Aérocapture

Article de référence :
R.D. Braun and R.M. Manning: Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges. Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, 2006, 1-18. 

Introduction

A l'approche de Mars, le vaisseau a généralement une vitesse importante relativement à la planète. Il faut donc le freiner, ou, ce qui revient au même, accélérer dans la direction opposée. La solution la plus simple est d'effectuer cette manœuvre avec un système de propulsion. Le problème, c'est qu'un tel freinage requiert une grande quantité d'ergols, ce qui implique d'énormes réservoirs et donc un vaisseau gigantesque. Or, Mars possède une atmosphère. Est-il possible de freiner grâce aux frottements du vaisseau dans cette atmosphère ? Telle est l'idée de l'aérocapture.

1. Principes

Lorsqu'un vaisseau spatial s'approche d'une planète, sa trajectoire est hyperbolique par rapport à celle-ci. Cela signifie que s'il ne procède pas à une manœuvre astronautique, il n'a aucune chance de se placer en orbite autour d'elle et va donc repartir très loin.

L'aérocapture consiste à envoyer le vaisseau spatial dans les premières couches de l'atmosphère de la planète, de sorte que le freinage ne permettra plus au vaisseau de repartir sur une trajectoire hyperbolique. Le vaisseau doit avoir une trajectoire presque tangentielle à l'atmosphère pour éviter un freinage trop important et tomber vers la surface. La surface de freinage et l'orientation du vaisseau jouent un rôle déterminant. L'objectif est de faire ressortir le vaisseau de l'atmosphère grâce à sa vitesse initiale et à la pression verticale exercée par l'air. Lorsque le vaisseau ressort de l'atmosphère, il adopte une trajectoire elliptique autour de la planète qui doit le faire repasser au même endroit. En général, l'objectif est la satellisation et non un atterrissage au prochain passage. Il faut donc procéder à une légère poussée des moteurs, classiquement à l'apoapse de l'orbite (le point le plus éloigné de la planète), de sorte qu'au passage suivant, le vaisseau évite l'atmosphère. Cette poussée peut être très faible de l'ordre de quelques dizaines de mètres par seconde. Un schéma explicatif est présenté ci-dessous.

2. Faisabilité

L'aérocapture nécessite un bouclier thermique relativement lourd et un peu d'ergols. Néanmoins, cette manœuvre est extrêmement intéressante pour l'arrivée sur Mars, car un freinage propulsif requiert une quantité d'ergols très importante. Le gain massique de l'aérocapture est généralement de plusieurs tonnes pour un vaisseau de quelques dizaines de tonnes. Toutefois, il existe de nombreuses contraintes qui complexifient la manœuvre et engendrent des risques. Les premières contraintes relèvent de la navigation. Il existe un corridor de passage relativement étroit. Trop haut, le vaisseau ne freine pas assez et repart loin de la planète. Trop bas, il tombe littéralement sur la surface. De plus, il existe d'autres contraintes, comme le pic maximal de décélération que les systèmes et les astronautes peuvent subir, ainsi que le pic de chaleur que le bouclier thermique peut supporter. Enfin, la portance, définie par la taille et l'orientation de la surface de freinage doit permettre de contrôler la sortie de l'atmosphère. Globalement, selon Braun et Manning, la précision actuelle concernant les manœuvres de navigation est de l'ordre du demi-degré, ce qui est suffisant pour pénétrer dans le corridor d'aérocapture de la planète Mars avec un peu de marge. Le schéma ci-dessous, extrait de l'article de Braun et Manning, illustre les contraintes du corridor de passage.

3. Charge calorifique

La charge calorifique est la quantité de chaleur reçue par unité de surface. Elle dépend essentiellement du coefficient  balistique, qui est proportionnel à la masse et inversement proportionnel à la surface exposée. Comme le montre le graphe  ci-dessous (Braun et Manning), une grande portance permet de réduire un peu cette  charge, mais pas de façon significative. On peut noter que  cette charge est moindre que celle reçue par les capsules de  réentrée atmosphérique terrestre depuis l'orbite lunaire, de l'ordre de 1000 MJ/M2.

