Une équipe parrainée par la NASA crée un appareil compact pour aider les vaisseaux spatiaux à atterrir en toute sécurité sur les planètes

Newswise – DALLAS (SMU) – Une équipe financée par la NASA dirigée par des chercheurs de SMU pense que leur petit appareil léger développé pour mesurer la vitesse des vaisseaux spatiaux améliorera les chances d’atterrissages réussis sur Mars et d’autres planètes.

Plus petit, disent-ils, c’est mieux dans l’espace.

Le microrésonateur optique construit par l’équipe ne mesure que 2 millimètres de long, par rapport à l’outil de surveillance de la vitesse le plus couramment utilisé sur les engins spatiaux – l’interféromètre Fabry-Perotqui peut atteindre 500 millimètres. La NASA et d’autres agences spatiales peuvent être en mesure d’utiliser le microrésonateur pour obtenir une mesure précise et rapide de la vitesse à laquelle un vaisseau spatial se déplace dans une direction spécifique.

Les premiers résultats de preuve de concept ont été publiés dans AAAA Journal.

“Chaque gramme d’un appareil fait une énorme différence dans la quantité de carburant que je devrai avoir sur un vaisseau spatial et dans le nombre d’autres éléments que je peux inclure comme charge utile sur ce vaisseau spatial”, a déclaré Volkan Ötügen de SMU, l’un des créateurs du microrésonateur optique. .

Ötügen est doyen associé principal du département de génie mécanique de la Lyle School de SMU et directeur du laboratoire SMU MicroSensor. L’appareil que lui et d’autres chercheurs ont construit utilise un phénomène connu sous le nom de “mode galerie chuchotant”.

La vitesse d’un vaisseau spatial est une mesure clé lors de sa descente, car le temps entre le moment où un vaisseau spatial entre dans l’atmosphère d’une planète et le moment où il atterrit n’est généralement que de quelques minutes au maximum. Et des accidents coûteux comme le crash du vaisseau spatial européen Schiaparelli sur Mars soulignent la rapidité avec laquelle une mission peut mal tourner lorsque le vaisseau spatial reçoit des informations erronées.

Seulement 40 % des missions sur Mars – lancées par n’importe quelle agence spatiale – y atterrissent avec succès.

Comment fonctionne le microrésonateur

Une galerie de chuchotements est une zone circulaire ou elliptique fermée, comme celle trouvée sous un dôme architectural, dans laquelle les chuchotements faits à une extrémité du dôme peuvent être entendus clairement de l’autre côté.

C’est parce que les ondes sonores se déplacent autour du cercle ou du dôme, avec très peu de volume perdu. Les ondes lumineuses peuvent faire de même.

Dans le microrésonateur, une galerie de chuchotement a été créée à l’aide d’une fibre optique, à travers laquelle la lumière peut voyager.

“La surface interne de cette petite cavité circulaire agit comme un miroir et la lumière injectée par la fibre optique tourne en rond à l’intérieur de la cavité des millions de fois”, a déclaré Ötügen.

Une “résonance” se produit lorsque la longueur d’onde de la lumière est un multiple exact de la distance qu’il faut pour parcourir la cavité une fois, a-t-il expliqué.

A la résonance, une partie de la lumière est soit absorbée, soit s’échappe par la surface. Ainsi, la lumière qui sort de la galerie des chuchotements est plus faible que celle qui y est entrée.

“Quand je vois une goutte de lumière, je sais qu’une résonance s’est produite à cette longueur d’onde”, a déclaré Ötügen.

L’enregistrement de ce changement de longueur d’onde peut être utilisé pour mesurer différentes mesures, y compris l’accélération d’un vaisseau spatial. Les appareils qui utilisent des modes de galerie de chuchotement produisent des résultats très précis malgré leur petite taille.

Ötügen a travaillé avec trois assistants de recherche SMU – Alexandra Weis, Elie R. Salameh et Jaime da Silva – et des chercheurs de Michigan Aerospace Corporation pour construire le microcapteur dans son laboratoire.

L’équipe de SMU a déjà démontré l’utilisation de résonateurs en mode galerie chuchotant pour d’autres applications, notamment la détection de la force, de la température et des champs électriques.

Ce que le microrésonateur utilise pour obtenir des données

Lorsqu’un vaisseau spatial est dirigé pour atterrir sur Mars ou sur toute autre planète de notre système solaire, il doit d’abord voyager à travers les couches de gaz appelées atmosphère qui enveloppent la planète. Sur Mars, cette atmosphère mince peut ralentir un vaisseau spatial à près de 12 500 milles à l’heure.

Des poches de gaz de densité variable peuvent également faire dévier le vaisseau spatial de sa trajectoire lors de sa descente et le vaisseau spatial doit réduire sa vitesse en toute sécurité à zéro dans un court laps de temps.

Tout cela peut rendre la descente planétaire extrêmement difficile. Il prend des mesures précises de direction et de vitesse pour l’aider à atterrir en toute sécurité.

Le microrésonateur peut collecter les informations dont l’ordinateur du vaisseau spatial a besoin pour déterminer la vitesse en utilisant la lumière rétrodiffusée de l’atmosphère. Toutes les planètes du système solaire ont une atmosphère, donc cet appareil pourrait théoriquement être utilisé sur n’importe laquelle d’entre elles.

Les rayons lumineux dans l’espace sont déviés de leur trajectoire directe lorsqu’ils frappent les molécules de gaz constituant l’atmosphère. Ainsi, lorsque le vaisseau spatial envoie des impulsions de lumière laser dans l’atmosphère sur son chemin, cette lumière est renvoyée au vaisseau spatial.

De minuscules quantités de cette lumière rétrodiffusée sont transmises au microrésonateur et analysées.

La vitesse relative entre l’atmosphère et le vaisseau spatial crée ce qu’on appelle l’effet Doppler – le changement de longueur d’onde par rapport à un observateur, ici le vaisseau spatial, qui se déplace dans l’atmosphère. Vous voyez l’effet Doppler travailler avec les ondes sonores dans la sirène d’une ambulance, devenant plus aigu à mesure qu’il se rapproche de vous, puis plus grave lorsqu’il s’éloigne.

Les ondes lumineuses fonctionnent de la même manière, sauf qu’elles prennent différentes nuances de couleur en fonction de la vitesse à laquelle elles se déplacent.

A partir du changement de la longueur d’onde, la vitesse de l’engin spatial peut être déterminée.

À propos de SMU

SMU est l’université de recherche mondiale classée au niveau national dans la ville dynamique de Dallas. Les anciens élèves, les professeurs et plus de 12 000 étudiants de SMU dans huit écoles délivrant des diplômes font preuve d’un esprit d’entreprise alors qu’ils dirigent le changement dans leurs professions, leurs communautés et le monde.

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