EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Les missions robotiques préparatoires aux missions habitées sur Mars sont incontournables. En effet les risques sont trop grands et surtout les possibilités de retour immédiat sur Terre impossibles en cas de problème grave (la fenêtre de retour n’est ouverte que 18 mois après l’arrivée et ne le restera qu’un seul mois). Les missions préparatoires, en supposant qu’elles utilisent le Starship de SpaceX, auront pour objet de tester la fiabilité du vaisseau spatial et, autant que possible, de sécuriser l’arrivée du vol habité, de préparer le support vie sur place du premier équipage, et de préparer le redécollage du vaisseau par la mise en route de la production sur place des ergols nécessaires pour revenir sur Terre. Il en faudra probablement deux mais elles devront être précédées d’une mission « classique ».

Nous ne sommes pas encore tout à fait prêts à envoyer un starship sur Mars. Mais, après la réussite de l’« IFT4 » (4ème « Integrated Flight Test »), la faisabilité du voyage sur le plan strictement aéronautique (décollage, propulsion vol et EDL – Entry Descent Landing) semble de plus en plus probable. En fait ce qui manque de façon la plus évidente c’est, comme le dit souvent Pierre-André Haldi, la source d’énergie embarquée qui doit permettre pendant le vol de 6 mois le fonctionnement des équipements et, aussi et surtout, la vie des passagers (le vaisseau sans passager requiert évidemment moins d’énergie qu’avec). Il faut donc aujourd’hui supposer que la solution à ce problème soit trouvée. Il faut aussi qu’au dernier moment le site choisi pour l’atterrissage ne présente pas de surprise qui rendrait sa concrétisation impossible.

En effet la difficulté la plus grande sera en fin de course de l’EDL, l’atterrissage sur Mars. A ce stade, les problèmes du Starship ce sont (1) sa masse, 300 tonnes (100 tonnes de masse sèche et 150 tonnes de charge utile plus un peu d’ergols résiduels, disons, en tout, maximum 300 tonnes), donc son poids, 114 tonnes sur Mars, et (2) son centre de gravité. Celui-ci sera un peu haut puisque les réservoirs (dans la partie basse) seront presque vides et que la soute, elle, sera pleine et à 30 Mètres de hauteur (la hauteur totale du vaisseau est de 50 mètres). Se poser dans ces conditions sur un sol non préparé (c’est-à-dire non seulement plan et sans pente mais aussi sans pierre) est un défi que l’on ne peut être certain d’emporter.

*la masse des rovers Curiosity et Perseverance n’est que d’une seule tonne.

Il serait donc prudent d’envoyer pendant la fenêtre de 2027, avant la première mission robotique de starship, un vol conventionnel comme utilisé pour la dépose des rovers Curiosity ou Perseverance, afin d’examiner précisément le terrain pour ce qui est de sa densité et de sa planitude. Le rover qui serait débarqué dans cette première mission serait pour cela équipé d’un radar, d’une lame de bulldozer et d’un drone hélicoptère du type Ingenuity (disposant de préférence d’un peu plus d’autonomie !). Après que l’hélicoptère aura choisi l’endroit précis qui paraîtra le plus favorable à l’aire d’atterrissage, le radar sondera le sous-sol immédiat, puis la lame de bulldozer sera abaissée pour repousser les pierres pas trop volumineuses et massives qui pourraient être déplacées à la périphérie du cercle de cette aire. Le sol ainsi défini sera balisé pour permettre l’approche la plus efficace possible du starship.

Lorsque le premier starship robotique sera en phase finale de son EDL lors du cycle synodique suivant (2029), il arrivera par rétropropulsion de ses moteurs arrière à quelques 30 mètres du sol. Il disposera encore de quelques dizaines de tonnes d’ergols et ajustera sa position en fonction de son programme « TRN » (Terrain Relative Navigation). Alors, pour les derniers mètres, le relais sera passé à une couronne de rétropropulseurs situés en dessous du niveau de la porte du sas (voir la dernière représentation du Starship-HLS pour la Lune). Ces rétropropulseurs, orientés non pas à la verticale mais avec un léger angle pour éviter d’endommager la coque du vaisseau, ne seront pas suffisants pour le maintenir en altitude (d’autant que la gravité martienne est le double de la gravité lunaire) mais pourront quand même amortir le contact avec le sol. Entretemps les pieds auront été déployés. Pour un meilleur équilibre, il en faudrait trois plutôt que quatre, comme recommandé par Christophe de Reyff dans un commentaire sur mon dernier article. NB : La rétropropulsion au-dessus du centre de gravité facilitera l’attitude verticale du vaisseau.

