EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Lors de l’EMC25 (dernier congrès des Mars Societies européennes), Robert Zubrin, fondateur de la Mars Society aux Etats-Unis, auteur de ‘The Case for Mars’ en 1995 et ‘formateur’ d’Elon Musk en astronautique au début des années 2000, a émis l’opinion que, pour les premières missions habitées, la descente jusqu’au sol de Mars du Starship pourrait poser problème. La raison en est la quantité d’ergols qu’il faudrait produire et stocker sur Mars pendant les 18 mois du séjour (durée incontournable pour réaliser une mission pour pouvoir repartir sur Terre dans des conditions acceptables). Il suggère de laisser le Starship en orbite martienne et d’utiliser des navettes pour descendre au sol.

Je ‘saisis la balle au bond’ et propose l’architecture de mission décrite ci-dessous. NB : je me suis fait aider, pour les calculs et la représentation visuelle, par l’intelligence artificielle claude.ai

Il faut :

(1) Faire partir en même temps de l’orbite terrestre un starship et un falcon heavy.

(2) Aussitôt après l’injection interplanétaire, relier les deux vaisseaux par trois filins de 200 mètres de long, les points d’attache se situant autour du nez des vaisseaux. A noter que le ‘upper stage’ (deuxième étage) du falcon heavy ne redescend pas sur Terre mais continue à voler vers Mars en portant un module ‘troisième étage’ (dont la masse est bien entendu fonction de ses capacités d’emport).

(3) Mettre les deux vaisseaux en rotation. Compte tenu de la masse respective des vaisseaux (dans un rapport d’environ 1,8/1), le centre de gravité du système (après rééquilibrage comme indiqué ci-dessous) se situera entre les filins (triangle équilatéral de 150 cm de côté), à environ 89 mètres du starship et 111 mètres du falcon heavy. Il en résultera, moyennant une rotation de 2,2 tours par minute (‘tpm’) du système, une gravité dans l’habitat de 0,29 à 0,41 g à l’intérieur du starship-vaisseau (après les locaux dédiés aux filins et à la soute) et de 0,62g dans le falcon heavy (près du nez, avant la soute). Pendant le voyage (6 mois environ) les passagers (sans doute 6 pour la première mission) vivront dans le starship, car son espace viabilisable est plus spacieux (au moins 1000 m³ dont 850 m³ hors locaux filins et soute) que celui du falcon heavy (au plus 140 m³). Le starship pourra disposer d’un support-vie plus important et sera donc plus confortable. Bien entendu les passagers seront accompagnés des équipements nécessaires pour leur survie sur Mars (30 à 40 tonnes). Mais ces équipements auront été transférés du starship au falcon heavy, en utilisant les filins, tout de suite après l’injection interplanétaire et la mise en rotation des vaisseaux, pour réduire la différence de masses (et alléger les différences de tension aux extrémités des filins). Les équipements mentionnés comprendront 2 rovers pouvant transporter 6 passagers avec leurs bagages et équipements, en particulier un générateur d’énergie, un ‘kit’ de support-vie, un système de télécommunication. Ces équipements seront conçus pour permettre à l’équipage de survivre après l’atterrissage et rejoindre la base préparée par les robots au cas où l’atterrissage n’aurait pu se faire à proximité de la base.

(4) A l’approche de Mars, les passagers revêtiront leur scaphandre et seront transférés (avec le reste de leurs bagages personnels) du starship au falcon heavy, en utilisant les mêmes filins de liaison.

(5) Ensuite, les filins seront déconnectés du falcon heavy et réenroulés dans le local prévu à cet effet dans le nez du starship.

(6) Les deux vaisseaux corrigeront leur attitude puisqu’ils devront prendre une trajectoire séparée.

(7) Le starship continuera sur une orbite autour de Mars, à une altitude où il pourra rester pendant 18 mois sans correction d’altitude tandis que le falcon heavy descendra vers Mars.

