EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Première mission habitée vers Mars : La gravité impose une escale au point de Lagrange L1 avant le retour sur Terre

Lors de ma présentation de l’étude réalisée avec l’aide de claude.ai sur une mission habitée vers Mars et son retour sur Terre, je n’ai pas traité « à fond » toutes les contraintes d’une telle mission et leurs conséquences. Aujourd’hui, je le fais pour une contrainte essentielle : la gravité. En effet, elle est cruciale pour comprendre la nécessité d’une escale dans une station orbitale autour du point de Lagrange L1 du système Terre-Lune (« L1 »).

Nous avons déjà vu que ce séjour en L1 est indispensable pour contrôler la santé des astronautes, amorcer leur réacclimatation à la gravité terrestre et les traiter en cas de contamination par d’éventuelles formes de vie martiennes (protection planétaire). Il permet également de vérifier l’état du vaisseau spatial et d’effectuer les réparations nécessaires avant l’épreuve ultime : la rentrée atmosphérique et l’atterrissage (EDL) sur Terre. Aujourd’hui, je souhaite donc insister sur l’importance de cette escale telle qu’elle résulte des contraintes gravitationnelles. Ces contraintes sont liées à la vie en apesanteur durant les mois précédents, ainsi qu’à l’environnement dans lequel les astronautes évolueront lors de leur approche de la Terre.

Problème

Pour s’arrêter au point de Lagrange L1, le vaisseau spatial aura dû réduire sa vitesse excessive acquise lors de son départ de Mars. Plus précisément, il aura ralenti de 900 m/s sa « vitesse à l’infini » (v∞), qui était de 3,2 km/s à cette distance. Certains pourraient penser que passer de 3,2 km/s à 2,3 km/s ne change pas grand-chose. C’est une erreur, car le vaisseau et les astronautes se trouveront dans une situation gravitationnelle extrêmement tendue à plusieurs égards.

En quittant le point de Lagrange L1, abstraction faite de la vitesse acquise lors du retour de Mars (puisque le vaisseau aura effectué une escale), les astronautes « martiens » se trouveront dans une situation comparable à celle des astronautes d’Artemis II revenant sur Terre après avoir orbité autour de la Lune. Tout comme les astronautes d’Artemis II et leur capsule, les astronautes martiens et leur vaisseau spatial seront de plus en plus soumis à l’attraction gravitationnelle terrestre, atteignant très rapidement une vitesse de 11,2 km/s au sommet de l’atmosphère terrestre (vitesse maximale entre 100 et 90 km d’altitude). Pour un Starship ou une capsule Dragon ou Orion (coefficient balistique d’environ 350 kg/m²), la décélération maximale sera d’environ 4 à 5 g pendant 4 à 6 minutes. Les astronautes martiens, qui auront vécu 18 mois sous une gravité de 0,38 g sur Mars et 7,5 mois en apesanteur (plus 6 mois de voyage aller également en apesanteur), supporteront cette force avec beaucoup de difficultés (risque important d’hypotension orthostatique due au stress, ou de fractures). A leur retour de Mars, leur tolérance à la distance du point de Lagrange L1 sera faible, de l’ordre de 2 ou 3 g.

C’est pourquoi un retour en moins de 7,5 mois (contre 8,5 mois si l’on suit une trajectoire idéale de Hohmann) est impossible. C’est pourquoi un vaisseau spatial revenant de Mars après un voyage de 7,5 mois doit impérativement réduire sa vitesse aux alentours du point de Lagrange L1. C’est également pourquoi, après un tel voyage, il serait préférable qu’il divise sa manœuvre de freinage en deux, afin d’étaler la force gravitationnelle subie. Il convient toutefois de noter que cela implique une consommation de propergol légèrement supérieure et que, techniquement, une seule manœuvre est toujours plus sûre que deux.

Hypothèse L1

Si les astronautes séjournent, comme je le recommande, dans une station orbitale tournant autour de L1 pendant un mois sous une gravité de 0,5 g, ils acquerront une meilleure tolérance à la gravité, estimée entre 3,5 et 4,5 g (ce qui rend possible un pic très bref à 5 g). Ceci pourrait s’avérer crucial avant l’épreuve finale que représente la rentrée atmosphérique.

L’escale en L1 permettra également aux astronautes de changer de véhicule, c’est-à-dire de passer de leur Starship à une capsule (probablement de type Orion ou Dragon).

