Dans la décennie à venir, la NASA et la Chine prévoient d’envoyer les premières missions avec équipage (astronautes et taïkonautes) sur Mars. Les deux agences espèrent commencer à envoyer des missions d’ici 2033, coïncidant avec une opposition à Mars, suivie de missions supplémentaires en 2035, 2037 et après. Ces missions culmineront avec la création d’un habitat de surface de Mars qui permettra de futures missions et recherches. Les opportunités de lancement pour ces missions sont limitées car les distances entre la Terre et Mars varient considérablement dans le temps, allant d’environ 56 millions de km (~ 35 millions de mi) à plus de 400 millions de km (250 millions de mi).
Les moments où la Terre et Mars sont les plus proches (connus sous le nom d’opposition de Mars) ne se produisent qu’une fois tous les 26 mois. De plus, en utilisant les méthodes de propulsion conventionnelles, il faut six à neuf mois aux missions pour voyager entre la Terre et Mars. En conséquence, les missions aller-retour vers Mars pourraient prendre jusqu’à trois ans, augmentant considérablement l’exposition aux rayonnements de l’équipage et le temps qu’ils passent en microgravité. Selon une étude récente du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, 2033 sera une occasion unique d’envoyer une mission orbitale avec équipage vers Mars qui ne durera que 1,6 an.
L’étude, parue dans le Journal des vaisseaux spatiaux et des fusées, était dirigé par Humphrey « Hoppy » Price, l’ingénieur en chef du programme d’exploration de Mars de la NASA et l’architecte du plan du JPL pour une mission avec équipage à architecture minimale vers Mars. Il a été rejoint par Robert Shishko, ingénieur système principal et économiste à la section Mission et architecture système du JPL, Joseph Mrozinski, ingénieur système principal du JPL, et Ryan Woolley, ingénieur système du JPL.
Mars n’est pas facile !
Selon les auteurs, le programme “Journey to Mars” de la NASA et une échéance de 2033 ne sont pas réalisables en utilisant l’architecture référencée dans le NASA Transition Authorization Act de 2017 et le NASA Authorization Act de 2020. C’est la conclusion à laquelle est parvenue la politique scientifique et technologique. Institute (STPI) dans une analyse indépendante intitulée “Evaluation of a Human Mission to Mars by 2033”. Plus précisément, ils ont identifié plusieurs méthodes et technologies faisant partie intégrante de l’architecture de la mission comme « à haut risque ».
Cela comprenait des systèmes de survie de longue durée (LSS), une propulsion électrique solaire (SEP) de classe 500 kWe, des propulseurs cryogéniques sans ébullition (ZBO) et de l’oxygène liquide (LOX) produit sur Mars. Le ravitaillement en carburant et la réutilisation ont également été identifiés comme des exigences à « risque moyen ». D’autres problèmes identifiés par STPI comprenaient les délais, le financement, le Deep Space Transport (DST) et les difficultés imposées par les développements parallèles entre le programme Artemis et le “Journey to Mars”. Comme l’équipe STPI l’a conclu dans son rapport :
«STPI a constaté qu’une date de départ en 2033 pour une mission orbitale sur Mars est irréalisable dans tous les scénarios budgétaires et les calendriers de développement et de test de la technologie, compte tenu des plans actuels et théoriques de la NASA. 2035 peut être possible avec des budgets qui correspondent à une croissance réelle de 1,9 %, mais comporte des risques élevés de retards de calendrier en raison de calendriers complexes de développement technologique, de test et de fabrication pour le DST ; peut nécessiter de réduire la portée des missions lunaires ; et réduit la capacité de la NASA à atténuer les risques pour la santé humaine.