Ensuite le problème sera de descendre les équipements embarqués depuis la soute. Sans la présence d’un équipage, ce ne sera pas facile (tout comme la mise en fonctionnement de ces équipements). Il est prévu que deux rails courants le long de la coque (du côté opposé à la couverture de tuiles thermiques !) soient dégagés de leur cache. La porte du sas pourra ensuite s’ouvrir et la plateforme-ascenseur en sortir. C’est la partie la plus facile de l’opération puisqu’il faudra après cela que, l’un après l’autre, les équipements soient déplacés à l’intérieur de la soute, encore sur des rails, jusqu’à l’entrée du sas. Il faudra aussi en descendre certains depuis les niveaux supérieurs de la soute jusqu’à celui du sas car il n’y aura pas qu’un seul niveau de stockage mais une seule porte, au niveau le plus bas…Ce sera une complication supplémentaire.

Une fois les équipements au sol et mis en place (charriot avec petite grue mobile?), il faudra les faire fonctionner. Cela suppose donc la connexion à une source d’énergie. Cette source sera principalement (outre quelques panneaux solaires) un petit réacteur à fission ou plutôt plusieurs* qui seront alors activé(s). A noter qu’ils ne pourront pas être trop massifs ni volumineux en raison de la nécessité de les transporter et de les descendre au sol puis de les y manoeuvrer. Le raccordement à cette source d’énergie ne posera sans doute pas trop de problème au rover mais plus à certains équipements sans mobilités comme le laboratoire de Sabatier pour la production de méthane et d’oxygène. Une solution serait de doter chacun des équipements non mobiles de sa propre source d’énergie, qui pourrait aussi, selon l’équipement concerné, être un RTG ou une surface photovoltaïque.

*Kilopower de 10 kW du Glen Researcch Center de la NASA de puissance ou Kaleidos de 1,2 MW de Radiant…ou un réacteur d’une puissance intermédiaire donc moins massif et plus maniable ?

Un autre problème encore plus délicat, sera la connexion des flexibles transportant les liquides et volatils. Il en faudra à la sortie du laboratoire de Sabatier pour envoyer les gaz produits vers un réservoir de stockage (méthane et oxygène) puis vers les réservoirs du vaisseau, mais il en faudra aussi entre l’eau extraite d’un gisement de glace (aussi proche que possible) et le bac ou la glace sera chauffée (attention à la sublimation) puis électrolysée ; et ensuite entre le bac à électrolyse et le réservoir d’hydrogène (attention aux fuites !) et celui d’oxygène.

Peut-être un ou plusieurs robots humanoïdes, comme en fabrique Tesla, seront-il affectés à ces opérations de connexion délicates (à mon avis Elon Musk n’a pas créé ces robots sans avoir pensé à leur utilisation sur Mars).

Ces différents problèmes étant résolus, il faudra aller explorer le gisement de glace à proximité, pour être certain qu’il sera bien exploitable. Cela suppose un engin de forage qui puisse aussi consolider le tunnel foré jusqu’à la glace (quelques mètres ?). Cela suppose encore un engin d’extraction de la glace, peut-être le même que celui qui aura foré. La logique serait d’employer un « tunnelier » (et son transporteur) qui devra être équipé d’un tapis roulant pour transférer la glace extraite et rejetée à l’arrière, dans un véhicule qui ensuite la transportera jusqu’au laboratoire à électrolyse. La taille du tunnelier devra bien sûr être adaptée non seulement à la fonction mais aussi aux capacités de transport du Starship.

