Entre Deimos, Mars et la Terre, c’est la gravité qui fait la différence
La distance Terre-Mars varie de 56 à plus de 400 millions de kilomètres selon la position des deux planètes sur leur orbite — un facteur sept. On pourrait croire que c’est cette distance qui détermine le coût d’un voyage. C’est faux, ou presque : ce qui coûte cher, ce n’est pas de traverser l’espace interplanétaire, c’est de s’arracher du fond d’un puits gravitationnel, ou de s’y replonger sans s’écraser. Cette distinction — la gravité plutôt que la distance — structure entièrement l’architecture Deimos-II / Eagle-One*. Elle vaut qu’on la pose une fois pour toutes, chiffres à l’appui.
*Deimos-II est une station rotative ancrée dans le sol de Deimos. Eagle-One la première station libérée dans l’espace martien (orbite aréostationnaire), à partir du sol de Deimos.
Commençons par le bas de l’échelle : la vitesse de libération, c’est-à-dire la vitesse qu’il faut atteindre pour échapper définitivement à l’attraction d’un corps depuis sa surface. Sur Terre, elle est de 11,19 km/s. Sur Mars, 5,03 km/s — moins de la moitié, ce qui explique déjà pourquoi un retour vers la Terre coûte plus cher qu’un aller (sur la Lune, 2,38 km/s). Et puis, sur Phobos et Deimos, les deux satellites de Mars : 11 et 5,6 mètres par seconde. Pas des kilomètres par seconde — des mètres par seconde. Le rapport entre la Terre et Deimos est d’environ 2 000. C’est cette différence, à elle seule, qui rend possible et justifie toute l’architecture Deimos-II : on ne construit pas une station rotative de plusieurs dizaines de milliers de tonnes, comme Eagle-One, sur un corps dont il faudrait ensuite s’arracher à 11,19 km/s ou même à 5,03 km/s; on la construit là où s’en arracher ne coûte presque rien (pour aller quelque part où le voyage coûte à peine plus).
Présenté en proportions réelles (plutôt qu’à l’échelle logarithmique) la comparaison frappe très fort : Phobos et Deimos y disparaissent purement et simplement, écrasés contre l’axe — visuellement nuls face aux 11,19 km/s de la Terre.
Point de repère terrestre : que valent 6 km/s chez nous ?
Les chiffres martiens prennent tout leur relief quand on les rapporte aux références que chacun a en tête : celles des fusées qui partent de la Terre. Rejoindre la simple orbite basse — celle de la Station spatiale internationale — coûte environ 9,4 km/s, pertes de gravité et de traînée comprises. Atteindre l’orbite géostationnaire en coûte environ 13,5 — davantage, on le notera, que la vitesse de libération terrestre elle-même (11,19 km/s). Cette dernière étant un chiffre idéal qui ignore les pertes que chaque lancement réel doit subir.
Face à ces références, le budget martien change de visage :
Les 6,0 km/s qui suffisent, sur Mars, à hisser un véhicule de la surface jusqu’à l’orbite aréostationnaire — 17 038 km d’altitude, une orbite stable et définitive — n’atteindraient, appliqués depuis le sol terrestre, aucune orbite du tout. Deux chiffres suffisent à le faire voir : la vitesse orbitale minimale autour de la Terre est d’environ 7,8 km/s, et le Starship, dans ses vols d’essai suborbitaux, plafonne à près de 7,3 km/s — à un demi-kilomètre par seconde de l’orbite, tout en ne dépassant guère 250 km d’altitude. L’orbite n’est pas une affaire d’altitude, c’est une affaire de vitesse. Nos 6 km/s, eux, restent loin du compte : projetés à l’horizontale (comme ils le doivent), ils laissent l’ellipse recouper la Terre, et l’on retombe bien avant d’avoir atteint l’orbite. La plus basse orbite terrestre stable exige ses 9,4 km/s de budget, sans négociation possible :les 7,8 km/s de vitesse finale, plus le péage de la montée — pertes de gravité et de traînée qu’aucun lanceur ne peut esquiver, à peine adoucies par le bonus de rotation terrestre (7,8 est la vitesse à destination et 9,4 le prix du voyage). Autrement dit : l’ascension martienne complète, jusqu’à l’orbite des satellites stationnaires, coûte moins cher que la première étape du voyage spatial tel que la Terre nous l’a appris.
La comparaison la plus frappante est peut-être celle-ci : revenir de Deimos jusqu’à la Terre coûte 1,90 km/s (1,92 pour revenir de l’orbite aréostationnaire) — cinq fois moins que monter de chez nous jusqu’à l’ISS. Revenir de la banlieue de Mars coûte moins cher que de quitter notre propre plancher.
