Principes généraux d’une mission martienne habitée

1. Principales étapes

Les 12 étapes principales d'une mission martienne habitée aller-retour sont les suivantes :

1. Lancement de plusieurs fusées pour placer en orbite basse terrestre les modules/vaisseaux qui doivent partir vers Mars.
2. Si nécessaire, assemblages en orbite basse terrestre des différents modules pour constituer les vaisseaux à destination de Mars.
3. Lancement vers Mars des différents vaisseaux lorsque la configuration planétaire le permet.
4. Voyage de 6 à 10 mois pour rejoindre Mars.
5. Si nécessaire, freinage, éventuellement aérocapture, afin de placer les vaisseaux en orbite martienne.
6. Entrée, descente et atterrissage sur Mars des vaisseaux spatiaux atterrisseurs.
7. Séjour sur la surface martienne, entre 1 mois et 500 jours, en fonction du type de mission.
8. Si nécessaire, production des ergols du retour en exploitant les ressources martiennes.
9. Décollage du véhicule de remontée en orbite martienne.
10. Une fois en orbite martienne, si nécessaire, transfert de l'équipage dans le véhicule de retour vers la Terre.
11. Séjour de 6 à 10 mois pour rejoindre la Terre.
12. Entrée, descente et atterrissage du vaisseau, ou de la capsule dédiée, qui ramène les astronautes sur Terre.

2. Principales contraintes

• Qualification des systèmes : Dans le domaine du spatial habité, la qualification des systèmes est très rigoureuse. En particulier, tous les systèmes doivent avoir été testés en condition de vol avant d'autoriser l'embarquement des équipages.
• Durée de la mission : Le voyage aller-retour peut théoriquement se faire en environ une année si on suit une trajectoire tendue, mais cela nécessiterait une énorme quantité d'ergols. Les architectures de mission les plus raisonnables sont basées sur des trajectoires qui économisent le carburant, avec un aller de six à huit mois, un séjour sur place de près d'un an et demi et un retour vers la Terre de six à huit mois.
• Principaux risques : les phases propulsives, décollage, insertion orbitale, freinage atmosphérique et atterrissage sont les phases les plus risquées de la mission. Un voyage aller-retour vers Mars requiert également la prise en compte :

  • des risques liés aux radiations,
  • des risques associés aux modifications physiologiques et musculaires dues à la microgravité
  • des difficultés psychologiques dues à l'éloignement et au confinement
  • des risques de pannes ou d'accidents en lien avec les systèmes support vie