Mais ce n’est pas tout car, pour revenir sur Terre, même dans le cas du premier vol robotique de Starship, il est prévu de remplir les réservoirs du vaisseau spatial avec des ergols produits sur Mars (méthane et oxygène comme dit ci-dessus). Donc il faudra que non seulement le dispositif d’approvisionnement de ce laboratoire fonctionne, mais il faudra aussi que le laboratoire fonctionne et que non seulement il soit alimenté en énergie et que son approvisionnement en eau fonctionne ainsi que ses connexions aux réservoirs d’ergols, mais il faudra encore que le filtre par lequel va passer le CO2 atmosphérique porteur du « C » indispensable pour produire le méthane (CH4) soit changé quand il sera nécessaire. Il y a beaucoup de poussière en suspension dans l’air et l’opération de production sera très longue (sans doute permanente sur au moins un an). Il faudra donc de temps en temps changer le filtre…par moyens robotisés. La encore l’humanoïde de Tesla pourrait intervenir.

Lorsque les réservoirs seront remplis et que la fenêtre de retour sur Terre sera ouverte (18 mois après l’arrivée sur Mars et 24 mois après le départ de la Terre), il faudra décoller. Le problème alors sera la verticalité du vaisseau et la résistance du sol sous les moteurs en bas du vaisseau (il n’y aura pas de carneau bétonné!). Heureusement, la poussée nécessaire n’est pas du tout celle qui aura été nécessaire pour faire décoller le starship monté sur son superheavy à Bocca Chica (les 33 moteurs). Ici nous n’aurons plus que 6 moteurs maximum en action pour lever une masse de quelques 500 tonnes soit environ 200 tonnes-poids contre 5000 tonnes au départ de Bocca Chica (il n’y aura rien à transporter dans la soute ni dans l’habitat). Cependant sur un sol non préparé on ne sait pas quelle peuvent être les conséquences pour les moteurs du fait de projections possibles. Peut-être faudra-t-il emporter dans le vaisseau des plaques d’acier qui pourront se clipser pour pouvoir former au droit des réacteurs une surface suffisamment résistante pour renforcer le sol (bien entendu les plaques devront y être solidement fixées… ce qui suppose un foret mobile avec support). Peut-être serait-il nécessaire d’utiliser la couronne de propulsion au niveau du sas pour alléger un peu l’ensemble du vaisseau (tout en le maintenant à la verticale) et commencer la propulsion arrière sans utiliser tous les moteurs (peut-être seulement 3?), chacun ayant 230 tonnes de poussée. Tout ceci se calculera avec précision!

Bon ! vous voyez que la première mission robotique de Starship ne sera pas facile. Ce n’est pas une raison pour désespérer mais pour être réaliste !

Illustration de titre ; décollage (ou atterrissage) du premier starship de Mars. Crédit NASA.

Liens :

https://www.radiantnuclear.com/

https://www.nasa.gov/directorates/stmd/tech-demo-missions-program/kilopower-hmqzw/

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17 Responses

  1. Très intéressante, juste et complète description des défis à relever pour qu’une première mission robotique d’un Starship sur Mars soit couronnée de succès. Seul le calendrier annoncé me paraît un brin (voire, très) optimiste, mais on verra bien.
    Un point que je voulais déjà relever la semaine dernière: « Pour un meilleur équilibre, il en faudrait trois (pieds) plutôt que quatre ». Je n’en suis pas si certain; bien sûr il est plus facile d’équilibrer trois pieds que quatre (mais dans le cas d’un vaisseau spatial, il y aura évidemment un dispositif permettant d’ajuster la longueur des « pattes » pour éviter que ledit vaisseau ne repose de manière inégale sur ses quatre pieds). Maintenant, comme on peut facilement le constater en s’installant sur un tabouret reposant sur quatre pieds (supposés équilibrés) ou sur un tabouret disposant de trois seulement, la stabilité est assurée dans le premier cas quelle que soit la façon dont on s’assied dessus, alors que dans le second si on s’assied entre deux pieds et de manière tant soit peu décentralisée, le tabouret se renverse!

