Cet article est initialement paru dans le Bulletin APM n°84 publié en juillet 2020. Chaque trimestre, les membres de l’association reçoivent un bulletin avec des articles et dossiers exclusifs. Vous retrouverez ci-dessous un extrait de celui-ci, disponible en version complète pour les membres.
Mars la rouge est froide et désertique. Pourtant aucune autre planète n’a autant excité l’imagination ou été la cible d’autant de missions spatiales. L’histoire de l’exploration de Mars commence en juillet 1965, avec le premier survol par la sonde Mariner 4. Mais il faut attendre le 14 novembre 1971 pour que Mariner 9 arrive, pour la première fois, à se mettre en orbite autour de Mars. Le 2 décembre suivant, la sonde soviétique Mars 3 se pose en douceur à la surface de Mars, mais tombe en panne peu après avoir déployé ses instruments. En 1976, les deux missions américaines Viking sont les premières charges scientifiques significatives posées sur le sol martien. Enfin, en juillet 1997, Pathfinder est le premier véhicule à rouler sur Mars. À l’heure où de nouvelles sondes partent pour Mars – la mission Hope Mars des Émirats arabes unis partira le 14 juillet prochain, suivie par le rover américain Mars 2020 le 20 juillet et la mission chinoise Tianwen-1 le 23 juillet – discutons de la façon d’atteindre la planète rouge.
En 1925, l’ingénieur allemand Walter Hohmann (1880–1945) publie un livre intitulé Die Erreichbarkeit der Himmelskörper (L’accessibilité des corps célestes) dans lequel il montre que, pour passer d’une orbite circulaire à une autre située dans le même plan, la trajectoire la plus économe du point de vue énergétique est une ellipse tangente aux deux orbites.
Des propulseurs fournissent une première impulsion pour quitter l’orbite initiale et entrer sur l’orbite de transfert, puis une seconde impulsion doit être fournie pour que la vitesse de la sonde s’ajuste à celle nécessaire pour rester sur l’orbite cible. En pratique, les orbites de la Terre et de Mars ne sont pas tout à fait circulaires (leurs excentricités sont respectivement de 0,0167 et de 0,0934) et l’orbite de Mars est inclinée de 1,85° par rapport au plan de celle de la Terre. Mais l’idée est là : faire passer une sonde de la Terre à Mars nécessite une première manœuvre pour l’engager sur une ellipse dont le périhélie est situé sur l’orbite de la Terre et l’aphélie sur celle de Mars, et une autre pour la placer en orbite martienne.
Trajectoire de Hohmann (2), pour transfert de la Terre (orbite 1) à Mars (orbite 3). (doc. Leafnode, Wikimedia Commons)
Au début de son voyage, la sonde possède déjà la vitesse orbitale de la Terre autour du Soleil, soit environ 29,8 km/s : cela nécessite quand même de la propulser dans la direction de révolution de la Terre autour du Soleil. Bien sûr, il faut aussi extraire la sonde de la gravité terrestre, ce qui nécessite une phase initiale de propulsion, qui doit être prolongée afin de gagner suffisamment d’énergie pour s’engager sur l’orbite de transfert de Hohmann. À la fin de cette phase la vitesse de la sonde est 2,9 km/s supérieure à celle de la Terre autour du Soleil. En raison de la deuxième loi de Kepler, dite loi des aires, la vitesse héliocentrique de la sonde diminue le long de sa trajectoire, jusqu’à atteindre 21,5 km/s quand elle atteint son périhélie. On calcule alors qu’elle parcourt sa trajectoire en à peu près 258 jours, soit près de 9 mois. C’est la voie la plus économe en carburant, mais cette durée peut être réduite à 180 jours si l’on accepte de dépenser plus de carburant. C’est bien sûr le choix qui serait fait pour amener un équipage humain sur Mars afin de limiter les nombreux inconvénients d’un si long voyage.
