EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

S’arrêter au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune à la fin d’un Voyage Mars-Terre serait faire une escale très utile.

Les dangers du retour sur Terre après une mission sur Mars sont connus. Ils concernent aussi bien les astronautes que les Terriens. Une escale au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune dans la station que j’ai décrite dans mes précédents articles, serait pour tous d’un grand intérêt. Les difficultés concernent surtout l’aérocapture puis la connexion à la station.

Voyons d’abord les dangers

Les personnes hostiles aux missions habitées sur Mars, mettent souvent en avant le besoin de « protection planétaire » en évoquant le risque de contagion des humains restés sur Terre par des microbes qui auraient contaminé les astronautes lors de leur séjour sur Mars. Ce risque va disparaître avec le temps, au fur et à mesure que nous connaîtrons mieux la planète. Actuellement, bien qu’il soit peu probable (jusqu’à présent nous n’avons constaté aucune forme de vie sur Mars), il ne peut être écarté par principe. Certes le voyage de retour, forcément long (6 mois en moyenne) sera en lui-même une période de quarantaine. Mais un examen complémentaire dans un endroit proche de la Terre comme L1, accessible beaucoup plus facilement à nos appareils et moyens pharmaceutiques, ainsi qu’à nos médecins spécialistes, serait une sécurité appréciable.

Un autre danger, majeur, est constitué par l’état du vaisseau avant l’épreuve la plus importante d’une rentrée sur Terre à l’issue d’une mission dans l’espace profond, l’EDL (Entry Descent Landing). Il s’agit d’affronter la pression atmosphérique terrestre à une vitesse telle que l’air se transforme en plasma et dépasse les 2000 degrés et qu’il exerce une contrainte mécanique très forte sur les éléments de la protection du vaisseau. Elle peut désolidariser l’un d’entre eux ou plusieurs, de l’ensemble. Tout vérifier avant l’épreuve serait évidemment une précaution utile. Certes on aura pu le faire sur Mars. Mais le faire sous gravité, même minime (les 0,38g martien), sans tour de service ne sera pas facile (surtout dans la partie haute d’un starship qui fait 50 mètres de haut). Par ailleurs, la montée dans l’atmosphère martienne même si sa pression est faible (au sol 0,6% de la pression atmosphérique terrestre) et l’affranchissement de la gravité martienne, auront causé ensemble au départ de Mars une contrainte mécanique certaine. Un check-up près de la Terre (en L1, encore) en condition d’apesanteur permettrait de vérifier et de remplacer les éléments paraissant fragiles. Il n’y aurait aucune difficulté à inspecter l’entièreté du vaisseau. Et la station spatiale pourrait disposer d’un stock de tuiles thermiques et aussi d’imprimantes 3D pour refaire certaines petites pièces manquantes. Si la pièce ne correspond pas à ce stock ou à ces possibilités, on pourrait la faire venir très rapidement de la Terre (ce qui serait impossible tant que le vaisseau n’est pas à proximité de la Terre et surtout quand il est sur Mars puisque les fenêtres de communication physique ne s’ouvrent que quelques semaines tous les 26 mois). Si le vaisseau présente une faille irréparable, on pourrait aussi faire monter un nouveau vaisseau de la Terre, même de taille moyenne (un falcon heavy par exemple), pour récupérer les astronautes et les ramener sur Terre. Notez que la Lune ne pourrait offrir le même avantage (décollage + atterrissage et pesanteur).

Le séjour en L1 présenterait aussi des avantages

Comme vous avez pu le lire dans mes articles précédents, une station rotative de 60 m de rayon, tournant à 2,73 tours par minute, recréerait dans son tore de 377 mètres, une gravité de 0,5g. Or les passagers viendront d’un monde où pendant 18 mois ils auront vécu dans une gravité de 0,38g, séjour encadré par deux voyages de 6 mois chacun, peut-être en apesanteur mais certainement pas en 1g ni même en 0,5g (volume et masse nécessaires). Le retour à une gravité de 1g sera douloureux et peut-être dangereux, surtout s’il est brutal. Passer quelques quatre semaines en gravité de 0,5g serait une excellente préparation au retour et un environnement tout à fait convenable pour recevoir éventuellement des soins. L’imagerie, les prélèvements biologiques, les perfusions, la chirurgie, la rééducation physique pourront être pratiqués sans problème.