3. Principales problématiques

• Justifications de la mission : Les raisons sont multiples. Certains invoquent la nécessité de repousser les limites, d'autres d'offrir du rêve, de stimuler l'imaginaire et de faire de l'humanité une espèce multi-planétaire. Des raisons économiques et géopolitiques sont aussi avancées. Enfin, certains affirment qu'il est trop dangereux de confiner l'humanité et la vie en général sur une seule planète, la colonisation de Mars est une garantie de survie à un accident cosmique.
• Nombre d'astronautes : Sans doute un minimum de 3 astronautes si on veut minimiser la complexité de la mission et de l'ordre de 5 ou 6 astronautes si on veut optimiser les compétences. La sélection doit prendre en compte les compétences, le profil psychologique et l'efficacité de l'équipe.
• Missions préparatoires : Avant d'entreprendre la mission habitée, il est impératif de tester les technologies de descente et atterrissage sur Mars avec un vaisseau similaire à celui qui est prévu pour les astronautes. Certains tests peuvent être effectués sur Terre, mais la validation finale exige des tests dans l'atmosphère martienne. Il est également nécessaire de tester la résilience de l'habitat, du système support vie et de l'équipage sur une longue période, dans des conditions proches de celles de la mission martienne habitée, par exemple en orbite haute terrestre.
• Trajectoire : On distingue les missions de type opposition et de type conjonction, selon que le départ de la fusée vers Mars survient lorsque la Terre et Mars sont du même côté du soleil (conjonction) ou au contraire de part et d'autre du soleil. D'autres options de trajectoire sont possibles, avec un passage près de Vénus par exemple.
• Petits ou gros lanceurs : Il est fastidieux mais théoriquement possible d'utiliser des lanceurs de taille moyenne et de procéder à un assemblage en orbite des vaisseaux qui seront envoyés vers Mars. L'autre option est de concevoir un lanceur lourd, afin de minimiser la complexité et le temps d'assemblage en orbite. Les masses en jeu sont toutefois considérables. Même un lanceur lourd capable de lancer une centaine de tonnes en orbite basse ne serait pas suffisant pour envoyer un vaisseau habité vers Mars, ou alors avec un équipage réduit. Dans tous les cas, il faut plusieurs vaisseaux à destination de Mars, afin d'y acheminer le matériel complémentaire, par exemple un habitat de secours et des rovers, ainsi que le véhicule de remontée en orbite et le véhicule de retour vers la Terre.
• Systèmes de propulsion : Pour la décollage et l'accès à l'orbite, seule la propulsion chimique permet une poussée suffisante (H2+O2, ou CH4+O2, ergols solides des boosters à poudre, etc.). En revanche, une fois en orbite, de nombreuses options sont possibles pour accélérer le vaisseau vers Mars. La propulsion chimique est toujours possible, mais cela peut également se faire avec la propulsion nucléaire thermique, ou la propulsion ionique alimentée par un réacteur nucléaire ou d'immenses panneaux solaires. La propulsion ionique permet d'économiser des ergols, mais la poussée est faible, ce qui implique généralement une accélération très lente de plusieurs mois, et donc une durée potentiellement plus longue du voyage.
• Module habitable : Sur Mars ou dans l'espace, l'habitat doit offrir un confort minimal pour les astronautes, résister aux contraintes de pression, aux vibrations et accélérations des phases propulsives et intégrer un système support vie complet et robuste. De nombreuses options existent pour l'architecture intérieure, avec généralement un coin dédié pour s'isoler et se reposer, un coin cuisine, un espace de stockage, et éventuellement un endroit particulier pour se protéger des radiations.
• Systèmes support vie : Il y a 7 fonctions à assurer, en particulier le contrôle de l'air respirable, l'approvisionnement en eau et l'alimentation, sans oublier la gestion des déchets organiques. De nombreuses technologies existent pour assurer ces fonctions. Les besoins en eau étant très importants, il est admis qu'il faut un système de recyclage des eaux usées afin de minimiser la quantité d'eau initiale à emporter. Le taux du système de recyclage peut être plus ou moins bon en fonction des technologies choisies, chimiques ou biochimiques. Concernant la nourriture, il est possible d'intégrer dans l'habitat une petite serre, idem sur la surface martienne, mais la prudence recommande d'embarquer tout le nécessaire pour tenir sans l'apport des serres.