Remarques :

Avant le transport d’êtres humains, il y aura eu un transport d’équipements divers (‘vols cargo’) pour construire une base sur Mars et aussi pour produire et stocker les ergols nécessaires au retour des humains sur Terre. Ce transport aura été assuré par les deux missions robotiques préparatoires (espérons en 2029 et 2031), au moyen de starships qui resteront sur le sol de Mars. Il y aura aussi un lancement cargo pendant la fenêtre qu’utilisera le vol habité.  Pour profiter du rapport énergie/masse le plus favorable à la masse, la vitesse de ces vols cargos sera plus faible que la vitesse du vol habité (trajectoire de Hohmann pure). Les hommes à leur arrivée pourront donc disposer immédiatement des équipements partis avec les deux missions robotiques préparatoires mais ils devront attendre deux ou trois mois pour disposer de ceux qui auront quitté la Terre en même temps qu’eux. Une fois complétement déchargés (ils l’auront été en grande partie pour les équipements robotiques nécessaires à la préparation du site d’atterrissage et de la base habités par les robots y compris plusieurs humanoïdes optimus), les vaisseaux pourront servir d’abris ou d’ateliers, en attendant mieux (habitat totalement viabilisé). Ils pourraient aussi servir d’alternative à l’habitat qui aura été préparé par les robots s’il ne remplit pas tous les critères nécessaires à la vie.

Les avantages que présente cette architecture sont plusieurs :

(1) Pendant le vol, le lieu de vie de l’équipage bénéficiera dans le starship d’une gravité minimum et cette gravité sera autour de celle de Mars (de 0,29g à 0,41g selon l’étage de l’habitat) ce qui permettra à l’équipage de se préparer aux 0,38g de la surface martienne, avant d’y arriver et surtout de ne pas rester 6 mois en microgravité. De toute façon on est contraint par la longueur des filins (200 mètres est un maximum pour éviter les problèmes au cours des déroulage/enroulage) et surtout par le fait qu’on doive gérer au mieux le différentiel de gravité à l’intérieur des deux vaisseaux en raison de la différence de masses entre eux (d’une part 280 tonnes pour le starship dont 120 tonnes à vide, plus 60 tonnes de charge utile et un peu d’ergols, 100 tonnes, et d’autre part 152 tonnes pour le falcon heavy dont 12 tonnes à vide, 100 tonnes d’ergols et 40 tonnes de charge utile). Si la gravité moyenne à l’intérieur de l’habitat du starship peut-être de 0,38g, elle ne doit pas être trop supérieure dans le falcon heavy. La raison est la différence de tension entre les extrémités des filins, comme déjà dit, et aussi le besoin de déplacements de l’équipage ou des robots dans l’environnement du falcon heavy. De toute façon, ces déplacements auront au moins lieu deux fois: une fois au départ de l’orbite terrestre (transfert d’équipements du starship au falcon heavy) puis une seconde fois, à l’approche de Mars (transfert des passagers avec bagages du starship au falcon heavy). Par ailleurs, à 103,50 mètres (89+2+5+2,50+2,50+2,50) de l’axe de gravité (plancher le plus loin du nez dans l’habitat du starship) et à une vitesse de rotation de 2,20 tpm, le différentiel de gravité dans le starship entre la tête et les pieds d’un passager de 1,80 m, ne sera que de 2,9% soit nettement inférieur aux 10% considérés médicalement comme un maximum supportable.

2)  l’atterrissage d’un falcon heavy sur Mars sur un sol non préparé, sera moins difficile que l’atterrissage d’un starship puisque la masse du premier est moins pesante, que la fusée est plus petite et son centre de gravité est plus bas. Le risque inhérent à l’atterrissage d’un starship peut être acceptable pour des équipements qui de toute façon seront dupliqués mais moins pour des êtres humains. Surtout, les besoins en ergols pour repartir jusqu’à l’orbite et rejoindre le starship seront moins importants si on utilise un falcon heavy plutôt qu’un starship. Et les quantités nécessaires pourront donc plus facilement être produites et stockés sur Mars, en attendant le retour.