Par ailleurs, à la distance de L1, il n’y aura quasiment plus de latence temporelle (time lag) puisque sur son orbite de halo, la station évoluerait à environ 326.000 km de la Terre, soit 85 % de la distance Terre-Lune — à portée immédiate de la Terre à l’échelle interplanétaire. Toute conversation, publique ou privée, avec ou sans images, sera redevenue possible, comme toute participation à des réunions ou à des plateaux de télévision, alors que jusqu’à présent seuls les conversations retardées (3 à 22 minutes avec Mars, dans un seul sens), les envois d’enregistrement oraux ou de documents écrits étaient possibles.

Dernier avantage, après avoir vécu pendant 30 mois (deux fois six mois de voyage et 18 mois sur place) avec une nourriture saine mais peu variée (on comprend pourquoi), les astronautes retrouveront une alimentation riche et variée qu’ils pourront commander sur Terre selon leurs goûts.

En quelque sorte, en revenant dans le système Terre-Lune, les astronautes seront pratiquement revenus sur Terre (pensez aux distances de la Terre : Lune 385.000 km, Mars 56 millions à 400 millions de km). Moralement, ils seraient « arrivés ».

Ceci introduit une dimension psychologique que l’on aurait tort de négliger et qui s’ajoute aux bénéfices physiologiques mentionnés. Trente mois d’isolement, de promiscuité forcée, de danger permanent et de distance absolue avec les proches auront laissé des traces. En L1, non seulement les communications seront redevenues instantanées, mais aussi des détails géographiques de la Terre seront redevenus visibles à l’œil nu. Ce retour audio et visuel précèdera et préparera le retour physique des astronautes et cette transition douce sera probablement aussi nécessaire que la réadaptation musculaire.

Atteindre L1 à partir de la trajectoire Mars-Terre

Le dernier problème à considérer est celui de rejoindre L1 depuis la trajectoire Mars-Terre. C’est un moment délicat car il faudra freiner et dépenser le moins d’ergols possible (capacité évidemment limitée du Starship). Plusieurs solutions sont à considérer.

Voyons d’abord le contexte orbital.

Un vaisseau venant de Mars passe à proximité de L1 avec une vitesse relative de l’ordre de seulement quelques 3,2 km m/s. Mais plus il s’approche de la Terre plus la gravité l’y fait tomber et il arrive au sommet de l’atmosphère terrestre avec une vitesse de quelques 11,467 km/s, selon la géométrie du transfert.

L’avantage de la rentrée atmosphérique directe c’est le freinage gratuit. Les ergols ne sont nécessaires que pour l’ajustement de trajectoire ou d’attitude. Mais cela à un coût, la raideur de cet aérofreinage (nombre de g) et la chaleur.

L’alternative L1 avant descente sur Terre suppose qu’on réduise à zéro en L1 la vitesse relative des 3,2 km/s mentionnée ci-dessus. On ne peut le faire que par freinage propulsif, par freinage gravitationnel lunaire ou par aérocapture atmosphérique terrestre.

La première option, si elle est effectuée trop tard (accentuation de l’attraction gravitationnelle) suppose une dépense d’ergols incompatible avec une obligation d’économie de masse transportée. En effet, au décollage vers Mars on ne pourra emporter que ce qui est absolument indispensable.

La deuxième option impose un passage rasant près de la surface lunaire (lunar flyby), très difficile et dangereux à préparer.

