Repartir de la surface de Mars
Dans « Descendre sur Mars » et « Séjourner sur Mars », nous avons décrit la descente puis la vie au sol : le site, l’habitat, l’énergie, les hommes et leurs robots. Mais dans notre architecture, la surface n’est pas un terminus. Les séjours y sont courts à cause de la gravité trop faible générée par la planète et chaque vaisseau qui descend doit remonter. Il reste donc à montrer que repartir de la surface de Mars est étonnamment facile pour qui compare avec le départ de la Terre.
Précisons tout de suite qu’il s’agit de retourner dans les habitats que constituent les Eagles (chapelet de stations rotatives en orbite aréostationnaire), c’est-à-dire d’effectuer les voyages devenus « de routine », une fois la couronne des Eagles en place (les tout premiers départs feront l’objet d’un article séparé). Le départ jusqu’à la Terre depuis la surface de Mars et non depuis Deimos, ne se fera qu’à la fin des tout premiers séjours dans le monde martien, avant que la station Deimos-II soit construite et ancrée dans le sol de Deimos.
Cette étape franchie, on ne repartira de la surface de Mars que pour Phobos où l’on changera de transporteur en passant d’un Starship (équivalent « premier étage ») à un Lyoba* (équivalent « second étage »). Le fret lourd destiné à tous les Eagles, y compris les ergols pour les voyages vers la Terre, ira vers Deimos. Les hommes iront directement vers leur Eagle avec les charges dont cette seule station aura besoin, sauf s’ils doivent participer à une réunion sur Deimos.
*le Lyoba est un convoyeur de haute altitude conçu par la startup suisse Pave Space.
Arrivés à « la maison » (l’Eagle du passager), il y aura une réunion pour debriefing, les retrouvailles avec la famille, et le soir des histoires à raconter aux enfants, sur Mars, ses paysages, sa beauté, ses dangers.
Illustration : remontée à Phobos, puis poursuite du voyage vers un Eagle ou vers Deimos
Monter à Phobos : la propulsion ne limite pas la charge utile
Le budget de vitesse depuis notre site équatorial jusqu’au rendez-vous avec Phobos se décompose ainsi : environ 4,1 km/s pour la montée en orbite basse (pertes de gravité et de traînée comprises, bien moindres que sur Terre — la rotation de la planète offrant même un bonus d’environ 240 m/s en décollant vers l’est — dans le ciel de Mars, Phobos se lève à l’Ouest et se couche à l’Est), 0,70 km/s pour l’injection sur l’ellipse de transfert vers l’altitude de Phobos (5 980 km), 0,55 km/s pour la circularisation et le rendez-vous, plus une marge — soit un total d’environ 5,3 à 5,5 km/s, à comparer aux 9,3 km/s d’une simple mise en orbite basse terrestre. C’est toute la différence entre les deux mondes : ce que la Terre interdit, Mars le permet.
Avec un vaisseau de type starship (masse sèche ~120 t, capacité de 1 200 t d’ergols, impulsion spécifique de 375 s pour les six moteurs vacuum), l’équation de Tsiolkovsky donne les résultats suivants (selon la charge utile embarquée) :
| Charge utile montée à Phobos | Ergols nécessaires (Δv = 5,35 km/s) |
| 0 t (vaisseau à vide) | ≈ 395 t |
| 100 t | ≈ 720 t |
| 150 t | ≈ 885 t |
| ≈ 245 t (maximum théorique) | 1 200 t (pleins complets) |
Le verdict est sans appel : la propulsion ne limite pas la masse utile. Le maximum théorique (~245 t) dépasse même ce que la structure du vaisseau peut vraisemblablement porter (100 à 150 t, la limite venant du bâti de charge utile, non des moteurs), et le rapport poussée/poids au décollage est si confortable (supérieur à 3) qu’il faudra réduire la poussée. Le lanceur est donc bel et bien inutile — et c’est un avantage décisif du couple Mars–Phobos sur le couple Terre–orbite basse.
La contrainte se déplace en réalité de la propulsion vers la logistique : chaque rotation vers Phobos avec 100 à 150 t de charge consomme 700 à 900 t de méthalox produit sur place. Pour ~800 t d’ergols, la réaction nette — le bilan net de la chaîne Sabatier–électrolyse (CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂) exige d’extraire environ 400 t de glace d’eau — ce qui renforce le premier critère de choix du site de la base au sol (présence d’un gisement de glace d’eau) — et dégage au passage un surplus d’oxygène récupérable pour le support-vie. Le coût énergétique de ces tonnages et la durée de leur production sont chiffrés dans les articles « Les ergols, besoins ; Les ergols production au sol et stockage » ; retenons ici l’essentiel : la cadence des vols surface–Phobos est directement proportionnelle à la puissance nucléaire installée (utilisée pour produire les ergols) — c’est le lien structurant entre les réacteurs et la base.
Par ailleurs, la remontée ne se fera jamais à vide : on ne fera jamais un voyage « pour rien », et les résidents des Eagles auront constamment besoin des produits obtenus au sol de Mars — l’eau, les ergols, les produits divers de l’industrie implantée. Il faut donc compter que la capacité d’emport d’un Starship, soit 150 tonnes, sera pratiquement toujours utilisée à plein. C’est du reste la discipline posée dans l’article sur les ergols — aucun Starship ne remonte à vide — qui, en confiant les remontées d’ergols aux rotations de mission, fait tomber le coût de la tonne remontée de ~9 à ~4,3 tonnes-surface.