Le DST est un point particulièrement délicat, selon le rapport STPI. Conformément à l’architecture “Journey to Mars” de la NASA, ce vaisseau spatial serait intégré à la passerelle lunaire d’ici la fin des années 2020. Il s’appuierait sur la propulsion solaire-électrique et comprendrait un volume habitable ou utiliserait le vaisseau spatial Orion à la place. En supposant qu’il y ait une légère augmentation du financement et de la cohérence budgétaire au cours des années 2030, le STPI prévoit que le DST ne sera pas prêt à partir avant 2037. En supposant que les retards et les déficits budgétaires sont un facteur, ils prévoient que 2039 est une date plus réaliste.
Price et ses collègues ont également abordé le potentiel de la propulsion nucléaire et de l’utilisation des ressources in situ (ISRU), qui revient souvent dans le contexte des futures missions vers Mars. Selon diverses propositions, la propulsion nucléaire-thermique et nucléaire-électrique (NTP/NEP) pourrait réduire les temps de transit (45 à 90 jours), l’exposition aux radiations et le temps que les astronautes passent en microgravité. En outre, l’ISRU offre le potentiel de charges utiles inférieures et de moins de propulseur, puisque les matériaux et le carburant pourraient être fabriqués sur Mars. Cependant, ils déclarent également que ces technologies posent des « défis et risques de développement » et ne seront probablement pas prêtes d’ici 2033.
Cela fait écho aux conclusions de l’atelier du neuvième atelier communautaire sur la faisabilité et la durabilité de l’exploration humaine de Mars (AM IX). Là aussi, le NTP/NEP a été évoqué comme un moyen possible de réduire les temps de transit et les risques sanitaires associés, ce qui a naturellement suscité l’enthousiasme de nombreux membres. Cependant, selon le rapport AM IX, les détracteurs de cette idée “ont cité des études suggérant que ni le NTP ni le NEP ne seraient disponibles dans l’horizon temporel d’exploration humaine qui nous intéresse”.
Opportunité de lancement
Ce qu’il faut, par conséquent, c’est une architecture de mission qui évite les technologies à haut risque identifiées par l’analyse du STPI et minimise le nombre de nouveaux véhicules et de développements nécessaires. En conséquence, Price et ses collègues proposent une mission aller-retour lancée en 2033 qui tirerait parti d’un alignement planétaire unique (Vénus-Terre-Mars) qui se produit environ une fois tous les 15 ans. La mission effectuerait une manœuvre d’assistance par gravité via un survol de Vénus, accélérant le vaisseau spatial et réduisant la propulsion nécessaire et le temps total de la mission.
La mission commencerait avec le vaisseau spatial volant vers Mars, passant environ 30 jours en orbite haute, puis revenant sur Terre via l’assistance gravitationnelle de Vénus. La mission durerait environ 570 jours (1,6 an), réduisant considérablement les radiations auxquelles l’équipage est exposé et le temps passé en microgravité. Un autre avantage majeur est que cette architecture de mission s’appuierait sur des technologies existantes et des véhicules actuellement en production – comme le Système de lancement spatial (SLS) et Vaisseau spatial Orion – soit en phase de contrat d’étude pour le programme Artemis.
Ils soulignent également que cette mission serait probablement en orbite uniquement, ce qui signifie qu’il n’y aurait pas d’atterrissage impliqué, mais pourrait toujours servir de précurseur pour de futures missions à la surface. Comme l’a déclaré l’équipe dans son étude :
“Ce serait une mission en orbite uniquement en tant que précurseur des missions d’atterrissage qui suivraient, de la même manière que le Apollo 8 mission en orbite lunaire était un précurseur de la Apollo 11 mission d’atterrissage. Avoir un atterrisseur Mars avec équipage disponible pour une mission en 2033, bien que potentiellement faisable, est peu probable en raison des engagements de financement qui seraient nécessaires pour un tel effort. Cependant, si des efforts commerciaux privés pouvaient produire un atterrisseur qualifié d’ici 2033, alors une mission d’atterrissage pourrait être envisagée.