  2. Comme vous le dites bien, « supposés équilibrés ». Mais, pour une surface inconnue, cette supposition serait aventureuse. Cela dit, vous avez aussi raison, l’aire de sustentation est plus grande pour un carré que pour un triangle et donc la marge de non renversement également.
    En conclusion, 3 pieds, mais avec un empattement plus long me paraît plus sûr pour éviter une culbute sur un terrain inégal et mal connu.

    1. Comme l’a suggéré Monsieur Brisson, le Starship se posera en principe sur un terrain (partiellement) aménagé et préalablement vérifié raisonnablement plat. Dans ces conditions, « l’ajustement des pattes » dont je parle ci-dessus devrait être possible et quatre pieds seraient alors nettement préférables à trois pour la stabilité de l’engin une fois posé.
      Mais il reste, c’est indéniable, que le Starship est très allongé, avec un centre de gravité relativement haut et une masse importante reposant sur une très petite surface proportionnellement (que ce soit sur trois, ou sur quatre, pieds). Quand on voit ce qui est arrivé récemment à une sonde (Odysseus) plus « trapue » et reposant sur un polygone de sustentation beaucoup plus large que celui du Starship, on peut légitimement avoir des craintes concernant la stabilité de ce dernier à l’atterrissage sur la Lune ou sur Mars.

  3. En effet, malgré ses six pieds largement disposés, l’atterrisseur lunaire Odysseus, lors son atterrissage sur la Lune ce 22 février 2024, en a cassé un et s’est renversé avec une gîte de 30° ; ce qui a été catastrophique pour les communications et pour l’ensoleillement de ses modules photovoltaïques. Cette large assise était pourtant prévue pour s’accommoder d’un plan incliné jusqu’à 10°, mais la descente s’est faite trop vite et avec un angle de 12°. Comme quoi, la redondance en matière ne pieds ne garantit pas de rester debout !
    Il est mentionné ci-dessus un centre de gravité situé à environ 30 m du sol. Le diamètre de Starship étant de 9 m. Est-ce correct, trigonométriquement parlant, d’estimer que pour rester debout jusqu’à une inclinaison de 10°, le cercle de sustentation minimal devrait avoir au moins 19,4 m de diamètre, un cercle à inscrire soit dans un triangle équilatéral (avec une largeur d’empattement débordant de 14,9 m, le cercle circonscrit ayant le double de diamètre que le cercle inscrit), soit dans un carré (avec une largeur d’empattement débordant de 9,2 m) ? M. Haldi pourra préciser, ou corriger, ces calculs.
    D’après la photo, on est très en dessous de telles valeurs d’empattement, car on espère atterrir sur une surface quasi horizontale et suffisamment plane (et résistante !) pour qu’aucun des 3 ou 4 pieds ne s’enfonce trop afin que la gîte reste de quelques degrés.

    1. « Comme quoi, la redondance en matière de pieds ne garantit pas de rester debout ! » … mais encore moins « sur 3 pattes » (!), en tenant compte des amortisseurs permettant de toute façon un certain ajustement le cas échéant de l’allongement des pattes (voir les modules lunaires du programme Apollo, certains de ces LMs ne se sont pas posés parfaitement « à plat » et pourtant l’équilibrage de l’appui sur les 4 pieds a été dans tous les cas parfaitement assuré) !
      Pour les opérations de déchargement, de remplissage des réservoirs, pour le redécollage, etc., un atterrisseur lunaire ou martien sera par ailleurs beaucoup plus stable sur 4 (év. 6) pieds suffisamment écartés en admettant « l’ajustement des pattes » pour équilibrer l’appui sur les différents pieds réalisés. Et de ce point de vue, 4 pieds me semblent d’ailleurs préférables à 6 (et encore plus à 3).
      En tout cas, on est bien d’accord que l’atterrissage sur la Lune ou, pire encore, sur Mars des Starships correspondants tels qu’ils sont représentés aujourd’hui paraît se présenter a priori de manière TRES hasardeuse.