• Entrée, descente et atterrissage sur Mars : On peut exploiter l'atmosphère martienne pour freiner le vaisseau et économiser ainsi des ergols avant de déclencher la phase propulsive terminale requise pour l'atterrissage. Cela implique un bouclier thermique efficace et un contrôle fin de la trajectoire de rentrée et de l'attitude du vaisseau durant la descente, afin que les forces subies par le vaisseau et les astronautes soient acceptables, que le pic de chaleur n'excède pas les seuils des matériaux, et que l'atterrissage ait lieu dans la zone souhaitée. Un paramètre structurant est le coefficient balistique, qui est directement lié à la masse du vaisseau et à la taille du bouclier thermique. Le coefficient balistique d'un gros vaisseau est généralement bien plus élevé que celui d'un petit vaisseau, ce qui explique qu'il soit beaucoup plus difficile de faire atterrir un gros vaisseau qu'un petit, et que les technologies utilisées pour faire atterrir les robots martiens ne puissent pas être simplement mises à l'échelle. La phase d'entrée, descente et atterrissage sur Mars est considérés comme la plus dangereuse de la mission.
• Vaisseau atterrisseur ou pas : Le vaisseau qui emporte les astronautes vers Mars peut être conçu pour atterrir sur Mars, mais il est aussi possible d'atteindre dans un premier temps l'orbite martienne, puis de procéder à un transbordement de l'équipage dans un autre vaisseau dédié à l'atterrissage.
• Retour vers la Terre, direct ou indirect : Pour le retour vers la Terre, l'option la plus simple est de décoller de Mars et de revenir directement vers la Terre. Cette option nécessite cependant un gros vaisseau contenant tout le nécessaire pour le voyage retour, ce qui implique l'atterrissage d'un gros vaisseau et une quantité d'ergols phénoménale. L'autre option est d'utiliser un véhicule dédié à la remontée en orbite martienne, puis d'effectuer un transbordement de l'équipage dans un autre vaisseau, placé en orbite d'attente au préalable, avant d'effectuer le voyage retour vers la Terre.
• Production des ressources martiennes pour la production des ergols du retour : La quantité d'ergols nécessaire à la remontée en orbite martienne, ou pire, pour revenir directement vers la Terre, est de plusieurs dizaines de tonnes. Sachant que l'atmosphère de Mars est composée de gaz carbonique et qu'il y a de l'eau sous forme de glace dans le sous-sol martien, il est possible de produire des ergols, typiquement le couple méthane/oxygène, en amenant à la surface une unité de production qui serait bien moins lourde que la quantité d'ergols prévue pour le retour en orbite. Cela se ferait cependant aux dépens de la complexité et de la robustesse de la mission.
• Étalement des lancements : Afin de réduire les risques associés à la préparation du retour vers la Terre, notamment le bon état du ou des vaisseaux du retour, et éventuellement la production en quantité appropriée des ergols du retour, une option souvent proposée est de lancer le vaisseau du retour deux ans avant la fusée embarquant les astronautes, et de s'assurer que le retour vers la Terre soit prêt avant même le départ des astronautes vers Mars. Cette stratégie est également envisageable pour d'autres vaisseaux, par exemple pour acheminer sur Mars un habitat de secours. De plus, cette stratégie permet d'étaler dans le temps la construction des lanceurs lourds, qui devraient sinon être stockés dans des hangars géants, avec une maintenance complexe. 
• Scaphandres : Les scaphandres lunaires, très lourds, ne sont pas adaptés aux missions martiennes. Pour un séjour de longue durée, il est impératif d'avoir des scaphandres ergonomiques, robustes à la poussière abrasive et faciles à entretenir.
• Rovers : Un rover pressurisé permet de franchir de plus grandes distances qu'un rover non pressurisé, mais la prudence suggère de ne pas s'éloigner loin de la base, afin de pouvoir y revenir en cas de panne. L'avantage des rovers non pressurisés est leur légèreté et maniabilité. Idéalement, il faudrait des rovers pressurisés et non pressurisés, mais s'il faut choisir, le meilleur compromis n'est pas simple à déterminer.
• Coût : Le coût d'une mission martienne habitée dépend de la complexité des nouveaux systèmes qu'il faut développer, de la complexité de la mission elle-même, et du taux de réutilisabilité. Les plus optimistes tablent sur une cinquantaine de milliards d'Euros pour le développement de tous les systèmes (lanceur lourd compris) et pour environ cinq milliards par vaisseau à destination de Mars. 
• Scénarios de mission : Il existe un très grand nombre de propositions de scénario de mission habitée vers Mars. Les plus connus sont Mars Direct, Mars Semi-Direct, les scénarios de mission de la NASA basés sur la propulsion nucléaire thermique ou la propulsion solaire électrique, et enfin le scénario de Space X en tout chimique. On peut globalement les classer en deux catégories, ceux qui envoient le vaisseau habité directement à la surface de Mars (Mars Direct ou Semi-Direct, et Space X) et ceux qui nécessitent un arrêt en orbite martienne pour transférer l'équipage dans un atterrisseur dédié (scénarios NASA).

Remarque : ces problématiques sont développées en détail dans des pages dédiées du Wiki réservées aux membres de l'association Planète Mars.

... 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.