Un véhicule de mission martienne
Price et son équipe incluent une proposition pour un Mars Mission Vehicle (MMV) composé d’un vaisseau spatial Orion et de trois étages de propulsion qui s’appuieraient sur des moteurs conventionnels (comme le RS-72 ou XLR-132) et des bipropulseurs non cryogéniques – comme l’oxyde nitreux (N2O4) et monométhylhydrazine (MMH). Le MMV serait lancé par le SLS et des fusées commerciales et assemblé en orbite terrestre haute (HEO) ou autour de la Lune à l’aide de la passerelle lunaire. L’équipage se lancerait à bord d’un SLS et retrouverait le MMV comme élément final de l’assemblage.
Le concept est une adaptation d’une architecture développée par la communauté formulée lors de l’atelier du cinquième atelier communautaire sur la faisabilité et la durabilité de l’exploration humaine de Mars (AM V) qui s’est tenu en 2017. Les éléments comprennent :
- Un vaisseau spatial Orion pour transporter l’équipage vers le MMV dans HEO et fournir un retour terrestre à entrée directe
- Un Mars Transit Habitat (MTH) pour fournir un hébergement et un soutien vital à l’équipage
- Une étape de départ de la Terre (EDS) pour effectuer la combustion par injection trans-Mars (TMI) dans HEO
- Une étape d’insertion en orbite martienne (MOI)
De plus, deux étages d’injection trans-terrestre (TEI) seraient envoyés avant le MMV pour assurer le transport vers la Terre au moyen d’un survol de Vénus. Un pare-soleil serait déployé pour le contrôle thermique pendant cette phase puisque le vaisseau spatial sera à moins de 1 unité astronomique (1 UA) du Soleil. Comme mentionné précédemment, l’architecture de la mission et la conception du MMV intègrent une technologie déjà en production ou à portée de main.
Alors que seuls le SLS et Orion sont actuellement en production, les auteurs soulignent que les autres éléments sont sur la planche à dessin pour la NASA et ses partenaires industriels. En particulier, il y a le Mars Transfer Habitat (MTB), que la NASA développe depuis qu’elle a annoncé lors de la conférence aérospatiale IEEE 2017 que des contrats étaient attribués pour des études sur l’habitation dans l’espace profond (DSH). Price et ses coéquipiers estiment en outre qu’un MTH pourrait être testé à la passerelle lunaire d’ici la fin des années 2020 et être prêt d’ici 2033. Comme ils l’écrivent :
“Le MTH est actuellement dans le processus de planification de la NASA pour être développé et pour faire tester la première version de livraison à Lunar Gateway. Les étages EDS, MOI et d’injection transterrestre (TEI) seraient de conception commune avec des composants identiques, à l’exception des longueurs et des capacités des réservoirs, qui seraient de trois variantes différentes. Les étages seraient fabriqués à partir d’une chaîne de montage commune utilisant des propulseurs hypergoliques conventionnels stockables dans l’espace avec des systèmes qui sont actuellement à un niveau de préparation technologique élevé (TRL).
Profil de mission
Selon les délais établis dans cette étude, la mission commencerait à la mi-2028 avec le lancement des éléments MMV vers la Terre et l’orbite de Mars. Quatre lancements SLS et 13 commerciaux seraient utilisés au total, avec une masse de charge utile combinée d’environ 1020,5 tonnes métriques (1125 tonnes). Premièrement, deux SLS Block 2 Cargo et dix lanceurs commerciaux enverraient les deux étages TEI vers Mars, où ils se positionneraient et accosteraient ensemble une fois dans HMO. Deuxièmement, un SLS Block 2 Cargo et trois lancements commerciaux livreraient le véhicule de mission à HEO.
Ceux-ci seraient entièrement assemblés et prêts pour l’inspection finale et la validation d’ici la fin de 2032. Enfin, un seul SLS livrerait l’équipage et leur vaisseau spatial Orion à HEO pour s’amarrer au véhicule de mission. La mission partirait ensuite pour Mars en 2033 selon le calendrier suivant :
«L’équipage se lancerait dans SLS / Orion fin mars ou début avril 2033 pour accoster avec le véhicule de mission sur l’orbite de départ à HEO. Encore une fois, la date de lancement de l’équipage ne serait pas critique, et il y aurait donc une flexibilité pour s’adapter à certains retards. En avril 2033, avec une période de départ de quelques semaines, la combustion du TMI serait effectuée et le véhicule de mission partirait pour Mars. Après environ 200 jours de transit, le véhicule de mission arriverait sur Mars en novembre 2033 et effectuerait la gravure d’insertion de l’orbite de Mars dans le HMO.