  4. Ne pourrait-on pas imaginer d’envoyer des hommes qui resteraient en orbite, sans jamais atterrir sur Mars afin de diminuer les risques et d’augmenter la rapidité, l’efficacité, le contrôle des robots en action au sol. Ils pourraient intervenir chaque fois qu’un accident est compensable ou réparable au niveau des pieds ou autre (temps de communication plus court, visibilité meilleure surtout si « martio-stationnaire » et avant-goût un peu moins dangereux des problèmes que poseraient ensuite un véritable atterrissage humain sur Mars).

    1. Non Martin, c’est impossible. Les passagers seraient trop exposés aux radiations galactiques « dures » (HZE) contre lesquelles aucune protection n’est possible aujourd’hui.

  5. Bien sur que la première mission robotique d’un StarShip sur Mars ne sera pas facile et que ce n’est pas une raison pour ne pas l’envisager. Rappelez-vous le discours de John Kennedy à la Rice University en 1962 : « We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard ».

    Pour la même raison que celle qui justifiait le programme Apollo, nous devons organiser l’atterrissage et le redécollage d’un vaisseau spatial sur la planète Mars d’une façon qui ne mettra pas en danger la vie des premiers humains qui tenteront cette expérience. Une ou plusieurs missions robotiques sont donc incontournables.

    Mais nous ne devons pas non plus atteler la charrue avant les bœufs. Avant d’installer et d’utiliser des usines de synthèses d’ergols nécessaires au retour vers la Terre d’un équipage, nous devons d’abord mettre au point un système de propulsion, nucléaire, thermonucléaire ou autre qui permette un voyage rapide entre Mars et la Terre. Ce n’est que ça qui permettra un voyage assez court pour ne pas mettre en danger la vie de l’équipage soumis aux radiations cosmiques. C’est aussi ce raccourcissement du temps de voyage qui permettra un nombre suffisant de missions robotiques avant d’envoyer un équipage vers Mars ou vers d’autres planètes.

    C’est seulement quand nous disposerons d’un tel mode de propulsion que nous pourrons commencer à envisager le restant. Que nous attendions ou non la mise au point d’un mode de propulsion efficace, je crains que plusieurs décennies soient encore nécessaires avant qu’un vaisseau habité se pose sur Mars et en revienne avec un niveau de sécurité qui soit au moins égal à celui d’Apollo 11, même si, à l’époque, la NASA avait accepté de faire courir pas mal de risques à ses astronautes pour respecter le délai promis par JFK dans le discours cité plus haut.

    1. Il n’y a pas que les rayons cosmiques qui imposent de réduire les temps de transit habité vers Mars. Les besoins énergétiques à bord, les effets négatifs de l’apesanteur, ceux psychologiques résultant du confinement ou encore l’évidente nécessité d’élargir les fenêtres de tir l’imposent tout autant.

      Ces contraintes sont parfaitement identifiées depuis des décennies. Elles sont la raison technique de l’abandon des projets martiens à l’époque de Saturn (pourtant plus puissante que le Starship). Et depuis, la prise en compte de la sécurité n’a fait que se renforcer. Or comme à cette époque, on ne va dans l’espace qu’avec l’autorisation des gouvernements. Dans le monde réel, il n’y aura donc en effet pas de programme martien habité avant de disposer de moteurs plus rapides, et donc pas avant longtemps. Il n’y en a d’ailleurs pas. Il y a des annonces, ce qui n’est pas la même chose.

      Dans la phrase de Kennedy, plus important peut-être est le sous-entendu : des choses plus difficiles que nos concurrents. Et cela a conduit à un vrai programme. Aujourd’hui cette pression n’existe plus (en tout cas sous cette forme).

      1. Je partage tout-à-fait l’opinion qu’il est difficilement envisageable de lancer des expéditions martiennes habitées (du moins, autres que « ponctuelles ») sans disposer de la propulsion nucléaire. C’est à mon avis une grosse faiblesse du concept Starship de ne pas le prévoir et d’être par ailleurs très mal adapté à une modification ultérieure qui le permettrait.
        Dire qu’on était à « bout touchant » au début des années 1970 déjà (!) avec l’idée d’ajouter un étage nucléaire NERVA à la Saturn V! Mais voilà, la course à la Lune gagnée, et la certitude que l’URSS n’avait pas la capacité d’avoir des ambitions martiennes, la motivation politique (mais aussi dans l’opinion publique US) n’était plus là.
        Ne reste plus qu’à espérer que la Chine continue à progresser rapidement comme elle l’a fait ces dernières décennies et finisse par inquiéter les « Américains » de la voir possiblement les devancer sur la planète rouge!

