EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Relations entre Deimos et les stations en orbite aréostationnaire

Dans mon article précédent traitant du système martien, nous avons vu le rôle que peut jouer la lune Phobos par rapport à la lune Deimos. Aujourd’hui nous allons explorer, sur l’autre bord du « grand plateau » à faible gravité martien délimité par ces deux lunes, le rôle de Deimos par rapport aux stations rotatives « Eagles » en orbite « aréostationnaire » (équivalent martien de « géostationnaire »).

Pendant la construction de Deimos-II (la station rotative ancrée dans le régolithe de Deimos) puis la construction de Eagle-One (la première station aréostationnaire), le rôle de la lune Deimos sera simple, ce sera le lieu d’ancrage du point d’accès au monde martien le moins cher en Δv depuis la Terre. Si on refuse de l’exploiter, il n’y aura pas d’autre alternative pour accéder à la surface de Mars, que de descendre, au fond du puits de gravité de la planète, même les masses dont on n’aura pas besoin.

Après la libération du premier Eagle du sol de Deimos et son positionnement en orbite aréostationnaire, la question se posera du rôle respectif de Deimos, des stations rotatives sur cette orbite et de leur rapport.

Qu’est-ce qui restera irremplaçable chez Deimos ?

D’abord la masse — un Eagle est une structure, Deimos est un gisement, celui du régolithe pour le blindage des tores suivants, matière première qu’aucune station ne possédera jamais.

Ensuite l’ancrage — un chantier a besoin d’un sol, même à 3 mm/s² : la grue indépendante, la tour-guide, tout le séquençage de construction développé précédemment suppose un point fixe que l’orbite aréostationnaire n’offre pas. Les Eagles continueront à naître sur Deimos ; la petite lune restera le chantier naval au fur et à mesure qu’on les construira et, quand ils auront été libérés, le dépôt où ils trouveront la pièce essentielle dont ils auront besoin.

Ensuite la position — presque au seuil de l’évasion martienne, c’est le port naturel du trafic interplanétaire. L’avantage n’est d’ailleurs pas énergétique : par effet Oberth, l’injection trans-Terre (v∞ ≈ 2,65 km/s) coûte environ 1 916 m/s depuis l’orbite de Deimos contre 1 901 m/s depuis l’orbite aréostationnaire, pourtant 3 000 km plus bas — un écart négatif, quoique négligeable. C’est un avantage logistique : c’est à Deimos que les Starships venant de la Terre accostent déjà, que se trouvent leur chantier naval, les tours d’amarrage et les stocks importés ; y concentrer les ergols du retour évite de dupliquer une infrastructure de dépôt sur chaque Eagle.

Ensuite, le service à domicile. Les Eagles seront sur une position stable au-dessus d’un territoire martien bien délimité (chacun un segment de 30° de longitude en largeur) ; Deimos, avec sa période de 30,31 h contre 24,62 h pour l’orbite aréostationnaire, dérive de 2,74° par heure par rapport au collier des douze stations : elle survole ainsi un Eagle toutes les onze heures environ et boucle la tournée complète en une période synodique de 131 h, soit 5,3 sols (un sol, 24h39, est un jour martien). Le service à domicile sera donc une tournée régulière d’environ cinq jours et demi — hebdomadaire plutôt que quotidienne, mais parfaitement prévisible et identique pour chacun des douze.

Enfin, la rencontre. Deimos sera le lieu où les résidents des douze Eagles de l’orbite aréostationnaire se retrouveront physiquement. Ils en auront besoin pour, de temps en temps, « voir les autres », discuter librement ou sur un thème particulier, nouer des liens d’amitié « et plus si affinités » (les enfants seront les bienvenus dans les Eagles).

En somme : les Eagles hériteront de la vie et du territoire martien qui leur sera attribué, Deimos gardera l’industrie, le service, le grand large et la fonction de hub. Ça prolongera naturellement la hiérarchie des deux lunes déjà établie — Phobos restera la gare de triage pour aller au sol ou en venir, Deimos passera de capitale à docks, port franc, livreur, arsenal, salle de congrès.

