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Pour ses 100 ans, l'hélicoptère débarque sur Mars

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L'hélicoptère "Ingenuity" doit effectuer le premier vol sur Mars.
L'hélicoptère "Ingenuity" doit effectuer le premier vol sur Mars.
- NASA Jet Propulsion Laboratory

Pour ses cent ans, l'hélicoptère est ces jours-ci en passe d'affronter un nouveau défi : un prototype intitulé Ingenuity vient d'arriver sur Mars, à bord du rover Perseverance, et il devra voler avec une atmosphère d'une densité équivalente à seulement 1% de celle de la Terre.

Après avoir conquis les cieux de la Planète Bleue, l'histoire de l'hélicoptère s'apprête à prendre un nouvel envol : le mini-hélicoptère Ingenuity vient de se poser sur Mars en même temps que le rover Perseverance, ce jeudi 18 février 2021. Si cet hélicoptère parvient à prendre les airs, il s'agira d'une véritable prouesse technique : c'est la première fois qu'un appareil humain volera sur une autre planète. La gravité de Mars est en effet plus faible que celle de la Terre (d'environ deux tiers) et la densité de l'atmosphère sur la planète rouge équivaut à seulement 1 % de la nôtre. Avec de telles contraintes, le simple fait de voler relèvera de l'exploit.

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L'arrivée de cet engin aérien sur Mars vient couronner de manière inattendue près d'un siècle d'existence de l'hélicoptère. C'est en effet en avril 1921 que l'ingénieur français Etienne Oehmichen parvenait, après plus de 80 essais, à faire voler un appareil de test à l'horizontale sur une soixantaine de mètres. En janvier de la même année, son premier prototype d'hélicostat, un appareil à moteur Renault de 25 chevaux à la stabilité assurée par un ballon gonflé à l’hydrogène, était parvenu à décoller à une hauteur de 8 mètres. Trois ans plus tard, il parviendra à boucler un circuit d'un kilomètre grâce à un appareil muni de quatre hélices de sustentation et huit hélices de direction : l'hélicoptère est né. 

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Etienne Oehmichen, en 1923, dans un de ses nombreux prototypes.
Etienne Oehmichen, en 1923, dans un de ses nombreux prototypes.
© Getty - Topical Press Agency

Il faut "évoquer ce très grand pionnier - car les choses ne sont pas si récentes - qu'était Oehmichen, rappelait le neurophysiologiste Alain Berthoz, responsable de la chaire de Physiologie de la perception et de l'action au Collège de France, dans une émission de Science publique consacrée en 2011 au biomimétisme. Il est mal connu en France, mais Oehmichen, à Montbéliard, a été certainement le premier à faire voler un hélicoptère. Il a eu une Chaire de biomécanique animale au Collège de France. Il s'était intéressé pendant des années au problème du vol des insectes. Il a réalisé tout une série d'instruments. Il s'est cassé la figure avec certains, mais il a fini par faire voler cet hélicoptère...

De Vinci à Oehmichen : une histoire de biomimétisme 

"On peut parler de Léonard [de Vinci] également", complétait, dans la même émission, Jean Arcady Meyer, directeur de recherche émérite au CNRS à l'Institut des Systèmes Intelligents. Le rêve de l'hélicoptère doit en effet beaucoup à l'observation de la nature. Qui, petit, n'a pas observé avec curiosité les graines des érables sycomores, les "Samares", dont les ailes membraneuses les faisaient tournoyer dans les airs ? 

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Plus encore que ces graines, c'est l'observation des insectes qui pousse les premiers ingénieurs à conceptualiser ce qui deviendra l'hélicoptère. Léonard de Vinci, pionnier, conceptualise un aéronef à hélice qu'il croque dans un de ses carnets entre 1487 et 1490. Cette vis aérienne s'inspire de la vis d'Archimède, un système mécanique créé dans l'antiquité et qui permet de faire monter de l'eau. Léonard de Vinci estime qu'une vis qui parvient à faire monter de l'eau dans un sens non-naturel, donc du bas vers le haut, doit pouvoir se déplacer dans le fluide qu'est l'air qui nous environne.

Le schéma de la vis aérienne imaginée par de Vinci.
Le schéma de la vis aérienne imaginée par de Vinci.
- Leonard de Vinci

Si le célèbre génie a vu juste, les moyens techniques manquent néanmoins pour faire de son aéronef un véhicule viable. Il faudra attendre trois siècles de plus avant que les premiers modèles à hélice ne décollent du sol : en 1754, le Russe Mikhail V. Lomonosov  fait la démonstration d'une boite qui, à l'aide d'un mécanisme d'horlogerie et de deux rotors (les pales en rotation) parvient à décoller légèrement et montre l'existence d'une force de sustentation.

Ceux qui se rêvent à voler s'interrogent : est-ce seulement possible à l'aide de moyens de locomotions plus lourds que l'air ? "Vouloir lutter contre l'air en étant plus léger que l'air, c'est folie", écrit ainsi l'aéronaute et photographe français Félix Tournachon, alias Nadar, dans son ouvrage Manifeste de l'automotion aérienne, en 1863 : "Pour lutter dans l'air, il faut être spécifiquement plus lourd que l'air". A cette fin, il crée la "Société d'encouragement de la locomotion aérienne au moyen du plus lourd que l'air", dont l'un des membres n'est autre que Jules Verne qui, s'il n'a pas inventé de moyens de locomotions, les a imaginés bien avant leur existence : il raconte ainsi, dans Robur le conquérant, l'histoire d'une mission de sauvetage effectuée à l'aide d'un hélicoptère.