3) Le starship sera toujours là-haut dans le ciel. Et si pour une raison imprévue, la vie sur le sol de Mars devenait impossible, l’équipage pourrait toujours remonter dans le starship pour attendre la fenêtre de retour et repartir vers la Terre (normalement les ergols nécessaires aux falcon heavy auraient été produits auparavant, à partir de l’arrivée de la mission robotique précédente).

Les difficultés sont de plusieurs ordres :

(1) rejoindre le starship en orbite. Mais les hommes ont plusieurs fois réussi à faire cette jonction en orbite terrestre, même avec des satellites sans pilote.

(2) Faire repartir le starship vers la Terre sans avoir fait le plein en ergols. Mais l’effort principal (donc la consommation d’ergols) n’est à fournir que pour atteindre l’orbite et ensuite pour freiner en arrivant près du sol. Dans le cas présent le starship aura été réapprovisionné en ergols en orbite terrestre et il ne descendra pas sur Mars. La consommation ne résultera donc que de l’injection interplanétaire pour rejoindre l’orbite de Mars et plus tard, l’injection interplanétaire pour rejoindre l’orbite terrestre à partir de celle de Mars. Il faudra choisir la meilleure orbite de parking, pour limiter l’effort nécessaire. Ce pourrait être une orbite géostationnaire (ce qui permettrait accessoirement de garder le starship ‘à l’œil’). Eventuellement, le falcon heavy pourrait apporter au starship un complément d’ergols produit sur Mars. Il faut remarquer que pour le vol sol/orbite (falcon heavy) puis orbite martienne/orbite terrestre (starship et falcon heavy), la masse à emporter de Mars sera minimum puisqu’on ne fera revenir sur Terre que l’équipage et quelques échantillons de sol martien pour une étude (géologique et exobiologique) plus poussée que sur place.

(3) Disposer d’un starship qui sera pleinement opérationnel en dépit d’une inutilisation et de l’absence d’équipage pendant 18 mois. Mais on peut remarquer que les satellites même les plus sophistiqués envoyés en orbite de Mars ont survécu à des périodes plus longues. L’avantage de le positionner en orbite géostationnaire au dessus de la base habitée serait de pouvoir être en télécommunications constantes avec les appareils à bord. Cela pourrait permettre une vérification et des possibilités d’intervention constantes, y compris de l’intérieur, avec des robots humanoïdes (ce qui permettrait les visualisations et les manipulations). Ces robots, comme d’autres, pourraient être alimentés en énergie par des panneaux solaires déployés par la porte du sas par les hommes au moment où ils quitteraient le starship.   

Pendant le vol de retour, le falcon heavy sera remis en liaison avec le starship par son système de filins et la gravité sera restituée à l’intérieur du starship, comme à l’aller (NB : la remise en route de ce système serait facilitée par une altitude élevée du starship (moindres perturbations par la gravité martienne), l’altitude géostationnaire serait de ce fait un avantage. (NB: le centre de gravité du système sera différent puisque les charges seront différentes). Les deux vaisseaux reviendront non pas jusqu’à la surface de la Terre mais jusqu’à l’orbite terrestre où ils rejoindront l’ISS (ou successeur). Dans cette station orbitale, on procédera à un examen médical approfondi de l’équipage (protection planétaire) avant de lui permettre de revenir sur Terre. Après examen médical, le starship et le falcon heavy, s’ils sont prouvés non contaminants, pourront revenir sur Terre (dans le doute, ils seront détruits).

A partir de ces principes on peut examiner les ‘détails’.

