Descendre sur Mars depuis l’orbite aréostationnaire
Descendre sur Mars, y séjourner, en repartir : trois moments d’un même mouvement, que notre étude traite en trois articles. Celui-ci couvre le premier — la descente, depuis l’orbite aréostationnaire jusqu’au sol. Les deux suivants, « Séjourner sur Mars » et « Repartir de Mars », prendront la suite.
De l’Eagle au sol de Mars via Phobos (figure à l’échelle). Trois moments jalonnent le voyage : à t₀, le Lyoba quitte l’Eagle (Δv ≈ 0,30 km/s) et descend en ≈ 7 h 40 vers Phobos, où il freine (≈ 0,37 km/s) ; à t₀ + 11 h 38, après une escale d’environ 4 h (dans cet exemple), le Starship se désorbite (≈ 0,56 km/s) et parcourt en ≈ 2 h 11 une demi-ellipse jusqu’à l’entrée atmosphérique, à l’opposé de son point de départ ; à t₀ + 13 h 49, il se pose. Pendant la descente, Mars, l’Eagle et sa base ont tourné d’environ 32° : l’instant du départ est choisi pour que l’atterrissage ait lieu exactement à la verticale de l’Eagle. Voyage complet : ≈ 14 h — comparable à un vol Paris–Tokyo.
Aujourd’hui, nous quittons notre station spatiale rotative, l’un des douze « Eagles » en orbite aréostationnaire, pour descendre sur Mars car nous y avons « à faire ». Nous prenons donc notre Lyoba (convoyeur haute altitude de la startup suisse Pave Space) jusqu’à Phobos (la plus grosse lune de Mars) puis nous embarquerons à bord d’un Starship qui descendra jusqu’à la surface de Mars. La destination du voyage sera en principe la base du secteur réservé à notre Eagle. Nous y opérons constamment, grâce à notre situation stable en orbite, par l’intermédiaire de notre réseau de télécommunication et des robots Optimus présents sur place que nous téléopérons. Mais nous pouvons aussi avoir été invités par les résidents d’un autre Eagle à constater ou à faire ensemble « quelque chose » chez eux.
L’avantage pour les opérateurs en orbite de Mars par rapport aux opérateurs restés sur la planète Terre et qui veulent agir sur Mars, c’est (1) qu’il n’y a pas de latence temporelle perceptive entre l’orbite aréostationnaire (17000 km d’altitude) et le sol ; (2) que la surface est constamment accessible via les ondes puisque le gestionnaire et opérateur est situé exactement au-dessus du secteur qui lui est attribué ; (3) que l’on peut descendre au sol plus souvent que lorsqu’on est sur la planète Terre (la « gare » que constitue la lune Phobos est accessible deux fois par jour martien à partir de n’importe lequel des douze Eagles en orbite aréostationnaire et on peut ensuite descendre quand on veut sur Mars) ; (4) que le voyage est beaucoup moins long ; (5) qu’il requiert moins d’énergie et (6) que les hommes qui font ce court voyage reçoivent une dose de radiations beaucoup plus faible.
On peut donc avoir une activité continue, exploiter une mine (notamment de glace d’eau), creuser, construire, diriger une usine (notamment de production d’ergols mais aussi une fonderie, une usine de plastiques, de produits chimiques divers, une verrerie, etc…), assembler, stocker, et même faire fonctionner des fusées (hoppers), peut-être des avions ultralégers équipés de « coflow jet » et surtout des véhicules « terrestres ».
Si on va sur Mars de temps en temps, c’est qu’on a besoin de « voir sur place » pour mieux comprendre, de contrôler quelque chose qui ne fonctionne pas malgré tous nos efforts, de superviser un chargement dans un Starship, ou simplement « pour s’aérer » (en gardant son scaphandre !), marcher sur le sol, explorer une caverne.
Mais on ne va pas y rester longtemps car la faible gravité de 0,38g y pose toujours problème pour le corps humain (Syndrome SANS), qu’on y est souvent exposé aux tempêtes de poussière et que les contacts avec les autres êtres humains (aussi bien au sol que restés en orbite) y sont moins faciles que sur Phobos ou Deimos. On peut se déplacer au sol de Mars mais les distances sont grandes, il n’y a pas de route, les avions ou les dirigeables peuvent difficilement voler en emportant des masses correspondant à des passagers humains avec leur équipements et leurs vivres en raison de la très faible portance de l’atmosphère.
Voyons les différentes séquences de la descente :
Remarquons d’abord que le voyage prendra « un certain temps » car, comme on l’a dit, l’on ne va pas descendre directement, en une seule séquence et en ligne droite de l’Eagle à la surface de Mars. Le Lyoba est léger ce qui représente des avantages capitaux pour circuler sur le « plateau » de faible gravité. Mais il est impossible de le faire descendre jusqu’au sol de Mars car il ne résisterait pas aux contraintes mécaniques et thermiques (contrepartie du freinage atmosphérique naturel qui, par ailleurs, fait faire des économies d’énergie).