Ces principes posés, reste la pratique de la circulation entre Deimos et la couronne des Eagles autour de Mars. Deux questions se posent, que nous traiterons dans l’ordre : le voyage des hommes — distance, durée du trajet et radiations —, puis le transport du fret — distances et temps pour les franchir. La circulation entre les Eagles et l’arrivée à quai fera l’objet d’autres articles.

Le voyage entre Deimos et un des Eagles, les radiations, le temps du trajet

Il y aura toujours une différence de 3000 km d’altitude entre l’orbite aréostationnaire, 17 032 km du sol au lieu de 20 067 km du sol pour Deimos. Au point de vue de l’énergie dépensée (le Δv), suivre une trajectoire de Hohmann entre les deux (arc d’ellipse partant tangentiellement d’une orbite et arrivant tangentiellement à une autre) sera toujours la meilleure solution. Mais respecter scrupuleusement cette trajectoire prend du temps et on cherchera toujours à la réduire pour les hommes, ne serait-ce que pour limiter la dose de radiations reçue. Comme pour aller de Deimos à Phobos et réciproquement, si on est pressé on accélérera pour aller de Deimos à l’un des Eagles. Cette hypothèse implique qu’on freine en arrivant à destination. Comme on ne peut pas trop freiner (énergie, g), il y a donc un temps minimum, fonction de la position respective de Deimos et de l’Eagle concerné d’une part et des conditions du freinage d’autre part.

NB: il faut toujours garder en tête que Deimos se décale progressivement par rapport aux Eagles. la position d’Eagle le plus proche et d’Eagle le plus lointain, changent régulièrement et progressivement au cours des 131 heures de la période synodique. Aucun Eagle n’est perpétuellement en position favorable ou défavorable, il l’est ponctuellement, à un moment donné.

Les hommes et l’enjeu radiatif.

Notez d’abord qu’il concerne les êtres humains. Les équipements, sauf exception due à une grande complexité informatique n’en souffrent pas de manière vitale.

Au rythme d’environ 1,8 mSv par jour hors abri (ordre de grandeur mesuré en croisière par l’instrument RAD de la mission MSL), le transfert de Hohmann (entre l’orbite de Deimos et l’orbite aréostationnaire) de 13,7 h coûte de l’ordre de 1 mSv et un transfert rapide de 5 h environ 0,4 mSv. La dose radiative est donc relativement faible et l’économie possible par trajet du fait de la vitesse est donc modeste. Mais elle devient significative en cumul (pour ceux qui circuleront souvent), surtout pour les plus fragiles.

Outre la vitesse, la réponse sera dans le véhicule lui-même — et ce ne sera pas une option mais la règle, sans exception : aucun être humain ne circulera sur le grand plateau autrement que sous blindage, dans une variante « passagers » du Lyoba (convoyeur de la startup suisse Pave Space), dont la cabine entière sera enveloppée d’un manchon de polyéthylène haute densité (PEHD) de 20 cm d’épaisseur, soit environ 19 g/cm². Pour une cabine de 3 m de diamètre sur 4 m de long, ce manchon pèsera environ 11 t — un cinquième de la charge utile, mais l’absence d’atmosphère sur le grand plateau autorise ce blindage extérieur brut, sans aucun carénage, et son surcoût d’ergols restera négligeable (~620 kg de méthane-oxygène par aller-retour de Hohmann). Le gain sur le rayonnement galactique sera réel — et il faut bien mesurer l’économie que procure le manchon : la dose tombe d’un bon tiers, de 1,8 à environ 1,2 mSv par jour de vol, et l’aller de Hohmann de 1 à 0,65 mSv. C’est 0,7 mSv épargné à chaque aller-retour vers Deimos et, pour les « navetteurs » les plus assidus (un aller-retour par cycle de 131 h), une économie cumulée de plusieurs dizaines de mSv par an — l’ordre de grandeur d’une limite annuelle de radioprotection professionnelle sur Terre (20 à 50 mSv selon les réglementations) — mais l’essentiel est ailleurs : le manchon arrêtera la quasi-totalité des protons d’une éruption solaire survenant en vol, événement contre lequel un transfert qu’on ne peut ni abréger ni interrompre, n’offre aucun autre recours. Cette protection intégrale s’imposera d’autant plus que les Lyobas transporteront aussi des enfants — on ne les maintiendra pas enfermés dans un seul Eagle jusqu’à leur majorité, et leurs tissus en croissance sont plus radiosensibles que ceux des adultes.