La mission passerait environ 30 jours en orbite, moment auquel l’étage MOI serait largué, et le véhicule de mission aurait rendez-vous avec les deux étages TEI pour rentrer chez lui. La phase de retour de la mission durerait environ 340 jours et inclurait le survol de Vénus qui mettrait le MMV sur la bonne voie pour faire une boucle autour du Soleil et revenir sur Terre. Quelques jours avant que le vaisseau spatial n’atteigne l’orbite terrestre, l’Orion se séparerait du MTH, le laissant sur une trajectoire pour survoler la Terre. L’Orion effectuerait alors une combustion finale pour rentrer dans l’atmosphère terrestre et réaliser l’éclaboussure.
En plus de leur profil de mission de 570 jours, Price et ses collègues proposent également une mission alternative de long séjour de classe conjonction. Cette mission serait toujours lancée en avril 2033 et durerait environ 950 jours (2,6 ans), avec un séjour de 550 jours en orbite martienne. Ce profil nécessiterait moins de lancements depuis la Terre et une seule étape TEI pour accomplir la partie retour de la mission. Il faudrait également beaucoup moins d’accélération pour se libérer de la gravité terrestre et atteindre un MOI, mais il faudrait également une accélération beaucoup plus importante pour quitter l’orbite de Mars et une combustion nettement plus importante des modules TEI.
Cette mission s’accompagne de risques supplémentaires, principalement liés à la période prolongée passée en microgravité et exposition accrue aux radiations. Ainsi, bien que la mission de 950 jours soit plus simple, coûte moins cher et implique moins de défis techniques, ceux-ci se font au prix de risques accrus pour la santé et la sécurité humaines. Le séjour de longue durée en orbite martienne entraîne également les mêmes difficultés logistiques identifiées dans les propositions de mission actuelles de la NASA, notamment le besoin de systèmes de survie de longue durée, de fournitures et de gestion des déchets.
Missions de suivi
Un autre argument de vente de cette étude est les recommandations pour les missions de suivi qui commenceraient d’ici 2037. Cela (selon eux) nécessiterait le développement et la qualification d’un véhicule d’atterrissage et d’ascension avec équipage (CLAV) pour quatre personnes qui pourrait également être construit en utilisant technologies actuelles. Price et ses collègues de la NASA JPL et du Georgia Institute of Technology (GIT) ont décrit ce concept de véhicule dans une étude précédente publiée en 2016. Dans cette dernière étude, Price et son équipe expliquent comment ce véhicule pourrait permettre des missions tous les quatre ans et pourrait être livré à HMO avec deux lancements SLS Block 2 :
“L’équipage pourrait se rendre au HMO en utilisant le même profil de mission décrit précédemment et rendez-vous avec l’atterrisseur prépositionné. Après le transfert vers l’atterrisseur, l’équipage descendait à la surface, effectuait une mission d’exploration scientifique et retournait au véhicule de mission dans HMO en utilisant le véhicule d’ascension de l’atterrisseur plus une étape de suralimentation prépositionnée pour passer de l’orbite basse de Mars à HMO. Cela nécessiterait que le véhicule d’ascension de Mars se retrouve et s’amarre à l’étage de suralimentation du LMO afin de retourner au véhicule de mission.
La mission d’atterrissage pourrait également être adaptée à leurs propositions de missions de courte et longue durée, les séjours se déroulant sur la surface martienne plutôt qu’en orbite. Au fil du temps, ces atterrissages pourraient conduire à la construction d’infrastructures sur Mars et à l’utilisation des ressources locales (ISRU) pour le ravitaillement, la construction, les opérations scientifiques et d’autres nécessités. Ils prévoient également une éventuelle transition vers des systèmes de propulsion réutilisables et plus avancés permettant des transits plus courts et des séjours plus longs.
