Solar Sail Interplanetary Transfer: Part I - Earth-Mars Rendezvous Using Evolutionary Neural Network

L'exploration de l'espace profond est depuis longtemps un jeu de fusées chimiques, de moteurs massifs qui brûlent du carburant pour propulser les engins spatiaux, avant de les laisser dériver pour le reste du voyage. Mais un autre type de propulsion a émergé, qui ne nécessite aucun carburant. Au lieu de brûler de la matière propulsive, ces engins spatiaux utilisent la pression de la lumière solaire elle-même. Imaginez un miroir géant et scintillant flottant dans l'espace ; à mesure que les photons du soleil frappent sa surface, ils transfèrent une infime quantité de mouvement, poussant l'engin vers l'avant. C'est la voile solaire. Bien que le concept ait été testé ces dernières années par des missions du Japon, des États-Unis et d'autres organisations, transformer cette poussée douce et continue en une trajectoire précise vers une autre planète reste un défi redoutable. Les mathématiques impliquées sont incroyablement complexes, truffées de torsions non linéaires qui rendent difficile la recherche de l'itinéraire parfait pour les ordinateurs traditionnels. Si un engin spatial manque sa cible, même d'une infime marge, il pourrait dériver au-delà de sa cible pour toujours.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs Renuganth Varatharajoo, Amirul Fiqri Abdullah et Yury Razoumny ont développé une nouvelle façon de planifier ces voyages. Ils ont combiné deux outils puissants : un algorithme évolutionnaire, qui imite le processus de sélection naturelle pour tester des milliers de solutions possibles, et un réseau de neurones, un type de programme informatique inspiré par le cerveau humain capable d'apprendre à prendre des décisions. Dans leur étude, ils ont cherché à voir si ce système hybride pouvait guider une voile solaire de la Terre vers Mars. Ils n'ont pas construit de vaisseau physique ; à la place, ils ont créé une simulation numérique détaillée du système solaire. Dans cet environnement virtuel, ils ont chargé l'ordinateur de trouver les meilleurs angles de direction pour la voile afin d'atteindre Mars, en arrivant avec la vitesse et la position correctes pour rencontrer la planète. L'objectif était de minimiser le temps nécessaire pour y arriver tout en s'assurant que l'engin spatial ne passe pas trop loin de sa cible ou ne reste pas trop en retrait.

Les chercheurs ont testé leur méthode sous trois conditions différentes, représentant des voiles solaires aux niveaux de performance variables. Le premier scénario utilisait une voile hautement efficace, capable de générer une poussée forte. Dans ce cas, l'ordinateur a réussi à tracer une route qui a amené l'engin spatial vers Mars en un peu moins de 400 jours. Le deuxième test utilisait une voile ayant la moitié de la performance de la première. C'était plus difficile, exigeant un travail plus acharné de l'ordinateur pour trouver un chemin, et le voyage a duré près de 600 jours. Le dernier test, le plus difficile, impliquait une voile à très faible performance, ne produisant qu'une infime fraction de la poussée de la première. Ici, le voyage s'est étendu à près de 2 400 jours. Ces résultats ont montré que le système pouvait trouver une solution même lorsque l'engin spatial était très faible, mais qu'il nécessitait un temps de trajet nettement plus long pour atteindre la destination.

Un élément clé de leur découverte concernait la manière dont l'ordinateur apprenait à naviguer. Les chercheurs ont découvert que le nombre de points de données utilisés par l'ordinateur pour vérifier ses progrès importait énormément. Lorsqu'ils utilisaient un petit nombre de points de contrôle, l'ordinateur pouvait trouver un chemin rapidement, mais l'arrivée était moins précise. Lorsqu'ils augmentaient le nombre de points de contrôle, l'ordinateur pouvait effectuer des ajustements plus fins, améliorant la précision de la vitesse à l'arrivée. Cependant, ils ont découvert un compromis. Augmenter le nombre de points de contrôle ne rendait pas toujours la mission globale meilleure. Dans certains cas, améliorer la vitesse à l'arrivée signifiait que l'engin spatial arrivait à une distance légèrement moins bonne de la planète, ou que le temps de voyage total augmentait. Le système semblait privilégier un objectif plutôt qu'un autre selon la manière dont il était configuré. Cela suggère qu'il n'existe pas de réglage « parfait » pour chaque mission ; au contraire, les planificateurs de mission doivent équilibrer le besoin de précision face à la puissance de calcul disponible et aux exigences spécifiques du voyage.

L'étude démontre que cette approche de réseau neuronal évolutionnaire est un moyen viable de résoudre l'énigme complexe de la navigation par voile solaire. En permettant à l'ordinateur d'explorer un vaste éventail de possibilités et d'apprendre de ses erreurs, il peut trouver des itinéraires que les méthodes traditionnelles pourraient manquer. Les chercheurs ont montré que cette méthode fonctionne bien pour un voyage vers Mars, même avec une voile de faible performance, et qu'elle peut s'adapter à différentes contraintes de mission. Bien que les résultats soient actuellement limités à des simulations informatiques, le cadre est conçu pour être flexible. Il pourrait potentiellement être adapté pour des missions vers d'autres planètes ou astéroïdes, offrant un nouvel outil aux futurs explorateurs qui souhaitent voyager dans le système solaire en utilisant la puissance du soleil. Ce travail confirme qu'avec les bons outils informatiques, la poussée douce de la lumière solaire peut être exploitée pour guider un engin spatial à travers les vastes distances entre les mondes.