  6. Me situer dans une perspective futuristique est mon péché abominable. Il y a encore beaucoup de recherche à faire mais mettez-vous dans la tête d’un homme de la préhistoire. Il voyait voler les oiseaux et fort probablement rêvait de voler aussi. Après de nombreuses années (plus de sept millions d’années) l’homme est parvenu à ce qui devait apparaître comme un impossible au pithécanthrope. Il me semble que nous essayons sans cesse de percer les secrets de la nature, d’en réaliser l’équivalent, de l’imiter mais à notre manière détournée. Nous voyons le soleil réaliser une fusion nucléaire qui dure très longtemps (il est « aidé » par ses température et pression) et vu que les recherches sur ce thème se multiplient je suppose que les économistes ne considèrent pas ces travaux comme une idée sotte. La terre nous protège des radiations HZE. Elle « triche » par l’épaisseur de son atmosphère ou autrement mais dans un futur très lointain nous trouverons bien un moyen d’obtenir un résultat équivalent par une méthode spéciale dont nous n’avons pas encore idée. Rêver est permis et parfois utile comme brainstorming. Réaliser une fusée a propulsion nucléaire semble plus à notre portée mais nous ne pourrons pas quitter le système solaire si nous ne résolvons pas la question des radiations. De même pour la fusion qui dure longtemps. Il faut absolument une source d’énergie sinon les voyageurs mourront vite à pratiquement moins 270 degrés. Je ne pense pas qu’il existe des rochers voyageant entre les galaxies comme Oumuamua qui auraient gardé un noyau à haute température et pourraient nous transporter. Je crains aussi que faire hiberner des hommes sans utiliser d’énergie soit irréalisable. Il va encore nous falloir du temps

  7. De même qu’on est parvenu pour la première fois aux Amériques par la seule force du vent, en y consacrant une durée de voyage conséquente, sans avoir attendu de pouvoir disposer de moteurs thermiques à vapeur, au charbon et au fioul, puis de la propulsion électro-nucléaire, permettant de raccourcir drastiquement la durée de la traversé, de même on atteindra Mars grâce aux seuls moteurs thermiques à base de mélanges classiques d’oxygène, d’hydrogène, ou de méthane liquéfiés, permettant d’acquérir une vitesse minimale de transfert, avant de passer, après-demain, à différentes nouvelles propulsions ioniques électriques à base de fission et de fusion nucléaires. Ainsi, il est certain que les premiers équipages devront bien faire cette équipée pionnière vers Mars en six mois avant qu’on puisse raccourcir le voyage à 3 ou 4 semaines avec des moteurs à poussée constante.

    1. Tout à fait d’accord avec vous, Monsieur de Reyff.
      On commencera les voyages vers Mars de façon très « sportive » et on améliorera les modes de propulsion et de confort petit à petit et aussi en s’appuyant sur l’expérience acquise.

  8. Je suis désolé mais non, on ne le fera pas, car les valeurs du 21ème siècle ne sont pas celles de 1492. Les processus décisionnels non plus. Quand on a découvert l’Amérique, les princes décidaient seuls et n’avaient pas de compte à rendre si la mission était perdue. L’un et l’autre ne sont plus vrais aujourd’hui. Même Musk a besoin d’autorisation pour faire ses tirs, comme tout le monde.

    Les comparaisons sont toujours faciles mais ne valent qu’à iso-conditions.

    1. Je crois que « les valeurs du 21ème siècle » ne tiendront pas dans le cadre d’une concurrence sino-américaine. Les Chinois n’auront aucune hésitation à envoyer un équipage sur Mars s’ils sont techniquement prêts à le faire…et les Américains voudront les précéder tant qu’ils auront la capacité de le faire.
      Autrement dit Elon Musk obtiendra une « dérogation » dans l’intérêt supérieur du pays.

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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