L’avantage orbital, et son indifférence à la distance
Le calcul utilise l’effet Oberth, qui profite de la vitesse déjà acquise en orbite pour minimiser le coût du départ : Δv = √(v∞² + 2μ/r) − √(μ/r) — un calcul qui suppose une combustion impulsive, à poussée élevée : c’est la propulsion chimique, pas l’électrique (comme on le fera pour voyager de l’ellipse aréostationnaire à Deimos ou réciproquement), qui est en jeu ici (voir plus loin). Fait notable, et contre-intuitif : que l’on parte de Deimos (à 20 000 km au-dessus du sol martien) ou de l’orbite aréostationnaire (à 17 032 km au-dessus du même sol), le résultat ne change presque pas — moins de 1 % d’écart, malgré un écart réel de près de 3 000 km entre les deux. Au-delà d’un certain seuil, la distance précise à Mars importe peu. Ce qui compte, c’est d’être sorti du puits — pas de savoir à combien de kilomètres exactement on se trouve.
L’asymétrie montée/descente, et où vont les stocks d’ergols
Le voyage retour, de l’orbite vers la surface de Mars, n’est pas le symétrique du voyage aller. Monter coûte environ 6,0 km/s en pure propulsion ; descendre n’en coûte que 0,5 à 1,5 km/s (estimation indicative, fortement dépendante du véhicule), parce que l’atmosphère martienne absorbe l’essentiel de l’énergie cinétique — bouclier thermique, freinage atmosphérique, une correction propulsive finale modeste. Les missions réelles donnent l’échelle : Curiosity et Perseverance n’ont eu besoin que de quelques centaines de mètres par seconde de propulsif pour leur tout dernière manœuvre.
Cette asymétrie a une conséquence opérationnelle directe. Un véhicule qui remonte de la surface vers Deimos ou l’orbite aréostationnaire peut emporter, dans ses propres réservoirs, la petite réserve d’ergols dont il aura besoin pour redescendre : l’équation de Tsiolkovski demande pour cela environ 20 à 65 % d’ergols supplémentaires à produire au sol.
Le chiffre peut surprendre, car 0,5 à 1,5 km/s semblent bien peu face aux 6 km/s de la montée ; mais deux effets se cumulent : la réserve de descente pèse déjà 15 à 50 % de la masse sèche du véhicule (exponentielle de Tsiolkovski, ve ≈ 3,6 km/s), et chaque kilogramme de cette réserve doit lui-même être hissé le long des 6 km/s, au prix d’environ 4,3 kg d’ergols de montée. Même ainsi, l’addition reste bien moins coûteuse que de constituer un dépôt d’ergols en orbite (je développerai ce point dans un autre article). Dans la pratique, on visera d’ailleurs la borne basse (les 20%) : plus le freinage atmosphérique prend sa part du travail (Δv propulsif proche de 0,5 km/s), plus la facture retombe vers ~20 %. La vraie limite de cette économie n’est pas propulsive mais physiologique — le critère est la décélération que peut supporter un être humain en condition physique ordinaire, quelques g soutenus, sans plus. Or, venant de Deimos ou de l’orbite aréostationnaire, l’entrée dans l’atmosphère martienne ne se fait qu’à ≈4,6 km/s, bien loin des retours terrestres : le profil de freinage reste naturellement dans cette enveloppe. Les seuls vrais stocks à constituer sur Deimos ou sur Eagle-One sont donc ceux du grand large, et ils sont de deux natures bien distinctes. D’un côté, l’argon de la propulsion électrique, produit localement par ISRU, mais réservé aux cargos non habités — le fret et les éléments de structure, pour le transfert Deimos→Eagle-One déjà évoqué — car sa poussée plus faible, même appliquée plus longtemps, allonge sensiblement la durée du trajet*. De l’autre, les ergols chimiques nécessaires au retour des équipages vers la Terre ou L1-TL — car la durée de transit ne pénalise que les passagers, pour qui elle doit se compter en mois ; le fret, lui, n’est sensible qu’au débit : une noria de cargos électriques, lents mais partant à cadence régulière, livre à cadence régulière, exactement comme le fret maritime terrestre approvisionne chaque jour des continents avec des navires qui passent des semaines en mer. Ces ergols de retour seront vraisemblablement produits au sol sur Mars, où la chimie ISRU sera maîtrisée, puis acheminés et accumulés sur Deimos pendant le séjour qui précède chaque fenêtre de retour.
*Le starship Starship de SpaceX, par exemple, n’utilise pas la propulsion électrique mais des moteurs chimiques (Raptor) ; les deux familles de propulsion coexistent dans l’architecture Deimos-II / Eagle-One, chacune à sa place.
L’escale L1-TL
Reste une dernière question : où atterrir, une fois revenu près de la Terre ? La réponse la plus directe — l’entrée atmosphérique immédiate — est aussi, en apparence, la moins chère en ergols (≈1,9 km/s depuis Deimos ou l’aréostationnaire). Mais une escale au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune (L1-TL), via une assistance gravitationnelle lunaire, n’ajoute que 0,5 à 0,7 km/s à ce total (soit environ 2,4 à 2,6 km/s ; estimation par analogie avec les missions de transfert lunaire. Comme pour le reste de ce trajet, cette manœuvre suppose une propulsion chimique à poussée élevée, seule compatible avec un transit de quelques mois pour un équipage humain — un surcoût propulsif modeste pour trois bénéfices substantiels : une réacclimatation progressive à la gravité (une station rotative à L1 pourrait restituer 0,5 g, palier intermédiaire entre l’apesanteur du transit et le plein g terrestre) ; un contrôle médical et de protection planétaire avant tout contact avec la biosphère terrestre ; et une vérification complète du vaisseau avant qu’il ne s’engage, de manière irréversible, dans l’entrée atmosphérique terrestre. Un demi-kilomètre par seconde, à l’échelle de ce voyage, est un prix raisonnable pour ce sas de sécurité.