4. Aérocapture dans le scénario NASA

Dans la DRA 5.0 de la NASA de 2009, l'aérocapture est proposée pour les vaisseaux cargo, mais pas pour le vaisseau habité. Pourquoi ? Nous l'avons dit, il faut un bouclier thermique relativement lourd positionné devant le vaisseau, car le freinage atmosphérique est important avec une grande quantité de chaleur dégagée. Or, le vaisseau de la NASA a une forme compliquée, notamment à cause du vaisseau Orion qui est attaché sur le côté. Pour éviter les complications, la NASA a retenu l'option d'un freinage propulsif pour le vaisseau habité, au détriment de la masse des ergols à emporter. Notons que cette contrainte n'existe que pour le scénario de la NASA détaillé dans le rapport DRA 5.0. C'est une des nombreuses imperfections qui poussent à examiner d'autres scénarios de voyages habités vers Mars ...

5. Utilisation duale du bouclier thermique

Il y a besoin d'un bouclier thermique pour l'aérocapture et il y a besoin d'un bouclier thermique lors de la descente finale vers la surface. Peut-on utiliser le même bouclier ? La question n'est pas simple. Selon Braun et Manning, il y a plus de contraintes de chaleur pour l'aérocapture que pour la descente finale. Il y a donc besoin d'un bouclier plus lourd pour l'aérocapture. Si le même bouclier est utilisé pour les deux manœuvres, il y a une pénalité de masse pour la descente finale qui requiert un peu plus de freinage, par exemple sous la forme d'ergols ou de parachutes plus grands. Si on utilise 2 boucliers thermiques, il n'y a plus de pénalité de masse pour la descente car le premier bouclier aura été éjecté, mais il y a une pénalité de masse globale à envoyer vers Mars. En outre, si on utilise 1 seul bouclier se pose la question de la manœuvre de satellisation. Le système de propulsion est en effet placé généralement juste derrière le bouclier. Si on n'enlève pas le bouclier après aérocapture, comment procéder à une poussée à l'apoapse ? La poussée étant faible, on peut peut-être la faire grâce à des moteurs latéraux ? A moins d'intégrer des tuyères au sein du bouclier ? Ces questions n'ont pas encore trouvé de réponse claire dans la littérature. L'utilisation duale du bouclier thermique reste donc une question ouverte.

Conclusion

L'aérocapture permet théoriquement une réduction importante de la masse du vaisseau, surtout si le vaisseau est un atterrisseur avec utilisation duale du bouclier thermique. L'ordre de grandeur est de 50% de masse en moins pour le vaisseau par rapport à l'option exploitant un système de propulsion. Un autre avantage fondamental de l'aérocapture est l'adaptation à la configuration planétaire. En effet, le freinage dépend de la position de Mars sur son orbite et de la trajectoire suivie par le vaisseau, qui elles-mêmes varient en fonction de la configuration planétaire. Autrement dit, si on utilise un système de propulsion, les besoins en ergols ne sont pas toujours les mêmes pour le freinage et la mise en orbite autour de Mars, ce qui complexifie beaucoup le design du vaisseau, dont la taille n'est pas standardisée. Avec l'aérocapture, ce problème n'existe plus. On peut même envisager d'accélérer le vaisseau venant de la Terre, le corridor d'aérocapture sera plus étroit mais il n'y aura pas besoin d'ajouter des ergols pour le freinage à l'arrivée sur Mars. Les risques associés à la manœuvre d'aérocapture ne sont pas nuls, mais s'ils sont maîtrisés, c'est certainement une option à retenir.

... Envie de lire la suite ?

Cet article est disponible dans sa version complète pour les membres APM avec une cotisation à jour.

Déjà membre ? Me connecter. Sinon, devenez membre aujourd'hui et ne ratez aucune info sur Mars !

Si vous avez déjà été membre, rendez-vous sur la page Mon Compte pour renouveler votre cotisation.