Ce plan contraste avec les propositions précédentes de la NASA, qui appelaient au déploiement possible d’une station spatiale autour de Mars en 2028. Les concepts proposés incluent le camp de base de Lockheed Martin (MBC), qui serait associé à un Mars Lander réutilisable pour permettre des voyages vers et depuis la surface et servir de point de repli en cas d’éruptions solaires majeures ou d’autres dangers. Bien que les évaluations des coûts du MBC ne soient pas disponibles, il va de soi qu’il en coûterait beaucoup plus cher à construire, déployer et assembler que le CLAV proposé.
Avantages/inconvénients
L’un des arguments de vente les plus évidents de cette architecture de mission est sa simplicité et sa rentabilité par rapport aux plans existants. En plus des estimations de masse et de performances, l’étude fournit une répartition des coûts par année. Dans un éditorial de 2015, le Dr Olin G. Smith et Paul D. Spudis* ont estimé que le coût du Journey to Mars de la NASA pourrait atteindre 1,5 billion de dollars. De plus, leur évaluation était basée sur un budget annuel nettement plus important d’environ 54 milliards de dollars par an au lieu des 18 milliards de dollars alors en vigueur (68,54 et 20,5 milliards de dollars aujourd’hui).
En comparaison, Price et ses associés prédisent qu’un programme d’une durée de 2023 à 2035 coûtera 17,728 milliards de dollars et nécessiterait une augmentation modeste du financement (conformément à l’analyse STPI). Leur plan nécessiterait également moins de lancements et moins de propulseur, propose un véhicule de transfert vers Mars qui serait prêt à temps et supprime le besoin du camp de base de Mars. Ces avantages font écho à ce que proposait Robert Zubrin avec son architecture de mission “Mars Direct”, qui appelle également des vols directs vers Mars, les éléments nécessaires à envoyer en avant, et l’ISRU pour réduire les besoins en charge utile et en masse.
Mais peut-être que le plus grand argument de vente est que cette mission serait prête à partir d’ici 2033 en utilisant une technologie qui existe déjà (ou qui le sera bientôt). Aucun système supplémentaire n’a besoin d’être inventé, testé et validé, dont le plus notable serait les systèmes NTP/NEP. Fondamentalement, la proposition propose un plan réalisable, dans les limites du budget et des délais, du moins par rapport à l’architecture de mission existante de la NASA. Mais bien sûr, il y a quelques inconvénients évidents, le plus évident étant qu’il ne permet pas d’opérations en surface.
Comme indiqué dans un article précédent, le rapport AM IX était plutôt ambivalent quant à la faisabilité et à la valeur d’une mission orbitale vers Mars, malgré le fait qu’elle serait plus facile à préparer et prête à partir plus tôt. Comme l’ont écrit les auteurs du rapport : “Il a été convenu que les opportunités offertes par la fenêtre de lancement de 2033 ne doivent pas être ignorées à la légère (en supposant que l’équipage soit prêt), mais aucun consensus n’a été atteint quant à la valeur d’une mission orbitale initiale, et aucun consensus n’a été atteint lors d’une première mission de conjonction contre l’opposition.
Compte tenu du coût et des délais impliqués, toute mission vers Mars semblera probablement moins attrayante si aucune opération de surface n’est impliquée, quel que soit le potentiel de missions de suivi. Après tout, l’un des principaux objectifs des missions en équipage vers Mars est de s’appuyer sur les recherches astrobiologiques effectuées par les explorateurs robotiques remontant jusqu’au Viking 1 et 2 missions en 1976. Ainsi, alors que cette architecture proposée permettrait des missions d’ici 2033, il faut se demander si un report ne serait pas l’option préférable.