Synthèse opérationnelle
Ces chiffres, mis ensemble, dessinent une règle simple pour toute l’architecture Deimos-II / Eagle-One : produire au sol sur Mars ce qui est cher, chimique et vol habité — l’ascension, et le retour des équipages vers la Terre ou L1-TL ; réserver à Deimos ce qui est lent, électrique et vol non habité — le transport du fret et des structures dans l’environnement des orbites martiennes (Deimos, Eagle-One, Phobos) ; et ne jamais payer deux fois le prix d’un puits gravitationnel qu’on peut éviter. C’est la même logique qui a guidé le choix de Deimos pour la construction, de l’orbite aréostationnaire pour l’habitat permanent, et de L1-TL pour le sas de retour : rester dans les hauteurs, et ne descendre dans un puits que lorsque c’est vraiment nécessaire.
A cet égard, lorsqu’on considère le Δv nécessaire à une mission sur Mars il faut bien voir qu’il est très faible, environ 7 km/s (descente et remontée comprises), compte tenu du petit besoin pour descendre sur Mars (environ 1 km/s). 7 km/s ce n’est pas grand-chose puisque, en termes d’ergols, ce n’est même pas ce qu’il faut pour grimper en orbite terrestre depuis la surface terrestre. Cela veut simplement dire qu’on ne descendra pas sur Mars pour rien puisqu’on pourra y travailler par téléopération. Cela sera facilité (1) par la position aréostationnaire des Eagles qui permettra d’avoir une vue (et une action) constante sur le même territoire et (2) par la multiplication des Eagles. On en construira très vite deux puis quatre. Avec deux stations aux antipodes de Mars, compte tenu de la distance (les 17032 km de l’orbite aréostationnaire par rapport aux 6779 du diamètre de Mars), on couvrira l’ensemble de la sphère de la planète (moins bien aux limites, zone grise). Avec quatre stations on aura un accès à l’ensemble de la sphère martienne, sans zone grise et elles pourront communiquer entre elles. Avec douze stations la couverture sera parfaite, chacune ayant le contrôle de 30° de longitude (d’un pôle à l’autre). A noter que cette couverture sera bien meilleure que si les mêmes stations étaient au sol puisque sur ces 30° la vue de l’observateur et de l’opérateur sera immédiate, ceci d’autant qu’il n’y aura pas de réflexion ionosphérique pour propager les ondes autour de la planète.
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Les calculs nécessaires à la démonstration ont été faits par claude.ai à la demande de Pierre Brisson.
illustration de titre: comparaison des différentes vitesses de libération et coûts de transfert (établie avec le concours de claude.ai)
Copyright texte, Pierre Brisson
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2 réponses
Bonjour Pierre Brisson : excellent article et en effet le puits gravitationnel de Mars est assez faible et reclame relativement peu d energie pour en sortir . AU GLOBAL l affaire Martienne est « enorme » on peut en effet y aller , y rester un certain temps en revenir ….c est faisable meme dans l etat actuel de notre technologie . mais c est vraiment un « gros truc »! je crois que ce n est pas pour tout de suite! en ce moment j etudie les robots necessaires pour amenager le site d atterrissage : il en faut une bonne trentaine et en plus assez complexes…
Deux autres paramètres: Il serait souhaitable d’essayer d’agir sur les températures. Sur terre, il faudrait remplacer les étendues de neige et glace disparues à cause de la fonte par des plaques étendues au sol et faisant miroir afin de renvoyer vers l’espace la chaleur et la lumière solaires qui autrefois étaient réfléchies par ces glaces. Et même couvrir avec de tels miroirs les régions désertes. Il va falloir agir sur le climat au lieu de subir sans agir. Maîtriser un peu le climat serait très utile pour vivre sur Mars mais, là, il faudrait capter le rayonnement perdu dans l’espace à proximité de la planète pour le renvoyer vers le sol martien. L’usine d’extraction du CO2 en Islande est une bonne idée mais complexe. Sur terre, des usines de dessalement de l’eau de mer sont à multiplier. Sur Mars, la collecte de l’eau sera un problème vital.
Deuxième point: la connaissance de notre corps et la maîtrise de notre santé sont très très insuffisantes. La médecine balbutie encore au niveau de l’infiniment petit. J’espère que dans quelque temps les machines à IRM et les scanners nous apparaîtront comme dignes de l’âge de pierre et pourront scruter le microscopique. Il faut comprendre le mécanisme de réaction de notre corps à la gravité et les conséquences au niveau cellulaire. Voire mettre au point des implants contrant les problèmes.
« je crois que ce n’est pas pour tout de suite! » dit Robert Niogret mais un peu de volonté aiderait voire sauverait