Mars Direct, la proposition de Robert Zubrin

1. Introduction

Il convient de reprendre le contexte historique de la proposition de Robert Zubrin, tel qu'il le décrit lui-même dans son livre The Case for Mars (Cap sur Mars en Français). Alors que la proposition de Von Braun suggère des moyens démesurés pour la première mission martienne habitée, des conférences "The Case for Mars" ont lieu aux Etats-Unis réunissant des passionnés dont l'objectif est de trouver une alternative crédible, moins chère et plus rapide à mettre en oeuvre. En 1989, Georges Bush demande à la NASA un rapport sous 90 jours décrivant le meilleur moyen d'aller vers Mars afin de reprendre l'exploration spatiale habitée. La NASA reprend quelques idées de Von Braun et suggère une mission d'une complexité effrayante et surtout hors de prix qui ne peut être financée. Zubrin et Baker publient en 1990, donc juste après, des articles dans lesquels ils décrivent une mission beaucoup plus simple et beaucoup moins chère inspirée des conférences précédemment citées. Tout ceci est détaillé dans le livre The Case for Mars destiné au grand public et qui parait quelques années plus tard.

2. Principes de Mars Direct

L'idée de Zubrin et Baker est relativement simple. L'objectif numéro un est de diminuer la charge utile à envoyer en orbite basse, car elle conditionne le nombre de lancements de fusée, la complexité d'un éventuel assemblage, la complexité de l'atterrissage sur Mars le tout ayant un impact très important sur le coût total de la mission. Ils suggèrent donc une idée simple : il faut arriver à produire du carburant à partir de l'atmosphère martienne, on va gagner ainsi des centaines de tonnes d'ergols à ne pas envoyer en orbite. Le principe retenu est celui de la réaction de Sabatier qui permet de produire du méthane et de l'oxygène à partir d'hydrogène apporté de la Terre et du gaz carbonique de l'atmosphère martienne. Le gain est tel qu'il devient possible de tout envoyer avec 2 fusées. Pour plus de sécurité, il est proposé une première mission automatique qui envoie l'usine chimique sur Mars 2 ans avant les astronautes, de sorte que lorsque ces derniers arrivent, ils trouvent sur place un vaisseau prêt à décoller pour le retour. Ce concept s'appelle Mars Direct, car il y a un lancement direct vers Mars et le retour vers la Terre est également direct depuis la surface de Mars. Pour minimiser les besoins en ergols et maximiser la durée d'exploration, ce scénario est mis en oeuvre avec un transfert d'orbite entre la Terre et Mars de type Hohmann, ou à peine plus rapide (scénario de conjonction). En ce qui concerne le lanceur, Zubrin propose le développement d'un lanceur lourd nommé Ares, capable d'envoyer 140 tonnes vers Mars.

    Les étapes de la mission
  1. Lors du premier voyage sans équipage, un lanceur Ares, d'une capacité de 140 tonnes en orbite basse et de 46 tonnes pour un envoi direct, envoie vers Mars l'usine chimique, le petit réacteur nucléaire associé, 6,3 tonnes d'hydrogène et le véhicule de retour avec l'habitat et les réserves.
  2. Après 8 mois de voyage et atterrissage sur Mars, l'usine chimique est déployée et la production d'ergols est démarrée grâce à des robots et des automates. Selon les estimations de Zubrin, la charge utile qui doit redécoller de Mars pour le retour est de 13,5 tonnes, ce qui implique un besoin de production de 82 tonnes d'ergols, en prenant comme hypothèse que l'ISP du couple CH4/O2 est de 380s et que le système de propulsion comporte 2 étages. Ce point est critique car pour chaque tonne de plus à faire décoller, il faut près de 10 tonnes de carburant supplémentaire à produire en tenant compte du redimensionnement des réservoirs.
  3. 2 ans après le premier décollage, alors que le carburant du retour est prêt, 4 astronautes sont envoyés vers Mars grâce à un nouveau lancement d'une fusée Ares.
  4. 8 mois de voyage avec exploitation de la gravité artificielle entre le module habité et le dernier module de propulsion utilisé
  5. atterrissage sur Mars aussi près que possible du véhicule de retour
  6. l'exploration de Mars commence et dure environ 500 jours.
  7. Une fois l'exploration terminée, l'équipage rejoint le véhicule de retour (ERV) qui décolle et rejoint la Terre selon une trajectoire directe.
  8. Le vaisseau atterrit finalement sur Terre comme une capsule Apollo ou Soyouz. A noter que je n'ai trouvé dans les articles publiés par Zubrin aucune référence au bouclier thermique (volume et masse) nécessaire à l'entrée atmosphérique terrestre. Or, le véhicule de retour doit tout de même être relativement grand pour un équipage de 4 astronautes voyageant plusieurs mois, ce qui implique des contraintes très fortes au niveau du bouclier thermique et des parachutes de freinage.