Avant de fouler le sol de Mars, il faudra donc passer par la correspondance de Phobos où l’on embarquera sur un Starship-vaisseau en attente. Ce vaisseau équipé d’un bouclier thermique, sera lui, tout à fait capable d’affronter l’atmosphère martienne.
Donnons quelques chiffres. Depuis l’orbite de Phobos (à environ 6 000 km d’altitude), une simple impulsion de freinage d’environ 560 m/s suffit à placer le Starship sur une ellipse dont le périastre plonge dans l’atmosphère martienne. La descente balistique dure ensuite environ 2 heures 10, jusqu’à l’interface d’entrée atmosphérique (vers 125 km d’altitude), que le vaisseau aborde à environ 4,2 km/s. C’est là tout l’intérêt de partir de Phobos plutôt que d’arriver directement de la Terre : une arrivée interplanétaire directe se fait entre 5,6 et 6 km/s selon la fenêtre de tir, soit des contraintes thermiques et mécaniques nettement supérieures (l’énergie cinétique à dissiper croît comme le carré de la vitesse ; elle est environ deux fois moindre en partant de Phobos). Le freinage atmosphérique proprement dit ne dure que six à sept minutes, avec une décélération maximale modérée (de l’ordre de 2 à 3 g), avant la bascule finale et l’allumage des moteurs pour l’atterrissage propulsé, qui coûte environ 600 m/s supplémentaires.
Que représentent ces 2 à 3 g pour les passagers ? Sur autoroute, le freinage franc qui vous amène de 130 km/h à l’arrêt à l’approche d’un péage vous plaque contre la ceinture avec environ 0,3 g ; un freinage d’urgence, à la limite de l’adhérence des pneus, atteint à peine 1 g. Pendant les quelques dizaines de secondes autour du pic de décélération, nos passagers subiront donc l’équivalent de deux à trois freinages d’urgence superposés — mais allongés dans leurs couchettes, la décélération appliquée de la poitrine vers le dos, l’orientation la mieux tolérée par le corps humain. Un moment impressionnant, inconfortable, mais sans danger pour une personne en bonne santé, et sensiblement plus doux que le retour sur Terre des astronautes d’Apollo (6 à 7 g). C’est cependant cette contrainte qui interdira la descente aux enfants, dont l’organisme en croissance tolère mal ces accélérations, et aux femmes enceintes : Mars, au moins dans les premières décennies, se visitera entre adultes et les femmes enceintes attendront leur accouchement dans leur Eagle, « à la maison ».
Au total, la descente depuis Phobos est économe. Pour notre navette Starship de référence (masse sèche ~120 t, six moteurs vacuum, impulsion spécifique de 375 s), le budget propulsif d’environ 1,2 km/s — désorbitation et allumage d’atterrissage compris — représente ~50 t de méthalox pour un vaisseau descendant à vide et ~105 t pour un vaisseau chargé de 150 t (maximum possible dans un starship): même dans ce dernier cas, cela représente moins de 10 % de la capacité des réservoirs. Ces ergols auront été chargés au dépôt de Stickney (Phobos) avant la descente — ergols eux-mêmes montés de Mars lors des rotations précédentes, comme on le verra dans « Repartir de Mars ». La masse totale d’un vaisseau chargé sera donc au départ de Phobos de 375 tonnes et de seulement 275 tonnes à l’arrivée (soit, en poids martien, un peu plus de 100 tonnes — en fonction des ergols effectivement utilisés à l’atterrissage).
Quant au choix du moment : Phobos survole un site équatorial donné toutes les 11 heures environ (combinaison de sa période orbitale de 7 h 39 et de la rotation de Mars en 24 h 37) ; on dispose donc de deux occasions de descente par jour martien vers « son » secteur, sans aucune contrainte de fenêtre planétaire.
Ensuite, il faudra atterrir et pour ce faire, il faudra que la fusée soit équipée de pieds. En complément, il faudra que le sol recevant le poids (et les 100 tonnes mentionnées ci-dessus ne sont pas tout à fait négligeables), soit de densité égale, ferme et plat. Le Starship doit rester stable !
Le problème le plus difficile à résoudre et le plus dangereux du voyage va se poser lors des premières descentes (surtout la première) car le sol n’aura pas été préparé. On peut connaître sa planéité et sa composition par caméra et par radar mais on ne verra pas les gros cailloux au sol et les petites irrégularités du terrain qui peuvent être déstabilisatrices à l’atterrissage.