Dans le même esprit, remarquons que ces Lyobas-passagers seront entièrement automatisés : l’équipage se réduira à un chef de cabine, chargé des passagers et non du pilotage (l’automatisation intégrale du trafic du plateau sera développée dans un autre article). Le chef de cabine sera lui-même assisté de deux Optimus spécialement formés au service des passagers — on reposera beaucoup, sur le grand plateau, sur ces robots humanoïdes. La cabine comportera enfin un cabinet sanitaire et un petit office pourvu de réserves d’eau et de nourriture : confort indispensable aussi bien pour le vol le plus court (05h00) que pour le plus long (13h45).

Les hommes et le temps du trajet.

Accélérer n’a d’ailleurs pas qu’un intérêt radiatif : cela élargit aussi les fenêtres de départ. Pour un Eagle donné, l’alignement de Hohmann exact ne revient que toutes les 131 h, alors qu’une durée de vol ajustable permet de partir sur une plage de phases bien plus large. Le mécanisme est géométrique : les Eagles, 3 035 km plus bas, rattrapent Deimos à 2,74° par heure (soit 360°/131), et chaque durée de vol exige au départ un angle de phase précis entre Deimos et l’Eagle visé.  C’est la dernière colonne du tableau ci-dessous.

NB : on appelle angle de phase l’écart angulaire, mesuré depuis le centre de Mars, entre la position de Deimos et celle de l’Eagle à un instant donné ; il est compté négatif lorsque l’Eagle, sur son orbite plus basse et plus rapide, n’est pas encore passé sous Deimos.

Transferts Deimos ↔ orbite aréostationnaire :

(transferts coplanaires optimisés (μ Mars = 42828 km³/s², rayons orbitaux 23463 km et 20428 km)

Durée du transfert	Δv total (aller simple)	Ergols aller-retour (Isp 360 s)	Phase requise (Eagle en arrière de Deimos)
13,7 h (Hohmann)	97 m/s	5,6 % de la masse finale	−20,6°
12 h	104 m/s	6,1 %	−17,4°
10 h	130 m/s	7,6 %	−14,5°
8 h	177 m/s	10,5 %	−11,2°
6 h	254 m/s	15,5 %	−8,5°
5 h	314 m/s	19,5 %	−6,9°
4 h	403 m/s	25,7 %	−5,5°

Pour un Lyoba de 60 t, l’aller-retour de Hohmann vers un Eagle ne consomme donc qu’environ 3,5 t de méthane-oxygène ; et diviser le temps de trajet par deux (13,7 → 6 h) ne multiplie le Δv que par 2,6. En absolu, la circulation sur le grand plateau restera presque gratuite — c’est la remontée depuis la surface de Mars (~4,3 kg d’ergols par kg hissé à Phobos) qui restera le poste coûteux.

La conséquence opérationnelle se lit dans cette dernière colonne. Un Lyoba capable de moduler sa durée de vol entre 13,7 h et 4 h peut partir dès que la phase se situe entre −20,6° et −5,5°, soit une fenêtre continue d’environ 15° — cinq heures et demie par cycle de 131 h — au lieu d’un instant ponctuel. La fenêtre s’ouvre par le transfert le plus économique et se referme par le plus coûteux : arriver en retard au quai se paie en ergols, non en attente. On notera même ce petit paradoxe : le retardataire parti en sprint de 4 h à la fermeture de la fenêtre arrive environ 4 h avant celui qui est parti à l’ouverture par Hohmann (9,5 h contre 13,7 h après l’ouverture de la fenêtre).

Figure — Le temps du trajet Deimos ↔ Eagle : à gauche, les fenêtres de départ vers un Eagle donné (fenêtre équipage de 15° ≈ 5,5 h, fenêtre fret de 143° ≈ 52 h par cycle de 131 h) ; à droite, le coût du vol selon sa durée (calcul de Lambert coplanaire optimisé, points du tableau des transferts ci-dessus).

