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ALLER - RETOUR SUR MARS

(2/2 - les voyages)

Nous avons fait connaissance avec Mars dans la précédente PdQ. Nous savons que c’est loin de la Terre et du Soleil, qu’il y a peu d’atmosphère et pas d’air, qu’il y fait plus que froid et que rien ne pousse sur un sol rougeâtre de brique pilée. Quelques avantages, on s’y sent plus léger (un tiers de son poids), la journée dure à peu près comme sur Terre et l’astre est une mine d’information sur les origines du système solaire et peut-être de la vie.    

 

POURQUOI UN VOYAGE SUR MARS 

Le bref résumé précèdent devrait limiter les ambitions d’un voyage à quelques scientifiques téméraires et encore en s’assurant que ce qu’ils comptent découvrir ne peut pas l’être par des robots moins coûteux. Et pourtant, les projets de voyages humains auxquels on donne une teinture scientifique  pour les justifier se multiplient tant dans les agences gouvernementales que par des groupes privés. Avec quelles motivations ?

 

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Nous ne retiendrons pas la démonstration politique de puissance comme pour Apollo, tant la facture est hors de proportions avec les retombées médiatiques. Voyons les autres attentes :

Retombées scientifiques
Il y a tout ce que la présence humaine sur Mars pourra apporter de plus, mais conditions, moyens et durée de séjour vont beaucoup limiter les découvertes. Par contre, la physiologie et la psychologie humaines vont être étudiées dans les conditions exceptionnelles de ce long voyage spatial. C’est un banc d’essai complet pour d’autres missions interplanétaires.

Moteur de programmes de recherche
Sans s’inscrire dans un objectif  ambitieux et apprécié, les programmes de recherche ont de la peine à se faire reconnaître et à attirer de bonnes équipes. « Aller sur Mars » est un moteur dynamique et les retombées techniques se retrouvent dans de multiples disciplines ayant des applications spatiales et terrestres.

Effet « Jules Verne »
Faire rêver avec de la science  ouverte sur l’aventure permet d’enthousiasmer le public et d’orienter les jeunes vers des études scientifiques trop souvent délaissées. C’est certainement  cet objectif qui peut donner les retombées les plus rentables à long terme pour notre société comme le furent les romans de Jules Verne sur plusieurs générations.

Gesticulation médiatique
Enfin, Mars appartient depuis longtemps à l’imaginaire populaire et peut paraître pour beaucoup une simple étape supplémentaire après la Lune. Les découvertes spatiales placent souvent la planète dans une actualité largement enjolivée par les médias. C’est la porte ouverte à des projets qui s’affranchissent des limites techniques actuelles et proposent un club Méd sur Mars.
Mais, cet intérêt populaire ne peut être sous-estimé, il entretient dans le public et chez les décideurs l’intérêt et la sympathie pour la recherche spatiale.

On pourra trouver dans les programmes lesplus avancés et les plus médiatisés, une ou plusieurs de ces motivations.

 

LES ROUTES POUR MARS

Nous connaissons déjà deux contraintes sérieuses pour choisir les dates pour l’aller et pour le retour. La première est de choisir la période où Mars et la Terre sont les plus proches. Elles sont alignées avec le soleil (opposition) et cela se produit tous les 780 jours, un peu plus de deux ans. La seconde vient du fait que cette distance minimale n’est pas constante et qu’elle varie de 60 millions de km à plus de 100 millions  avec un délai de 15 ans entre deux dates favorables

 

Trajectoire optimale (orbite de Hohmann)

Pendant le long parcours d’un astre à l’autre, les planètes vont se déplacer. Il faut optimiser la trajectoire elliptique du vaisseau pour obtenir la durée minimale du voyage. La trajectoire  retenue est tangente à l’orbite de l’astre au départ pour termine tangente à l’orbite de la planète atteinte au jour de l’arrivée.

Parcours direct

Il doit toutefois se faire en au moins trois étapes :           

Orbite basse  terrestre de préparation 
En premier lieu, le vaisseau spatial sera placé sur une orbite basse (LEO) pour choisir la meilleure trajectoire Dans certaines missions, il peut être constitué de plusieurs parties lancées séparément et assemblées dans l’espace. Sa vitesse dépasse déjà  28.000 km/h. (7,9 km/s). On sait combien cette étape coûte d’énergie puisque la masse utile est inférieure à 2%  du poids du lanceur.

Parcours Terre-Mars
Il faut ensuite se libérer de l’attraction de la Terre pour entamer le voyage vers Mars en dépassant les 40.000 km/h (11,2 km/s). On  ajoute un peu de vitesse pour réduire la durée du voyage. On va se limiter autour de 50.000 km/h, car si le parcours consomme peu d’énergie, il en faudra beaucoup pour freiner à l’arrivée sur Mars.

Arrivée sur Mars Orbite d’attente
Le scénario reprend inversé celui du départ de la Terre. D’abord mise en orbite basse martienne en réduisant la vitesse de 2 ou 3 km/s, puis préparation  à l’atterrissage de tout ou partie du vaisseau. On utilise le freinage de l’atmosphère, mais il est très faible  et il faut des centaines d’orbite pour qu’il soit significatif. Les vols habités consomment beaucoup d’énergie pour freiner des 4 km/s nécessaires et utilisent des parachutes en phase finale.