La troisième option est peu consommatrice d’énergie mais également délicate et elle coûte cher en nombre de g à absorber. Entrer marginalement dans le haut de l’atmosphère terrestre (de 120 km jusqu’à 93 km d’altitude) pour perdre 489 m/s (soit 11,488 km/s au périgée à 93 km d’altitude – 10,999 à la sortie de l’aérofreinage vers L1), puis remonter en L1. Le vaisseau ressort ainsi de l’atmosphère avec une vitesse résiduelle suffisante pour atteindre L1 (apogée résultant, de 300.000 à 400.000 km) mais insuffisante pour s’échapper du système Terre-Lune. Le delta-v supplémentaire pour circulariser le vaisseau en L1 sera de l’ordre de 500 m/s — dont 100 à 300 m/s d’ajustement fin de trajectoire et 200 à 400 m/s de freinage résiduel pour la capture en orbite de halo.

Cet effort propulsif sera largement compensé par une vitesse d’entrée ultérieure dans l’atmosphère terrestre réduite de 12–13 km/s à l’approche de la Terre veant de Mars, à 10,999 km/s, abaissant ainsi considérablement les contraintes thermiques et mécaniques de l’EDL. Ce sont les contraintes marginales qui sont les plus dures. En effet, l’énergie cinétique variant comme le carré de la vitesse, une réduction de ~15 % de la vitesse réduit l’énergie thermique dissipée d’environ 28 %, ce qui allègera très significativement les contraintes sur le bouclier thermique. La vraie difficulté technique résidera dans le guidage de l’aérocapture : le couloir atmosphérique toléré est étroit (comme entrer dans le chas d’une aiguille) – avec un angle d’entrée de 3,8° dans le cas présent, ce qui exige une précision comparable à l’EDL. Les systèmes de guidage autonomes modernes sont désormais capables d’y faire face mais l’opération reste très risquée.

N.B. : Il existe une quatrième et dernière option pour rejoindre la station en orbite autour de L1, et c’est la meilleure. Elle consiste à freiner à une certaine distance de L1 et non à l’entrée de l’atmosphère terrestre, c’est-à-dire avant que la gravité terrestre n’entraîne le vaisseau spatial à une vitesse trop élevée. Je la développerai dans un autre article qui paraîtra prochainement.

De L1 à la Terre:

La rentrée sur Terre qu’on devra affronter après le séjour en L1, restera dure mais avec une vitesse légèrement réduite (donc frottement moindre) de 10,9 km/s, elle sera moins dangereuse. Sans aérocapture, annuler les 468 m/s de vitesse relative en L1 par freinage propulsif pur aurait conduit à une ponction importante des réserves d’ergols du Starship. Grâce à l’aérocapture, le delta-v résiduel à fournir (à l’approche de la station) tombe à seulement 300–500 m/s au total, ce que le Starship peut gérer sans emport de carburant supplémentaire dédié.

L’escale ne sera pas du temps perdu

Le temps du séjour possible dans la station ne sera pas non plus un prolongement inutile de la mission :

La station sera viabilisée avec une protection maximale contre les radiations. Cette protection sera insuffisante contre les HZE des GCR mais suffisante contre les protons du Soleil et des GCR. Cela ne veut pas dire que les astronautes pourraient y rester des mois et d’ailleurs aucun ne le voudrait. Mais un séjour de 4 semaines serait tout à fait possible. Cela donnerait tout le temps nécessaire pour procéder à tous les examens médicaux nécessaires, pour une réadaptation musculosquelettique partielle mais significative, pour une recalibration du système vestibulaire et pour une stabilisation de la densité osseuse (les os répondent sur des semaines, pas sur des jours).

Et pendant ce temps on pourra procéder à toutes les vérifications nécessaires, et soit effectuer les réparations du vaisseau spatial venant de Mars, soit faire venir un vaisseau de secours en L1.

Le retour final à 1g sur Terre serait ainsi beaucoup moins dangereux qu’un retour direct depuis Mars.

Maintenant, commençons à travailler sur cette station spatiale ! Il faut qu’elle soit pleinement opérationnelle en 2035 quand la première mission habitée partie de la Terre en 2033, y reviendra.

Les chiffres, les graphes et l’illustration ont été obtenus avec l’aide de claude.ai

Copyright Pierre Brisson

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