Sur des d’illustrations préparatoires au vol sur la Lune, SpaceX avait envisagé une couronne de propulseurs au-dessous du sas du vaisseau pour le stabiliser et le freiner dans les derniers mètres. Il faut espérer que le concept sera développé et appliqué pour le premier atterrissage sur Mars.
Le jet des moteurs provoquera une attaque féroce du sol et beaucoup de poussière et de projections, de poussières et de pierres…mais il n’y aura rien à détruire autour.
Pour la suite le risque ne sera pas le même puisque (1) on aura pu assembler une tour Mechazilla pour attraper le vaisseau en fin de vol afin de le déposer sur le sol et (2) on aura pu travailler le sol pour l’aplanir, le solidifier, y poser une plaque de décollage en métal, puis bien sûr installer une vraie plateforme de lancement, de type enclume comme sur Terre le Starship en a utilisé pour son IFT13. Les installations au sol — plateformes, tours de service — sont décrites dans « Séjourner sur Mars » (prochain article).
Quant au redécollage — la poussée à fournir contre la gravité, les ergols à produire sur place, le « grand pari » du premier départ —, il relève du dernier volet du triptyque : « Repartir de Mars » (article suivant).
Copyright Pierre Brisson
Illustration: trajectoires pour descendre sur Mars à partir de l’orbite aréostationnaire. Le passage par Phobos est obligatoire. Le graphe est réalisé par claude.ai sur demande précisée de Pierre Brisson.
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3 réponses
Bonjour Pierre Brisson : vous serait il possible de faire un resume rapide de votre approche ?
Bonjour Robert.
L’approche, que je développe depuis le début de cette année, est la suivante:
(1) Je constate que nous ne savons pas encore quelles seront les conséquences pour la vie humaine d’une vie sous gravité réduite martienne (0,38g contre 1g sur Terre). Ce que nous savons c’est que la vie en microgravité telle que vécue dans l’ISS, est très nuisible (en particulier syndrome SANS résultant de l’afflux et de la permanence dans le cerveau d’une quantité de sang qui y crée des surpressions. Sous 0,38g les effets négatifs sur le long terme, sont fort probables.
(2) La solution que je propose est de vivre dans des stations spatiales autour de Mars, qui seront rotatives et qui de ce fait restitueront une gravité de 1g dans les corps humains.
(3) Je place ces stations en orbite aréostationnaire (l’équivalent martien de géostationnaire) afin que les habitants des stations aient toujours la même surface de Mars sous les yeux.
(4) A partir de ces stations, n’importe quelle action pourra être entreprise au sol via les ondes électromagnétiques, puisque la distance entre l’orbite aréostationnaire et la surface n’est que de 17.000 km. A la vitesse de la lumière 300.000 km toute téléopération via des robots au sol, sera quasiment immédiate (latence temporelle extrêmement courte). Cela fait une différence énorme avec les actions que l’on peut mener depuis la Terre (latence de 3 à 22 minutes et relation possible uniquement à certaines heures ou via satellites en raison de la rotation différente des deux planètes).
(5) Le montage de ces stations sera possible grâce aux lunes de Mars. Sur la plus éloignée (20.000 km) de la surface, la gravité est extrêmement faible et on pourra, de ce fait, facilement y assembler des éléments de masse importantes. De plus, les vaisseaux venant de la Terre dépenseront peu d’ergols pour les apporter puisqu’ils n’auront pas à descendre dans le puits de gravité martien et à en ressortir.
(6) Ensuite lorsqu’on voudra aller sur Mars pour des besoins spécifiques (il y en aura), on pourra s’arrêter à Phobos (6000 km de la surface) pour prendre un vaisseau adapté aux contraintes mécaniques et thermiques qu’il faudra affronter (1) pour descendre au fond du puits de gravité et dans une atmosphère; (2) pour remonter et s’affranchir de l’attraction gravitationnelles de la planète, d’autant plus forte que l’on est près du sol. L’avantage de Phobos est non seulement d’être encore un astre à très faible gravité mais aussi d’avoir une rotation très rapide autour de Mars, ce qui permet facilement d’aller partout en surface rapidemment.
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Ainsi, en installant toute une couronne de stations rotatives en orbite « géostationnaire » autour de Mars, toute une petite population humaine pourra vivre de la planète dans des conditions environnementales terrestres, sans en subir les conséquences très négatives (outre la gravité, les tempêtes de poussière ou la faible quantité de lumière pendant l’hiver austral).
impeccable ! c est tout a fait faisable et ce sera tres pratique mais comme prevu il s agit d un tres gros chantier mais quelques soient les options choisies nous aurons a realiser de tres grands travaux! un grand merci pour le developpement de votre vision .