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Variantes de parcours

Les plus puissants lanceurs ne peuvent transporter qu’une partie des équipements nécessaires à la mission. Nous avons déjà évoqué les assemblages de vaisseau en orbite terrestre avant le départ pour Mars. La variante la plus crédible suppose que les hommes aient des installations permanentes sur la Lune où ils pourront  y préparer les vols martiens et produire les ergols (H², O²) nécessaires. Il y aurait aussi moins de craintes pour utiliser des moteurs nucléaires plus performants. Si cette approche progressive est raisonnable pour la « colonisation »  de Mars que certains envisagent, il est difficile d’en prévoir l’échéance et il reste à en démontrer l’intérêt et la faisabilité.

Le choix des dates

On a vu que pour que le voyage ne soit pas trop long, il fallait soigneusement choisir les dates de départ et de retour. La Terre tourne 2 fois plus vite que Mars sur son orbite. C’est donc tous les 2 ans environ que les deux planètes sont les plus proches, mais cette distance minimale varie en raison de l’excentricité de Mars de 58 millions de Km à 100 millions de Km. Les années très favorables sont 2018/2020, puis 2033/2035.

 

LES VAISSEAUX MARTIENS

Plusieurs projets ont été étudiés, les plus approfondis sont ceux de la NASA qui utilisent des technologies existantes ou susceptibles d’être rapidement opérationnelles. Deux grands problèmes subsistent : la masse des ergols classiques qu’il faut emporter et la condition physique et psychique des astronautes pendant la mission. Pour la propulsion, le principe de moteurs performants est avancé mais au stade des études. Pour la santé des astronautes, des solutions existent mais  elles alourdissent toujours le vaisseau spatial.

Systèmes de propulsion

Propulseurs chimiques

La solution classique utilise des moteurs biergols (H²-O² le plus souvent) et des moteurs à poudre. Elle est techniquement bien maitrisée, mais après un lancement,  la part utile pour une mission martienne est bien inférieure à 1%. Un échec au lancement ne provoque qu’une pollution limitée et temporaire sur Terre.

Propulseurs nucléaires

On fait appel à l’énergie nucléaire qui pour une même masse de produit est infiniment plus importante que l’énergie chimique. Les moteurs les plus étudiés sont les nucléaires thermiques où un réacteur chauffe le gaz de propulsion de la fusée qui est souvent de l’hydrogène. On atteint de 2500°K à 3500°K et une impulsion spécifique de plus de 1000 s  face à  moins de 400 s pour le chimique. Le vrai problème est dans la construction du réacteur, volumineux et lourd. De nombreux  schémas ont été étudiés  mais aucune réalisation utilisable n’a encore été développée.

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Propulsion à plasma

Un autre moyen de propulsion va utiliser l’énergie électrique pour propulser un plasma, c-à-d des ions issus d’un gaz neutre (hydrogène et/ou hélium) chauffé à très haute température (10 méga.K) C’est ce plasma accéléré par un champ électrique qui propulse la fusée. Voir le projet VASIMR (moteur à propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable) qui permettrait en théorie de rejoindre Mars en moins de deux mois au lieu de sept ou huit. Comme il faut un réacteur nucléaire pour produire l’énergie électrique, ce moteur n’est pas moins dangereux que le nucléaire-thermique.

En résumé, il est probable que la propulsion chimique restera longtemps le moyen le moins risqué et le plus au point pour s’extraire de la pesanteur terrestre. Par contre, l’avenir des voyages dans le système solaire passe par l’utilisation de sources d’énergie nucléaire beaucoup plus performantes.

 

Voyage humain  Terre <> Mars

Il s’agit de disposer du vaisseau qui assurera l’aller-retour  d’une mission d’astronautes vers la planète Mars. Nous retiendrons comme indiqué  le scénario le plus probable qui va de l’orbite terrestre jusqu’à l’orbite de Mars, un peu comme la mission Apollo vers la Lune. A partir de la Terre ou de la surface de Mars, des navettes spéciales assurent les liaisons de transport des astronautes et de ravitaillement avec le vaisseau.

VEHICULE DE TRANSIT

C’est le vaisseau où va vivre l’équipage pendant les voyages d’aller et de retour. Il doit garantir le transport, la sécurité, le santé et le bien-être  des astronautes pendant de longs mois. C’est un projet difficile qui exigera surement de longs tests avant d’être déclaré opérationnel. Voyons comment la NASA l’envisage. 

Vaisseau type pour 6 astronautes

Généralités: C’est un cylindre qui mesure 8 m. de long pour un diamètre dépassant 7m. Le volume extérieur est de 320 m3 qu’il faut aménager  pour remplir les fonctions du vaisseau. Le poids est de 35 tonnes auxquelles on ajoute 20 t  de provisions consommables et 4 t d’ergols pour les manœuvres. Il y a des ports d’amarrage pour des navettes et un sas pour sortie extravéhiculaire.  On a ajouté 4 hublots de 50cm de diamètre. Panneaux solaires (25 kW) et batteries  fournissent l’énergie. L’ensemble est pressurisé mais à 70%  des 1013 mb terrestres  (même pression qu’à 3000 m).