Bien sûr, la question est quelque peu compliquée par le fait que les missions vers Mars ne sont pas si facilement retardées, contrairement aux missions vers la Lune. Compte tenu de la mécanique orbitale impliquée, les opportunités sont largement confinées aux fenêtres de lancement de l’opposition (une fois tous les 26 mois). Et même lorsque la Terre et Mars sont les plus proches, les distances impliquées présentent toujours des défis logistiques, technologiques, de santé et de sécurité. En tant que tel, tout retard pourrait repousser le premier lancement jusqu’en 2039 (comme indiqué dans l’analyse STPI).
Mais c’est cette insistance même pour que la NASA envoie les premiers équipages sur Mars d’ici 2033, avec des missions de suivi tous les 26 mois, qui crée ces défis. Considérez le programme Artemis, qui a évolué à partir des phases I et II du voyage de la NASA vers Mars. Avant 2019, le plan était d’utiliser le SLS pour lancer les éléments de la passerelle lunaire vers la Lune, qui seraient ensuite assemblés sur une orbite de halo et associés à un atterrisseur lunaire réutilisable. Des missions avec équipage sur la surface lunaire suivraient d’ici 2028, date à laquelle la NASA se concentrerait sur le développement du DST et l’envoi d’équipages sur Mars d’ici 2033.
Cependant, la décision de l’administration Trump de modifier le calendrier pour qu’un atterrissage lunaire se produise d’ici 2024 a entraîné un remaniement important. En raison des restrictions imposées par cette échéance, ainsi que des retards avec le SLS et d’autres éléments de la mission, la décision a été prise de déprioriser la passerelle. Cela a non seulement forcé la NASA à passer des contrats avec des agences pour développer un système d’atterrissage humain (HLS) et à externaliser les services de lancement de la passerelle. Les deux contrats ont été attribués à SpaceX, qui lancera les éléments de base de la passerelle en 2024 (à l’aide d’un Faucon Lourd) et atterrir le Artémis III l’équipage utilisant le Vaisseau spatial HLS d’ici 2025.
Compte tenu de tout cela, il serait peut-être préférable de reporter la première mission habitée vers Mars pour donner aux différentes technologies et solutions proposées le temps de mûrir. Sinon, la NASA devra ajuster ses plans et être prête à entreprendre une mission orbitale à moindre coût d’ici 2033. Le fait que les Chinois envisagent également d’envoyer leurs premiers équipages sur Mars en 2033 pourrait sembler une incitation à “obtenir leur premier .” Mais il est important de noter que la Chine est confrontée exactement aux mêmes défis et que sa préparation technologique n’est pas supérieure à celle de la NASA.
Cela est particulièrement vrai lorsque des «développements parallèles» avec des programmes d’exploration lunaire surviennent. Selon le guide officiel publié par l’Agence spatiale nationale chinoise (CNSA) en 2021, la création de la Station internationale de recherche lunaire (ILRS) sera un processus en trois phases qui durera jusqu’en 2035. Les phases II et III du programme ( 2030-2035) dépendent de la Longue marche 9 (CZ-9) lanceur super lourd prêt à temps. Roscosmos devait contribuer à ces phases avec leur Angara-5mais le développement de ce lanceur super lourd est au point mort (en grande partie à cause des sanctions résultant de la guerre en Ukraine).
Hélas, toute décision majeure concernant les futures missions sur Mars dépendra de ce qui se passera à l’approche de 2033. Cela comprend le déroulement du programme Artemis, à quoi ressemble l’environnement budgétaire et le développement, les tests et la validation de nouvelles technologies. En attendant, il est bon de savoir qu’il existe des options. Quelle que soit la voie empruntée par la NASA, le résultat final sera à la fois excitant et inspirant !
* Smith était un ancien directeur de l’ingénierie des systèmes de navette au Johnson Space Center de la NASA, tandis que Spudis était un scientifique du Lunar and Planetary Institute (LPI). Ils sont décédés respectivement en 2020 et 2018.
Lectures complémentaires : Centre de recherche aérospatiale (ARC)
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