La formule pour le calcul du centre de gravité entre les deux masses en rotation est la suivante : Si on a deux masses m₁ (Starship) et m₂ (Falcon Heavy upper stage et 3^ème étage), reliées par un filin de longueur L, le centre de gravité se trouve à une distance d₁ du Starship telle que : d₁ = L × m₂/(m₁ + m₂). La masse du Starship vaisseau est dans mon hypothèse dans un ratio de 1,8/1 par rapport à celle du falcon heavy mais bien sûr on peut en discuter. Le déséquilibre entre les deux masses sera sans doute beaucoup plus marqué lors du vol de retour. On pourra ralentir la rotation pour ne pas avoir un gradient trop fort entre tête et pieds. Il en résultera une gravité plus faible. On peut descendre jusqu’à une gravité lunaire (0,16g), beaucoup moins confortable (et passer plus de temps sur le sol du niveau le plus éloigné du centre de gravité du système). Mais cette gravité sera ‘mieux que rien’ et ce n’est pas grave car il y aura en orbite terrestre et plus généralement sur Terre, tous les services d’accueil nécessaires pour réacclimater les astronautes à la la gravité terrestre.

La gravité artificielle à l’intérieur des vaisseaux dépend de la distance au centre de rotation selon la formule : g = ω² × r où ω est la vitesse angulaire (en radians/seconde) et r la distance au centre de rotation.

Le couplage des vaisseaux et le déséquilibre des masses n’affectent pas la trajectoire de l’ensemble vers Mars. En effet, du fait de la conservation du moment cinétique, le système en rotation conserve son centre de masse commun, qui continue à suivre la trajectoire balistique prévue. Par ailleurs aucune force externe ne peut agir sur le système en dehors de la gravité solaire qui affecte l’ensemble uniformément.

Malgré tout, plus les masses sont asymétriques, plus le filin subit des tensions différentes de chaque côté. Il faut donc que les filins soient très résistants. Les filins pourraient avoir les caractéristiques suivantes (recommandation claude.ai) : matériau : Spectra 2000 (UHMWPE – Ultra High Molecular Weight Polyethylene), diamètre : 20 mm, résistance à la rupture : 180 kN, masse linéique : 0,15 kg/m, masse totale (pour 200 m) : 30 kg. Ils seront tenus par un cadre en titane de 2,5 m de diamètre, 0,5 m d’épaisseur, intégré à la structure primaire du nez du vaisseau. L’ensemble aurait une masse de 520 kg (y compris tambours et moteurs) et tiendrait dans un volume de 2,5 m³ (dans le nez du starship). Du côté du falcon heavy, il n’y aurait qu’un système pour le guidage et l’accrochage.

Bien entendu le Falcon Heavy devrait être modifié pour effectuer la mission (sans changer les maximums de masse et de poussée). Il faut transformer le module-coiffe au sommet de la fusée (qui est le même que celui du Falcon 9) en un véritable module habitable avec soute (correspondant au maximum de masse que peut emporter le Falcon Heavy). Il faut ensuite modifier le upper stage (qui actuellement n’est pas prévu pour revenir au sol) en véhicule qui peut se poser sur le sol de Mars donc le doter de pieds rétractables. Enfin le upper stage ne dispose aujourd’hui que d’un seul moteur. Il serait prudent d’ajouter un moteur de secours qui serait allumé en cas de défaillance du premier (sécurité). Il faudrait également revêtir le ventre de l’upper stage et du troisième étage, d’une protection thermique comme celle du starship puisque on en aura besoin pour traverser l’atmosphère martienne et au retour retraverser l’atmosphère terrestre.

Conclusion

Cette proposition n’exclut pas que l’on puisse réussir un premier vol habité en n’utilisant que des starships. Elle fournit cependant une alternative intéressante sur le plan de la santé (gravité minimum) et de la sécurité des passagers.

Illustration de titre : le système proposé, visualisé par claude.ai. Les valeurs initiales de masse et de vitesse de rotation ont été changées mais le principe demeure le même et c’est ce qui est important. Disons que ce schéma représente un « worst case ».

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