* Pourquoi ce passage de ~9 à ~4,3 ? Les deux chiffres ne mesurent pas la même chose. Livrée par un vol-citerne dédié, une tonne d’ergols doit porter tous les coûts du vol : la montée du vaisseau à vide (~450 t d’ergols, réparties sur les 150 t de charge), les ~3,3 t d’ergols que coûte la montée de chaque tonne de charge, et les ergols de la redescente — soit ~9 tonnes-surface au total. Quand la même tonne monte dans la soute libre d’une rotation de mission qui devait voler de toute façon, ces coûts fixes sont imputés à la mission ; la tonne d’ergols ne porte plus que son propre poids et son coût marginal de montée, soit 1 + 3,3 ≈ 4,3 tonnes-surface. La physique ne change pas : c’est la suppression des vols dédiés qui fait toute la différence.
Deux précisions complètent le tableau. D’abord, la descente depuis Phobos (désorbitation, freinage atmosphérique, allumage d’atterrissage) coûte environ 1,1 à 1,3 km/s propulsifs, soit une centaine de tonnes d’ergols à charger au dépôt de Stickney avant de descendre — ergols eux-mêmes montés de Mars lors des rotations précédentes : la boucle est bouclée. Livrer une tonne nette au dépôt en coûte environ neuf produites en surface — le compte détaillé est dans l’article sur les ergols — un ratio qui reste bien meilleur que tout acheminement depuis la Terre. Ensuite, l’orbitographie est accommodante : depuis un site équatorial, une fenêtre de lancement vers Phobos s’ouvre environ toutes les 11 heures (période synodique de Phobos vue du sol), et l’inclinaison quasi nulle de Phobos (~1°) sur l’équateur martien dispense de tout changement de plan — validation supplémentaire du choix du site.
Réapprovisionner la flotte interplanétaire
Il reste un poste de dépense à évoquer, le plus lourd de tout le système : tous les 26 mois, à chaque fenêtre synodique, une flotte de Starships arrive de la Terre — les cargos sur Phobos (où ils déchargeront dans un endroit protégé de la poussière), les vaisseaux habités sur Deimos. Ces derniers devront tous repartir, vers la Terre ou au moins vers la station L1-TL (Point de Lagrange L1 du système Terre Lune). Le retour des vaisseaux cargos sera moins utile puisque Mars sera plus importatrice qu’exportatrice de matières massives. Mais plutôt que de faire repartir des vaisseaux à vide, on trouvera une utilité : soit rénover la flotte des navettes surface-Phobos, soit transporter quand mêmes des productions martiennes coûteuses sur Terre et/ou disponibles seulement chez certains pays (comme les terres rares) ou des produits industriels générant des masses importantes de CO2 (on ne pollue pas Mars avec du CO2 !)
Coût du retour vers la Terre :
Les arrivées ne pèsent presque rien : une aérocapture martienne suivie d’une circularisation à l’altitude de Phobos ne demande que ~0,55 km/s, soit 40 à 50 t d’ergols pris sur les marges du voyage.
Les départs sont le vrai sujet, et la bonne nouvelle est que partir des lunes martiennes est remarquablement bon marché : depuis l’orbite de Phobos, l’injection vers la Terre ne coûte qu’environ 1,9 km/s (2 à 2,5 km/s avec marges et transits rapides) — contre ~3,8 km/s et 1 200 t d’ergols pour partir de l’orbite basse terrestre. C’est l’argument du « reset de Tsiolkovsky* » qui joue à plein. Par vaisseau au départ : ~110 t de méthalox pour un cargo repartant à vide, ~130 t pour un vaisseau habité avec 20 à 30 t de charge, ~180 t pour un cargo remontant 100 t vers la Terre. Coïncidence orbitale élégante : le départ coûte quasiment la même chose depuis Deimos, qui perd en effet Oberth ce qu’elle gagne en potentiel — aucune pénalité pour les vaisseaux habités.
Illustration de titre: Retour de la surface de Mars vers l’orbite aréostationnaire ou vers Deimos. Graphe réalisé par claude.ai sur demande de Pierre Brisson. Crédit Pierre Brisson
Copyright Pierre Brisson
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3 réponses
bonjour :
tres interessant tout cela est facilite par la « faiblesse » des trous gravitationnels ; pour ce qui est de l atterrissage sur MARS il faut voir comment va fonctionner le freinage aerodynamique et quelle reserve d ergols restera dans les reservoirs apres celui ci c est un point critique .
Je suis certainement un incorrigible optimiste mais on ne sait pas à quelle vitesse se feront les progrès et les inventions sur le mode de propulsion, matériaux divers, méthodes de protection du genre protéines susceptibles de contrer les effets de la gravité faible ou des radiations sur notre corps. Cela dépend des circonstances, de la chance, des compétitions (USA, Chine, Europe, Japon, Inde …?) ou même des menaces sur notre existence.
La recherche sur le moteur à plasma avancent:
https://www.msn.com/fr-fr/science/astronomie/des-ing%C3%A9nieurs-viennent-de-construire-une-fus%C3%A9e-qui-pourrait-atteindre-mars-en-30-jours/vi-AA28S4FN
S’il est utilisable rapidement les réflexions sur la fusée chimique voire sur la trajectoire perdront de leur intérêt. Et on n’est pas à l’abri de progrès sur la propulsion nucléaire ou l’anti-matière. Comme écrivait un certain Victor « L’avenir est à D… ». Oui, il faut encore attendre pour s’installer sur Mars. Cela n’enlève rien à mon admiration pour Elon Musk. Même s’il est parfois un peu pressé, il a le mérite de nous donner l’envie d’agir
Vous avez raison Martin. Il ne faut pas fermer la porte à l’espérance et au rêve. On ne peut pas dire que le progrès va s’arrêter, ce serait stupide. On le voit bien dans le domaine de l’AI.
Ceci dit, je préfère ne parler que de ce qui est possible aujourd’hui en fonction des technologies qui sont maitrisées. Je me mettrai à jour le moment venu!