Mission habitée vers Mars - Définition

Les scénarios de mission vers Mars en compétition

Deux scénarios de mission habitée vers Mars ont été, à ce jour, particulièrement détaillés : le scénario de la NASA « Design reference mission » conçu à la fin des années 1990 et qui subit des améliorations constantes et le scénario de la Mars Society « Mars Direct ».

Le scénario de référence de la NASA (V5 2009)

Le scénario de référence de la NASA (2009) pour une mission vers Mars (2009) : scénario de conjonction, 7 fusées Ares V et 1 Ares I, propulsion nucléaire, fabrication de carburant sur place, pré positionnement de vaisseaux.

Vaisseau de transit entre Mars et la Terre (NASA 2009)

Module de remontée (NASA 2009)

Lever de soleil sur un canyon martien (source NASA)

Depuis 1988 (NASA Case studies) la NASA affine un scénario de mission habitée vers Mars.

Historique du scénario de mission habitée martienne à la NASA

Les origines : la NASA Space Exploration Initiative (1989)

En réponse à une demande du président des États-Unis, la NASA réalisa une étude sur les projets d'exploration habitée de la Lune et de Mars qui devaient prendre la suite de la Station spatiale internationale. Le rapport qui en résulta appelé le 90-day study, proposait un plan à long terme consistant à compléter la station spatiale internationale jugée une étape incontournable puis de retourner sur la Lune pour y établir une base permanente et enfin envoyer des hommes sur Mars. Ce rapport fut largement critiqué comme trop ambitieux et trop coûteux et tous les fonds destinés à l'exploration habitée au-delà de l'orbite terrestre furent supprimés par le Congrès.

NASA Design reference mission (fin 1990)

À la fin des années 1990 la NASA définit plusieurs scénarios d'exploration habitée de Mars. L'un des plus remarquables, souvent cité, est le Design reference mission 3.0 (DRM 3.0). L'étude a été réalisée par l'équipe d'exploration de Mars du Centre Spatial Johnson (JSC). Des personnes représentant les différents centres de recherche de la NASA ont défini un scénario de référence d'exploration par l'homme de Mars. Le plan décrit les premières missions sur Mars en développant les concepts utilisés et les technologies mises en œuvre. Cette étude repose sur des études précédentes principalement sur les travaux du Groupe de Synthèse (1991) et de Zubrin (1991) pour l'utilisation de carburants produits à partir de l'atmosphère martienne. L'objectif principal de cette étude était de stimuler la réflexion et la découverte d'approches alternatives pouvant améliorer la faisabilité ainsi que réduire les risques et les coûts.

NASA Design reference mission 5.0 (2007)

La NASA a décrit les derniers détails du scénario de mission habitée vers Mars dans ce document. Ce document a été actualisé en janvier 2009.

Le scénario de référence V5 de 2009

la dernière version a été produite en février 2009 (Mars Design Reference Architecture 5.0 ). Le scénario utilise les 2 lanceurs en développement dans le cadre du programme Constellation - l'Ares I conçu pour lancer des vaisseaux habités et l'Ares V capable de mettre 188 tonnes de charge utile en orbite basse - ainsi que le vaisseau habité Orion.

Les choix d'architecture

Les choix d'architecture les plus structurants sont les suivants :

• le scénario d'opposition est rejeté car son intérêt scientifique est trop limité ;
• les 3 étages NTR, utilisés pour lancer les différents modules sur le trajet Terre-Mars, ont une propulsion nucléaire ce qui permet à poids égal de doubler leur puissance par rapport au recours à une propulsion classique (impulsion spécifique de 900 secondes). Pour la propulsion de l'habitat de transit (MTV) qui contient l'équipage, un réservoir s'interpose entre l'étage nucléaire et l'habitat ;
• pour se mettre en orbite autour de Mars les 3 vaisseaux utilisent la technique de l'aérocapture. Cette solution est une alternative à un recours aux moteurs qui consomment un carburant précieux ;
• l'atterrissage sur Mars (Entry Descent and Landing EDL) est considéré comme la phase la plus périlleuse de la mission. Le rapport recommande l'utilisation du freinage atmosphérique pour les cargos et le recours aux fusées pour l'habitat martien qui transporte l'équipage avec des phases d'expérimentation préalable. Ce choix n'est peut être pas compatible avec la contrainte de poids ;
• l'étude envisage l'utilisation des coiffes d'Ares comme bouclier thermique durant la rentrée des modules dans l'atmosphère martienne ;
• 30 % du carburant (oxygène) de l'étage de remontée martien est généré par extraction de l'atmosphère martienne ;
• l'énergie sur le sol martien est fourni par un réacteur nucléaire de 30 kW installé à environ 1 km de l'habitat ;
• le rapport préconise la mise à disposition d'un véhicule pressurisé de petite taille permettant d'effectuer des excursions jusqu'à 100 km de l'habitat (disqualifie l'habitat mobile) ;
• pas de gravité artificielle à bord du véhicule de transit Terre Mars.

