Type de mission, conjonction ou opposition ?

Nous abordons ici le problème difficile du choix du type de mission, conjonction ou opposition. Nous rappelons dans un premier temps les caractéristiques de chacune, puis nous procédons à une comparaison, en reprenant les tableaux et schémas du rapport NASA de la mission de référence DRA 5.0.


1. Mission de type conjonction

On parle de conjonction d'une planète lorsqu'elle se trouve relativement proche du soleil pour un observateur situé sur Terre. Une mission est donc de type conjonction lorsque le décollage a lieu dans de telles circonstance. En vérité, cela ne nous aide pas vraiment à comprendre. Pour simplifier, on dit qu'une mission vers Mars est de type conjonction lorsqu'on tire profit de la proximité des 2 planètes pour le trajet aller et le trajet retour. On obtient ainsi une durée de voyage réduite pour un coût énergétique faible. Une trajectoire de Hohmann, minimaliste en énergie, peut être choisie pour ce type de mission. On peut aussi choisir d'accélérer un peu ou de jouer sur la date du décollage. Le problème, toutefois, c'est qu'une fois arrivés sur Mars, les astronautes doivent attendre près de 500 jours la conjonction suivante entre les 2 planètes pour pouvoir repartir sur une trajectoire symétrique économe en énergie. Voir schéma ci-dessous (tiré du rapport DRA 5.0)

2. Mission de type opposition

Une mission vers Mars est de type opposition lorsque le retour (ou l'aller) a lieu quand Mars et le soleil sont opposés dans le ciel vu de la Terre. En vérité, si le soleil est à l'opposé de Mars, cela veut dire que Mars est proche de la Terre. Le problème, c'est que la Terre se déplace sur son orbite beaucoup plus vite que Mars. Et donc, si une fusée décolle à ce moment là d'une planète pour rejoindre l'autre, 6 mois plus tard, les planètes se sont beaucoup éloignées et le vaisseau n'est pas prêt d'arriver. La solution du scénario d'opposition est soit d'aller beaucoup beaucoup plus vite pour atteindre la Terre avant qu'elle ne se soit éloignée, soit d'aller jusqu'à Vénus et de réaliser un mouvement de balancier pour revenir jusqu'à la Terre ... après un très long voyage. Malgré tout, l'intérêt de ce type de mission est de pouvoir réduire considérablement la durée du séjour sur Mars, typiquement 1 à 2 mois. Un schéma classique du scénario d'opposition est présenté ci-dessous.

3. Comparaison énergétique des 2 types de mission

En astronautique, le nerf de la guerre si on peut dire, c'est la masse totale de ce qu'il faut envoyer dans l'espace, car c'est elle qui conditionne le nombre de fusées géantes qu'il faut faire décoller et la complexité de la procédure d'assemblage en orbite basse. Rappelons que dans la DRA 5.0, 9 fusées géantes sont nécessaires à la mission, avec des risques d'échec très importants (voir les risques). Or, ce sont les ergols qui constituent la plus grande partie de cette masse et de loin. Et la quantité d'ergols nécessaire est directement liée aux besoins énergétiques, qui peut s'exprimer en "delta V", c'est-à-dire en nombre de km/s qu'il faut gagner à chaque phase de la mission. Voici ci-dessous un bilan des besoins en fonction de la date de départ de la mission. Cela varie en effet fortement en fonction de la position de Vénus et du contexte de rapprochement de Mars par rapport à la Terre (Mars a une trajectoire elliptique excentrée autour du soleil). Comme on peut le voir, les missions de type conjonction minimisent les besoins énergétiques et donc la masse des ergols. Bien entendu, une mission plus longue sur Mars nécessiterait plus de consommables, mais cette masse additionnelle ne serait rien en comparaison de la masse additionnelle des ergols si on choisit une mission de type opposition. Sur le plan massique, donc, c'est la mission de type conjonction qui est incontestablement plus efficace.


4. Comparaison des niveaux de radiations reçues

Une mission de type opposition est plus courte qu'une mission de type conjonction (650 contre 916 jours sur l'exemple des schémas ci-dessus). Cette réduction temporelle permet-elle une réduction de la dose de radiations reçue par les astronautes ? La NASA a également étudié cette question dans le rapport DRA 5.0. Le bilan est reproduit ci-dessous à partir du tableau et des commentaires trouvés dans ce rapport (page 71 de l'addendum). A noter que la dose maximale autorisée actuellement sur Terre pour un homme de 45 ans est de 250 mSv.

Quelques commentaires : lorsque l'activité solaire est maximale, le flux d'ions lourds provenant du fond galactique est moins dense à cause des protons solaires venant en opposition. Toutefois, le risque d'éruption solaire est beaucoup plus grand avec dans ce cas un flux très dense et assez court mais très énergétique de protons. L'estimation des doses reçues dépend donc fortement du contexte de la mission, activité solaire maximum ou minimum et éruption solaire éventuelle lorsque les astronautes sont sur Mars (faible impact) ou proche de Vénus (très fort impact). Une des conclusions contre-intuitive est que le voyage vers Mars doit être réalisé de préférence en période d'activité maximale afin de minimiser les radiations dues aux ions lourds galactiques. Mais la conclusion principale qui nous intéresse ici est que le long séjour sur la surface martienne de la mission de type conjonction augmente relativement peu la dose totale de radiations. Ainsi, même si la mission de type opposition est globalement plus courte, elle ne permet pas de réduire les doses reçues. Il y a même un risque que cela soit le contraire s'il survient une éruption solaire lors du passage près de Vénus. Il convient toutefois de rester prudent dans cette affirmation, car les estimations faites par les scientifiques comportent encore une grand part d'incertitudes.

Conclusion

Du point de vue massique, c'est la mission de type conjonction qui est la plus intéressante. De plus, dans l'état actuel de nos connaissances, elle n'est pas plus pénalisante qu'une mission de type opposition pour ce qui concerne les radiations reçues. Un bémol toutefois, nous n'avons pas parlé des missions de type opposition ultra-rapides qui évitent le retour par Vénus. Dans ce cas, les besoins énergétiques seraient énormes, mais les doses totales de radiations reçues seraient moindres, à peu près divisées par un facteur 2 par rapport à une mission de conjonction.

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