Le moment du départ doit être soigneusement choisi car la Terre et Mars se déplacent autour du Soleil à des vitesse différentes. Il existe des périodes particulièrement propices aux lancements, nommées fenêtres de tir. Durant le voyage de la sonde, Mars parcourt une certaine portion de son orbite, environ 136° car l’année martienne dure 687 jours. L’écart angulaire entre la position de la Terre au décollage et la position de Mars à l’arrivée étant de 180°, il faut que le vaisseau quitte la Terre quand celle-ci est située 44° (= 180° – 136°) en arrière de Mars. Vu les périodes orbitales des deux planètes, cette situation ne se produit que tous les 780 jours, qui est la période synodique de Mars, c’est-à-dire durée au bout de laquelle une position relative Terre-Soleil-Mars se répète à l’identique. Cette configuration particulièrement favorable est, à chaque occurrence, l’occasion d’une vague de lancements vers la planète rouge.
En approchant Mars, il est nécessaire d’effectuer quelques corrections de trajectoire afin de survoler la planète à faible distance. Quand la sonde entre dans la sphère d’influence gravitationnelle de Mars, cette dernière la rattrape car elle se déplace sur son orbite à une vitesse moyenne de 24 km/s. La sonde doit alors manœuvrer pour être capturée, faute de quoi elle continuera sur sa lancée après avoir été déviée par la planète. En pratique, la sonde utilise ses propulseurs lors de son passage au plus près de Mars afin de décélérer relativement à la planète et de se placer sur une orbite elliptique. Pour réduire l’intensité du freinage nécessaire, et donc la masse de carburant à emporter, la sonde peut d’abord être placée sur une orbite très elliptique. Le demi-grand axe et l’excentricité de celle-ci sont ensuite progressivement réduits par freinage sur les couches supérieures de l’atmosphère martienne. Cette technique a été expérimentée pour la première fois en 1996 avec la sonde Mars Global Surveyor. Elle nécessite une grande maîtrise de la trajectoire pour éviter que la sonde ne se désintègre dans les couches trop épaisses de l’atmosphère. Pour obtenir sans risque une orbite satisfaisante, la procédure peut durer plusieurs mois.
Pour se poser sur Mars depuis l’orbite, comme le firent les sondes Viking, il faut encore décélérer de sorte que l’orbite intercepte la surface de la planète. Comme Mars possède une atmosphère très ténue, la décélération finale peut être effectuée par un freinage aérodynamique puis grâce à des parachutes avec éventuellement une ultime décélération grâce à des rétro-fusées.
On l’aura compris, atteindre Mars et a fortiori se poser à sa surface est une opération plutôt compliquée : sur les 51 missions lancées, on ne compte que 22 succès. Cela est sans doute dû au fait que Mars cumule une gravité assez importante (38 % de celle de la Terre) et une atmosphère très ténue. Sur la Lune, dépourvue d’atmosphère et dont la gravité est faible, il n’y a qu’une seule solution : se poser grâce à des rétro-fusées. Sur Terre, dont la gravité est forte, on peut freiner efficacement sur son épaisse atmosphère, à condition d’être pourvue d’une protection thermique adéquate. Ensuite un simple parachute fait l’affaire. En revanche, sur Mars il faut la panoplie complète : bouclier thermique lors de la rentrée atmosphérique, parachutes sophistiqués pour un freinage supersonique, rétrofusées pour la touche finale. Et toute la chaîne doit parfaitement fonctionner pour éviter le crash… C’est sans doute ce qui explique le taux d’échec des missions martiennes et la durée qu’il a fallu pour perfectionner les techniques utilisées.
Espérons que tout se passe bien pour l’ESA et son rover ExoMars, rebaptisé Rosalind Franklin en l’honneur de la célèbre physico-chimiste britannique qui a œuvré à la découverte de la structure de l’ADN. Après deux reports successifs, son lancement est maintenant prévu en 2022, lors de la prochaine fenêtre de tir.