Servitudes:   Elles occupent la moitié du vaisseau avec le système d’orientation et de communication, les réserves de provisions et de pièces de rechange et les dispositifs de recyclage (eau, oxygène). La nourriture est prévue pour 1000 jours.

Partie habitable  Il reste 150 m3  pour les voyageurs, soit 25 m3 chacun, ce qui est raisonnable. Ce volume est partagé entre les parties communes et pour chacun une petite zone strictement personnelle. L’eau est conservée dans des parois de 6 cm d’épaisseur  qui forment pour l’équipage une cabine de protection  contre les radiations en cas d’éruptions solaires.

Cette approche de la NASA est un bon exemple du vaisseau que pourrait  exiger une véritable mission sur Mars. Il faut retenir que seul, le vaisseau habité fait au moins 60 tonnes et que les approfondissements de cette étude préliminaire ont toujours révélé des problèmes nouveaux qui augmentent cette masse.

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Variantes possibles

Le projet NASA prend en compte les principales contraintes techniques, les variantes vont porter sur la protection et la santé des astronautes.

Gravité artificielle.  Les effets de l’impesanteur pendant de longs mois sont préjudiciables aux astronautes et en plus des exercices physiques, il serait souhaitable  de créer une pesanteur artificielle en écartant la partie habitée de l’axe du vaisseau et en la faisant tourner autour comme une fronde. Plusieurs projets existent, mais couteux en masse, ils ne sont pas pour les premières missions.

Sommeil léthargique  Une autre proposition (SpaceWorks) consiste à mettre les astronautes dans un sommeil léthargique pour une grande partie du voyage. Des interruptions sont prévues pour un reconditionnement physique et psychique. Ceci n’a jamais été testé et frise la science-fiction.

Propulseur plasma On peut mettre dans cette catégorie les projets qui limiteraient à 2 mois la durée du voyage et réduiraient  les effets négatifs de la durée et des conditions du voyage comme le propulseur plasma.

 

DESCENTE SUR MARS

Il est probable que les choix porteront toujours sur des navettes  reliant la surface à des vaisseaux en orbite autour de la planète. Pour la descente, l’opération a déjà été réalisée avec succès pour les rovers américains.  Il faut noter qu’on obtient un petit freinage atmosphérique mais que l’opération avec des astronautes devra être écourtée et sera couteuse en énergie.

Pour le retour vers le vaisseau transit, les techniques sont connues depuis la mission Apollo. Il faudra encore de l’énergie. Moins que pour quitter la Terre, mais cela s’ajoute aux ergols à emporter. Il y a plusieurs études pour exploiter le gaz carbonique et l’eau de Mars, mais c’est une petite usine dont il faut disposer sur la planète !

 

CONCLUSION 

La Lune a été longtemps l’astre qui excitait le plus l’imagination des hommes. Dans  les années 70, elle a perdu beaucoup de son prestige quand Apollo a démystifié notre satellite en confirmant que cet astre mort est aride et peu accueillant. Le rêve s’est reporté sur Mars dont la recherche spatiale affinait l’image et précisait les caractéristiques. La planète est devenue la prochaine Terra incognita  où le pied de l’homme devait se poser. Aux approches réalistes, le rêve ne tarda pas à s’ajouter.

LE RÊVE

Le voyage spatial jusqu’à Mars exige un dossier technique si complexe qu’il est aisé d’écarter les projets de pure imagination. Par contre, en plus des Agences spatiales, de nombreux organismes se sont emparé du dossier martien  pour présenter des projets qui seraient crédibles moyennant de longues recherches et un budget conséquent. On fait place au rêve et le rêve attire particulièrement les médias. Le plus bel exemple est Mars One, agréablement et habilement présenté.  Visitez le site et cherchez  l’erreur !!

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LA RÉALITÉ

Sans être pessimistes, il nous faut rester terre-à-terre  et ne retenir que ce qui est faisable.

L’homme sur Mars, non pas les résidences de colons, mais un pied sur le sol rouge martien  est surement une étape encore lointaine dans le contexte économique, politique et social actuel. Non pas que ce ne soit pas  à la portée des ingénieurs, mais parce que l’effort financier parait démesuré et qu’aucune urgence politique ne le justifierait. En plus du retour à l’entente et au calme, l’humanité a des problèmes terrestres plus urgents comme la  croissance de sa population, l’évolution du climat et la protection des ressources de la planète.    Ce qui parait réalisable  est un vaisseau habité approchant Mars pour des observations et des mesures et revenant vers la Terre sans escale. Mais, le jeu en vaut-il la coûteuse chandelle ?

 

En attendant, pourquoi se priver du rêve ?
D’autant que les robots nous permettent de l’illustrer de magnifiques images !

 

 

Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/