Déroulement de la mission de référence NASA

Les principales caractéristiques du scénario sont les suivantes (schéma ci-contre) :

• choix du scénario de conjonction avec un séjour sur Mars de 500 jours et des trajets Terre-Mars de 180 jours ;
• pré positionnement de l'habitat martien (Surface Habitat SHAB) et de l'étage de remontée (Descent / Ascent Vehicle DAV) qui décollent de la Terre 24 mois avant le départ de l'équipage :
  • le lancement en orbite basse terrestre de ces deux modules est réalisé par 4 fusées Ares V : 1 pour chacun des vaisseaux et 1 pour chaque étage propulsif (NTR Vehicle) qui doit envoyer les deux vaisseaux vers Mars. Chaque vaisseau est assemblé avec son étage propulsif en orbite par arrimage automatique,
  • arrivée sur l'orbite martienne le vaisseau d'habitation martienne se met en attente de l'équipage, tandis que le vaisseau de remontée se pose sur le sol martien. Après l'atterrissage il se met à extraire de l'oxygène de l'atmosphère martienne pour produire un des ergols utilisé comme carburant pour la remontée en orbite mais également des consommables au bénéfice de l'équipage (production d'oxygène et eau) ;
• l'équipage (6 personnes) décolle 24 mois après le premier lancement à bord d'un vaisseau Orion lancé par une Ares I. Simultanément trois Ares V lancent en orbite basse respectivement un étage de propulsion (moteur+réservoir), un réservoir et l'habitat qui doit héberger l'équipage durant le trajet Terre Mars aller et retour (Transit Habitat). Les trois modules sont assemblés pour former le vaisseau qui effectuera l'aller retour (Mars Transit Vehicle MTV). L'équipage amarre son vaisseau Orion à l'ensemble et embarque dans l'habitat ;
• l'ensemble est injecté sur une trajectoire martienne en utilisant le propergol contenu dans le réservoir sans moteurs. Celui-ci est alors largué ;
• le vaisseau ralentit pour se mettre en orbite autour de Mars. Contrairement aux modules cargos envoyés 2 ans auparavant, il n'utilise pas la technique de l'aérocapture qui permet d'économiser les ergols;
• en orbite martienne l'équipage embarque dans un petit vaisseau (non décrit) qui lui permet de rejoindre l'habitat martien pré-positionné en orbite martienne 24 mois auparavant ;
• l'habitat martien descend sur le sol martien ;
• l'équipage séjourne sur le sol martien durant 500 jours ;
• à la fin de son séjour il utilise le véhicule de remontée qui a fabriqué automatiquement une partie de son carburant pour remonter en orbite martienne ;
• après une manœuvre de rendez-vous il embarque dans le vaisseau qui effectue le trajet Terre Mars (MTV). Celui quitte l'orbite martienne en puisant dans son deuxième réservoir (celui situé dans l'étage doté de moteurs (NTR Vehicle). Arrivé près de l'orbite terrestre, l'équipage embarque dans le vaisseau Orion et effectue sa rentrée dans l'atmosphère.

Le scénario de la Mars Society : Mars Direct

Le scénario de Mars Direct a été conçu pour démontrer qu'une mission habitée vers Mars pouvait être réalisée pour un coût relativement réduit (par rapport aux scénarios établis par la NASA) en utilisant les technologies et une grande partie des engins existants.

• Le véhicule qui doit assurer le retour de l'équipage depuis le sol martien (ERV) est lancé en premier. Il emporte le générateur de carburant, l'hydrogène nécessaire pour produire le carburant in situ et un petit réacteur nucléaire qui doit être utilisé sur place comme source d'énergie. L'ERV est lancé au moment le plus propice et atteint Mars après 8 mois de transit effectué à la vitesse la plus économe en énergie. Le lanceur utilisé au départ de la Terre est une fusée de la puissance de la Saturn V. La mise en orbite autour de Mars se fait par aérofreinage et l'arrivée sur le sol martien utilise le freinage aérodynamique, puis des parachutes et enfin dans la phase finale des moteurs-fusée.

• L'habitat martien (Hab) qui sert également de véhicule pour le transit aller Terre-Mars est lancé 26 mois plus tard, lorsque la fenêtre optimale pour le voyage vers Mars s'ouvre à nouveau. Il transporte à son bord les 4 astronautes de la mission martienne et un véhicule pressurisé. Le temps de trajet est plus court (6 mois) grâce à une vitesse de déplacement plus élevée. Durant le trajet une pesanteur artificielle est créée en mettant en rotation l'ensemble constitué du réservoir vide de la fusée utilisé pour acquérir la vitesse permettant de s'échapper de l'attraction terrestre et le reste du vaisseau. La masse de l'habitat qui offre environ 100 m² de surface habitable avec le ravitaillement pour 3 ans et le support-vie qui recycle l'eau et l'oxygène est d'environ 25 tonnes.

• Au voisinage de Mars, l'étage supérieur devenu inutile est largué et l'habitat après s'être inséré en orbite effectue une rentrée de précision dans l'atmosphère martienne en utilisant les mêmes dispositifs que l'ERV. Si le vaisseau se pose à moins de 1000 km de l'ERV, l'équipage rallie le véhicule de retour à la fin de son séjour en utilisant le véhicule pressurisé.

Une fois sur Mars, l'équipe passe 18 mois sur la surface effectuant des recherches scientifiques. A l'issue de son séjour, l'équipage utilise l'ERV pour quitter le sol martien puis effectuer le trajet Mars Terre.

Le cout de Mars Direct était à l'époque de sa définition estimé à 20 milliards de dollars, en y incluant les coûts de développement soit 30 à 35 milliards de dollars actuels.