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).
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.