d'échantillons en vue de leur étude sur Terre. Le rover solaire chaussé de six roues pourra actionner un bras robotique muni d'une micro-pelle et d'un mini-carottier pour percer la roche afin d'en analyser la composition et de récolter des échantillons d'intérêt.

Masse : 250 kg
Peut transporter jusqu'à 70 kg de charge utile scientifique
Peut être commandé à distance
Vitesse nominale : 0,4 km/h
6 roues motrices, dont 4 à direction indépendante, suspension souple
Alimenté à l'énergie solaire (329 W max.)
Système de vision intégrée
Entrepreneur principal : MDA
Valeur du contrat : 7,25 millions $
Partenaires : BRP, UTIAS-ASRL, UTIAS-Space Flight Laboratory (SFL), UWO, Université McGill, Université Memorial, Université Brock, Université York, Université de Winnipeg, Turquoise Technology

L'ASC dispose également des instruments scientifiques et techniques suivants pour équiper ses rovers :

Petit bras manipulateur : Bras robotique d'une portée de 1 mètre avec six degrés de liberté et une précision de 1 mm. Il peut être installé sur l'un ou l'autre des rovers de l'ASC. (Entrepreneur principal : Engineering Services Inc. Valeur du contrat : 2 millions $.)
Manipulateur planétaire de taille moyenne : Bras robotique doté de sept degrés de liberté et d'une portée de 2,3 mètres. Il est conçu pour déplacer des charges utiles ou des outils d'une masse de 10 kg, avec une précision de quelques millimètres. (Entrepreneur principal : Engineering Services Inc. Valeur du contrat : 3,2 millions $.)
Microscope multispectral d'exploration 3D : Microscope haute résolution capable de capter des images couleurs 3D en vue de l'étude de la structure et de la morphologie des échantillons de sol et des surfaces rocheuses. Le microscope peut être installé à l'extrémité du bras robotique du Rover scientifique d'exploration martienne. (Entrepreneur principal : MDA. Valeur du contrat : 1,45 million $.)
Mini-carottier : Petite foreuse placée à l'extrémité du bras robotique d'un rover, servant à recueillir des échantillons de roches et de sol sous forme de carottes dont la taille prévue est de 15 cm de longueur et de 1 cm de diamètre. Le mini-carottier s'installe au bout du bras du Rover scientifique d'exploration martienne pour travailler en tandem avec le microscope. (Entrepreneur principal : NORCAT. Valeur du contrat : 2,16 millions $.)
Système de forage miniature : Système de forage conçu pour prélever des échantillons à une profondeur minimale de 1 mètre sous la surface et les transférer tout en conservant les composés volatils pendant tout le processus. Le système a été mis à l'essai sur le terrain lors d'une mission menée par la NASA en juillet 2012. (Entrepreneur principal : NORCAT. Valeur du contrat : 2,8 millions $.)
Système de communication de prochaine génération : Ce système assure les télécommunications locales de courte et de longue portée sur une planète ou sur la Lune. (Entrepreneur principal : MDA. Valeur du contrat : 1,2 million $.)
Systèmes de vision : Quatre systèmes de vision distincts seront intégrés aux rovers afin d'améliorer la navigation, l'imagerie, ainsi que l'échantillonnage et la reconnaissance géologiques. (Entrepreneur principal de chaque contrat : Neptec : contrat d'une valeur de 500 000 $; MDA : 500 000 $; Neptec : 1,5 million $; Optech : 1,5 million $).
Simulateur : Un simulateur en temps réel a été mis au point aux fins de la planification des manœuvres de rovers et de la simulation de leurs activités. (Entrepreneur principal : CM Labs. Valeur du contrat : 300 000 $.)

Innovations dérivées

SL-Commander

En vertu d'un contrat en sous-traitance conclu avec MDA pour le rover léger d'exploration lunaire, BRP a mis au point une version électrique du BRP Commander offert sur le marché. Il s'agit d'un véhicule tout terrain électrique à navigation et conduite entièrement automatisées fonctionnant en autonomie ou avec un conducteur.

Peut être conduit par un humain
Commandé à distance
Véhicule de 1 100 kg
Charge utile de 200 kg
Vitesse maximale de 40 km/h

Pile à combustible

La pile à combustible est un groupe électrogène mobile. Elle constitue une source d'énergie pour diverses expériences et différents rovers. Elle a été mise au point en vue d'accroître l'expertise dans l'utilisation des piles à combustible, tout en s'appuyant sur des connaissances et une expérience étendues des applications connexes. Elle pourra appuyer les efforts d'intégration des piles à combustible aux systèmes de forage mobiles, d'équilibrage des réseaux d'alimentation écologiques et le développement de systèmes technologiques lunaires et martiens.

Entrepreneur principal : Hydrogenics
Valeur du contrat : 1,5 million $

La Q6 est essentiellement un très petit, mais très puissant mini-ordinateur. Il s'agit de la plus récente d'une série de cartes de traitement de données aptes au vol spatial et à faible consommation d'énergie. Elle peut servir de carte processeur autonome, et plusieurs cartes peuvent être superposées pour former un « Q-Stack ».

La Q6 est intégrée à plusieurs prototypes de charge utile de l'ASC et est utilisée par la NASA, l'ESA et la JAXA. Quatre unités sont déjà exploitées dans le cadre de véritables missions spatiales.

Entrepreneur principal : Xiphos Technologies
Valeur du contrat : 2,1 millions $