Quantifions l’attente. Si le besoin de partir survient à un instant quelconque du cycle de 131 h, un voyageur qui n’accepterait que le Hohmann exact attendrait en moyenne 65,5 h — et 131 h au pire. La fenêtre équipage de 5,5 h ramène cette attente moyenne à environ 60 h (125,5 h au pire, départ immédiat dans 4 % des cas) : le gain statistique est modeste, il faut le dire honnêtement (pour rejoindre un Eagle donné, c’est le rythme synodique qui commande). Le vrai bénéfice de la fenêtre pour les hommes est donc ailleurs. D’abord la liberté de choisir son heure sur cinq heures et demie, plutôt que d’être l’otage d’un créneau de quelques minutes. Ensuite la stratégie qu’elle autorise : pour qui a déjà attendu, patienter 5,5 h de plus sous blindage et partir en sprint de 4 h à la fermeture de la fenêtre vaut toujours mieux que partir à l’ouverture par Hohmann — on arrive environ 4 h plus tôt et on n’encaisse que 0,2 mSv au lieu de 0,65 (doses sous le manchon qui sera systématique ; hors abri, on lirait 0,3 contre 1). Seul bémol, on le fait au prix d’ergols multipliés par 4,6 : pour un Lyoba de 60 t, l’aller-retour passe d’environ 3,5 t à une 15^ne de tonnes de méthane-oxygène. Quant au temps d’embarquement lui-même, il ne sera jamais la contrainte : les voyageurs d’un départ donné se compteront en unités ou en dizaines, non en centaines comme dans un gros porteur de nos aéroports — quelques minutes suffiront à monter à bord d’un Lyoba. La fenêtre de départ est une contrainte céleste, pas humaine.

Le fret : fenêtres et temps du trajet

Les Lyobas cargo, eux, voleront « nus » : le fret n’a pas d’enjeu radiatif. Ils voleront aussi sans personne à bord, entièrement automatisés — ni enjeu radiatif, ni équipage.
NB : Le développement sur l’automatisation intégrale du fret en surface du plateau figure dans l’un des deux articles suivants annoncés. Outre, le fret, il s’impose aussi pour les vols habités les plus longs afin de limiter les doses de radiations).

Le fret pourra surtout élargir la fenêtre de départ de l’autre côté par des transferts plus lents que Hohmann (arcs supérieurs à 180°) : jusqu’à 30 h de vol pour environ 410 m/s, ce qui permet de viser un Eagle encore 148° en arrière et porte la disponibilité de départ à environ 52 h sur 131, soit 40 % du temps. Pour les hommes, en revanche, mieux vaut attendre à quai, sous blindage, qu’« attendre en vol » sous rayonnement : l’équipage attendra sur Deimos et volera vite.

Côté attente, le fret fait donc beaucoup mieux que l’équipage : avec sa fenêtre de 52 h, l’attente moyenne tombe à environ 24 h (79 h au pire, départ immédiat quatre fois sur dix).

En résumé, la vitesse ne raccourcit jamais la période synodique de 131 h, qui ne dépend que des deux périodes orbitales ; elle achète la souplesse autour de ce rythme — la fenêtre de départ élargie — et, en prime, le vol plus court.

Nous voici rendus à destination. Mais attention ! cette démonstration n’est valable que pour le voyage Deimos – Eagle ou (à peu de choses près) le voyage Phobos – Eagle (nous sommes sur le même plateau). Nous verrons dans le prochain article que le voyage sur la même orbite Eagle-Eagle doit faire face à d’autres contraintes qui ne le rende pas plus facile. Dans un autre article, nous verrons les différentes fonctions des modules de docking et les stocks d’ergols qu’il convient de maintenir à bord de chaque Eagle. Arriver ou partir n’est pas simplement accoster ou décoller.

Copyright Pierre Brisson

illustration de titre: Le temps des trajets Deimos – orbite aréostationnaire, réalisée par claude.ai sur demande de Pierre Brisson.

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