Données de mécanique du vol
| ΔV Terre-Mars, Hohmann, Mars à l’aphélie : | 3,78 km/s |
| orbite de libre retour : | 4,34 km/s |
| ΔV montée en orbite Mars : 3,6 + pertes = | 4,2 km/s |
| ΔV injection Mars-Terre Hohmann : | 2,1 km/s (valeur moyenne, pour mémoire) |
| retour rapide : | 2,7 km/s |
Données propulsives du vaisseau navette
Deux configurations de système propulsif ont été ici envisagées.
Un moteur principal axial à O2/CH4 et 4 moteurs ventraux à ergols stockables
Le moteur principal serait un Raptor, en cours de développement chez SpaceX, adapté au vide ; le moteur russe RD185, comparable et optimisé vide, atteint 385 s ; on a considéré 380 s pour un Raptor optimisé vide (w, vitesse des gaz = 3,73 km/s). Sa poussée supposée (4400 kN avec divergent sol) est suffisante pour propulser le véhicule en configuration retour. Ce moteur serait utilisé pour la fin de mise en LEO, pour l’injection en transfert Terre-Mars et, après avitaillement sur Mars, pour la remontée en orbite de parking martienne, puis pour l’injection en transfert Mars-Terre.
La phase de freinage final est particulièrement critique car il est difficile d’imaginer un mode secours en cas de défaillance propulsive. Pour cette manœuvre, des moteurs à ergols hypergoliques stockables (MMH, N2O4), alimentés par pressurisation sont préférables du point de vue sécurité (fiabilité de l’alimentation et de l’allumage). Au décollage, les moteurs ventraux sont encore utilisés quelques secondes pour faire léviter la navette en vue de l’allumage du moteur axial, chargé du décollage proprement dit (voir schéma ci-dessous).
Par contre, cette configuration conduit à une perte de performances et à un supplément de masse se traduisant par une perte de charge utile de l’ordre de 3 T. Notons qu’en tout état de cause des ergols stockables existeront à bord, pour alimenter les différents pods de contrôle d’attitude (RCS).
Un moteur axial d’une masse de 4 T recule sensiblement le centre de gravité et réduit le volume de soute arrière. Victoria n’est là que pour donner l’échelle !
Quatre moteurs ventraux à O2/CH4, sans moteur axial
Cette option permet de supprimer le moteur axial Raptor (masse : 4 T), mais oblige à prévoir des moteurs ventraux deux fois plus puissants (70 T de poussée au lieu de 36), requis pour fournir une accélération suffisante au décollage de Mars. Par ailleurs ces moteurs, impliqués dans toutes les manœuvres, utiliseraient un cycle full flow (dérivé du Raptor) et le propergol O2/CH4, seuls capables du niveau de performance requis et de permettre un avitaillement sur Mars.
Le gain de charge utile de 3 T est obtenu aux dépens de la sécurité en freinage final, a priori moins bonne. Néanmoins, la présence de 4 moteurs (orientables) permet d’imaginer un mode secours en cas de panne de l’un d’entre eux, à la condition de choisir une trajectoire nominale pouvant être réalisée à poussée réduite de 210 T (3 fois 70) au lieu de 280 (poussée max installée), choix qui accroîtrait légèrement les pertes par gravité.
Accessoirement, la suppression du moteur axial libère un volume important, permettant le chargement et le déchargement d’objets volumineux dans la soute arrière non pressurisée ; elle améliore aussi la situation du centrage.
Compte tenu de l’importance de la perte de charge utile et de la plus grande complexité de la solution mixte, nous avons retenu la deuxième option dans cette étude, tout en sachant qu’une analyse de sécurité approfondie pourrait conduire à revenir sur ce choix.
France Culture: Voyage spatial, vers l’infini et au delà
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Merci beaucoup pour cette synthèse passionnante qui permet de suivre une aventure exceptionnelle.
Merci pour cette superbe étude, et en français! Quel plaisir. J’ai vu sur des sites américain que le ravitaillement orbital faisait maintenant partie du concept, ce qui pourrait augmenter sensiblement les charges utiles sans compromettre vos idées. Une option de propulsion solaire électrique pour réduire les temps de transfert seraient également à l’étude, selon les affirmation de la ceo de spacex. Je vais immédiatement voler les précieuses informations sur la rentrée atmosphérique martienne pour améliorer mon propre, modeste et amateur petit système de transport colonial. Merci et je vous souhaite bien des commentaires intéressants
Michel lamontagne
J’ai voulu voir ce que donnait une solution avec le moins de « modules » et d’opérations orbitales, et entièrement récupérable. Mais on voit bien qu’on atteint des dimensions peu réalistes… Oui, le ravitaillement orbital permettrait de réduire les tailles, mais augmenterait le nb de lancements et la complexité des opérations. Ce sera peut-être une obligation. Pour la prop électrique, vu les masses de vaisseau, je n’y crois pas trop (il faudrait de grosses puissances…).
Merci pour vos réflexions.
On m’a fait la remarque, quand je l’ai proposé sur un autre site, qu’un lanceur a trois corps n’est pas si simple non plus. Il faut reconnaitre que les manoeuvres orbitales ont aidé a atteindre la Lune, par exemple. Mais je reconnais que le transfert de grandes quantités de carburant en orbite reste un inconnu de taille. Cependant, je me demande si Falcon Heavy, avec son transfert de carburant en vol n’est pas un essai précuseur de la part de SpaceX, dans l’optique de travail qu’ils semblent avoir depuis leurs début, financer la recherche avec des activités lucratives…