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Parmi les autres membres de cette société, l'ingénieur Gustave Ponton d'Amécourt imagine le mot "hélicoptère", d'après le grec "helikos", pour l'hélice, et "pteron", pour l'aile.

Une question de rotors

Entre le XVIIIe siècle et les années 1920, les ingénieurs poursuivent leurs travaux dans l'espoir de faire enfin décoller verticalement à l'aide d'hélices. Mais au début du XXe siècle, seule une poignée d'ingénieurs se passionnent encore pour le sujet. L'essor de l'avion, qui vole lui - littéralement - de succès en succès, amenuise l'intérêt pour l'hélicoptère. Le début du XXe siècle est néanmoins marqué de premiers vols stationnaires, avec le gyroplane de Breguet-Richet ou l'hélicoptère de Paul Cornu, en 1907. Mais la Première Guerre mondiale met un coup d'arrêt à la recherche aéronautique, qui ne reprend que dans les années 20. C'est là que naît véritablement l'hélicoptère.

L'ingénieur français Etienne Oehmichen est loin d'être le seul à obtenir des résultats. Il est en réalité difficile de trancher sur la paternité de cette invention, tant les avancées se côtoient dans le temps. Oehmichen partage probablement la paternité de l'invention de l'hélicoptère avec des ingénieurs comme l'Argentin Raúl Pateras Pescara, le Russo-roumain George de Bothezat, ou encore l'Italien Marinello Nelli : tous sont des précurseurs de l'hélicoptère moderne. 

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Au cours des années 1930, l'hélicoptère se modernise. La principale difficulté à laquelle sont confrontés les ingénieurs est celle des rotors, c'est-à-dire le mouvement de rotation des pâles : s'il n'y a qu'un seul rotor sur l'appareil, ce dernier va tourner dans le sens inverse de rotation de l'hélice. Pour pallier cela, les premiers hélicoptères sont donc équipés de deux rotors, chacun tournant dans un sens différent, mais cette solution, en plus d'être complexe, s'avère coûteuse. 

Il faut attendre les années 1940 pour que naisse l'hélicoptère moderne. Un ingénieur russe, Igor Sikorsky, a l'idée simple de coupler un grand rotor horizontal à un petit rotor vertical en bout de queue de l'appareil : cette invention permet de compenser l'effet de rotation... et de réduire les coûts de développement. Encore peu utilisé au cours de la Seconde Guerre mondiale, l'hélicoptère va devenir un moyen de transport aérien très usité : il devient partie intégrante des stratégies militaires lors des guerres de Corée, du Vietnam, d'Indochine ou encore lors de la guerre d'Algérie... Son utilisation reste d'ailleurs, encore aujourd'hui, essentiellement militaire. Son coût de fabrication, la nécessité d'un entretien régulier, et le petit nombre de personnes qu'il est susceptible de transporter ne justifient en effet que rarement, à l'exception des missions de sauvetage ou à des fins d'accès à des zones difficiles, une utilisation civile. 

L'hélicoptère à la conquête du système solaire

Avec l'arrivée d'Ingenuity sur Mars, l'hélicoptère retrouve donc un peu de sa fonction originelle : le seul but de l'appareil tout juste posé sur la planète rouge sera de parvenir à voler, pour la bonne marche de la science. Le prototype n'est en effet équipé d'aucun instrument scientifique, à l'exception de caméras haute résolution. "Il n'y a que très peu d'air pour soulever l'hélicoptère, pour réussir à voler nous avons dû adopter des caractéristiques minimales : Ingenuity ne pèse que 1,8 kilo, a la taille d'une boîte de mouchoirs et il est équipé de deux jeux de pales d'environ 1,2 mètre de long", raconte Jaakko Karras, ingénieur robotique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, sur Sciences et Avenir. Pour parvenir à faire voler ce petit appareil, qui tient plus de l'hélicoptère que du drone en raison de la taille de ses pales, ces dernières accompliront 2 400 tours par minute : une vitesse bien supérieure à celle nécessaire sur Terre. 

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Dans l'immédiat, les ingénieurs de la NASA n'ont pas encore annoncé la date du premier vol d'Ingenuity, qui est alimenté par panneaux photovoltaïques. Ils doivent d'abord s'assurer du bon fonctionnement des instruments à bord du rover Perseverance, ce qui leur prendra une durée encore indéterminée. Ils devront également prendre en compte les conditions météorologiques propres à la planète rouge.

Avec ce premier vol sur une autre planète, les chercheurs de la NASA accompliront un fantasme qui n'a rien de nouveau : l'idée de voler dans l'atmosphère de Vénus à l'aide de dirigeables avait en effet germé dans l'esprit des astronomes depuis les années 1970... et a été remise sérieusement sur la table en 2018 à la NASA avec le projet HAVOC. Si Ingenuity parvient à accomplir sa mission, il pourrait bien ouvrir un nouveau pan de l'exploration du système solaire. Et permettre à l'espèce humaine d'apprendre, une nouvelle fois, à voler.

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