Il ne s’agit pas de dire qu’un retour de Starship sur Terre est impossible ou non souhaitable. Il sera crucial de ramener le vaisseau sur Terre afin de pouvoir l’examiner en détail, d’évaluer son fonctionnement durant la mission et de le récupérer en vue d’une réutilisation (sans oublier le contexte économique). De plus, ce vaisseau aura permis un aller-retour dans des conditions de volume (et donc de confort) incomparables à celles d’une capsule durant les nombreux mois du voyage. Les astronautes auront également bénéficié d’une protection efficace contre les radiations (abri anti-tempête solaire et protection en polyéthylène haute densité et en eau), impossible à atteindre au même niveau dans une capsule. Enfin, le vaisseau rapportera sans aucun doute des échantillons soigneusement sélectionnés du sol et du sous-sol martiens (qui, autrement, encombreraient la capsule, dont le volume est très limité, soit 9 m³ pour la capsule Orion). Remarque : la première mission vers Mars comptant probablement une douzaine d’astronautes, trois capsules seront nécessaires (ce qui, soit dit en passant, permettra de répartir les risques).

Cette force g très élevée, inévitable lors du retour sur Terre, sera toujours difficile à supporter et dangereuse pour les astronautes, même depuis L1. Par conséquent, ce dernier segment du voyage doit absolument suivre le profil le plus doux possible, étant donné la longue distance parcourue en apesanteur. Une capsule séparée, comme celle d’Orion/Dragon (avec un coefficient balistique plus favorable au corps humain et un profil contrôlé), plutôt qu’un vaisseau spatial Starship lourd et encombrant, permettrait une plus grande manœuvrabilité, ainsi qu’un environnement intérieur spécialement adapté (notamment sièges d’une densité bien calculée et inclinables).

Bien sûr, le risque serait considérablement réduit si une gravité artificielle d’une force raisonnable (par exemple, les 0,38 g martiens) était générée par la rotation de deux masses viabilisées après le lancement depuis Mars, rotation maintenue tout au long du voyage. Cette « gravité artificielle » dans deux vaisseaux spatiaux reliés par des câbles, a été théorisée dès 1990 par Robert Zubrin. Cependant, à la NASA, chez SpaceX et ailleurs, personne ne semble s’y intéresser. Par conséquent, malheureusement, nous devons envisager cette première mission sans elle !

Pourquoi pas la Lune ?

Puisqu’il s’agit d’une distance quasi lunaire pour cette étape, certains pourraient suggérer qu’il serait préférable de faire escale sur la Lune plutôt qu’au point de Lagrange L1.

Ils oublient deux différences fondamentales entre ce corps céleste et la station spatiale en orbite autour du point de Lagrange L1 : (1) La Lune génère une gravité de 0,16 g, une préparation très faible pour le retour sur Terre où la gravité est de 1 g, sans parler de la rentrée atmosphérique à 4-5 g. (2) Malgré sa faible gravité, la Lune, comme la Terre, est un « puits de gravité » qu’il faut descendre et dont il faut sortir. Cela implique une consommation supplémentaire de propergol (qu’il faut économiser au maximum, car il aurait fallu le produire sur Mars ou l’acheminer depuis la Terre). Cela implique également des contraintes mécaniques supplémentaires au décollage et à l’atterrissage. De plus, cela implique un risque accru lors de l’atterrissage (poser un cylindre d’environ cinquante mètres de hauteur, avec un barycentre à environ vingt mètres du sol, sur une surface potentiellement mal préparée).Il est important de rappeler que ce voyage de retour sera celui de la première mission vers Mars (2033-2035 ?), et que nous n’aurons effectué que quelques vols vers la Lune.

L’inspection du vaisseau spatial est donc d’autant plus cruciale pour maximiser ses chances de réussite lors de son atterrissage final sur Terre. Sur la Lune (comme sur Mars), il sera très difficile de progresser jusqu’à 50 mètres au-dessus du sol, à la surface ultra lisse du vaisseau, et une gravité de 0,16 g ne permettrait pas d’éviter les chutes. Ces difficultés et ces risques, avec leurs conséquences potentielles, seraient d’autant plus importants s’il s’avérait nécessaire de réparer le nez du vaisseau, qui culmine à environ 50 mètres au-dessus de la surface lunaire.

xxxx

Plus que jamais, envisager une station spatiale située au point de Lagrange L1 du système Terre-Lune, orbitant à quelque 340 000 km de la Terre et bénéficiant d’une gravité de 0,5 g dans son tore mais de zéro g seulement sur son axe de rotation central où le Starship se serait amarré, apparaît donc comme une excellente solution pour une escale depuis Mars avant de continuer jusqu’à la Terre.

Copyright Pierre Brisson

Illustration de titre: retour d’une capsule habitée dans la haute atmosphère terrestre (protégée par un bouclier thermique gonflable). Crédit Philippe Bouchet (« Manchu »).

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 26 02 06Télécharger

xxxx

Et, si vous appréciez ce blog, abonnez-vous !

xxxx

La première édition sur papier de mon livre « Franchir sur Mars les Portes de l’Espace » est épuisée. Il m’en reste quelques exemplaires. Si vous en voulez un, je peux vous l’envoyer pour 22 Euros ou 20 CH, plus frais de port. Ecrivez-moi à l’adresse mars.society.switz@gmail.com