Remarque : Zubrin propose de démarrer la mission suivante en même temps que le début de la mission habitée. Cela permet de disposer d'un second ERV à la surface de Mars en même temps que les astronautes et donc de sécuriser un peu plus la mission.

3. Réévaluation de la charge utile pour le retour

Sur le papier, le concept Mars Direct paraît d'une grande simplicité en comparaison des différents scénarios NASA. Comment se fait-il que ce scénario ne fasse pas l'unanimité ? Nous n'avons pas trouvé de critique claire dans les rapports de la NASA ni dans la littérature du domaine. Néanmoins, dans le livre de Zubrin, un paragraphe très court est consacré à une conférence que Zubrin a présenté en 1992 devant un comité d'experts de la NASA (Cap sur Mars, page 96). Il est écrit que ce comité était très intéressé par ce scénario, mais qu'il pensait que les estimations de masse étaient trop optimistes, trop légères. Nous n'en saurons pas plus. Qu'en est-il exactement ? Nous allons essayer de répondre à la question. Le point critique concerne notamment la masse du véhicule de retour (ERV) avec lequel il faut entreprendre un retour direct vers la Terre. Zubrin estime que la masse de l'habitat du retour est de l'ordre de 11,5 tonnes (Cap sur Mars, page 125). Dans le rapport NASA de la DRM 3.0, l'estimation de la masse du module habité est de l'ordre de 29 tonnes, mais pour 6 et avec un système de support vie prévu pour l'aller-retour. La comparaison est par conséquent difficile. Dans le cadre du scénario 2-4-2 que nous préconisons, nous avons tenté d'extrapoler cette masse pour nous ramener à un équipage à 2 astronautes, éventuellement 4 en condition de backup, avec l'hypothèse d'un confort dégradé, c'est-à-dire avec un volume par astronaute défini pour un équipage de 2 et moins de réserves de consommables. Or, nous obtenons une masse pour l'habitat de l'ordre de 13 tonnes marges comprises (voir notre article d'Acta Astronautica page 9). De plus, cette estimation ne tient pas compte de la capsule prévue pour la réentrée finale dans l'atmopshère terrestre. Zubrin ne mentionne tout simplement pas de capsule pour cet atterrissage, car il prévoit d'atterrir avec l'habitat complet, avec un bouclier thermique de 1,8 tonnes. Toutefois, avec un module habité nécessairement bien plus gros qu'une capsule, le bouclier thermique doit être volumineux et bien plus lourd. D'autre part, il faut prévoir de très grands parachutes ou d'autres mécanismes de freinage, car le choc terminal risque d'être particulièrement rude, même si c'est dans la mer, et il ne faut pas oublier un système de flottaison comme dans le cas de la capsule Apollo. Bilan, la masse du véhicule de retour pour 4 astronautes nous paraît effectivement sousestimée :

Il convient de préciser qu'il s'agit d'une estimation a priori relativement optimiste, qui suppose que le volume de l'habitat est inhabituellement faible et qu'il n'y a pas de systèmes supplémentaires significatifs à prendre en compte pour le freinage et l'atterrissage sur Terre.

4. Réévaluation de la masse du vaisseau au décollage de Mars

Nous avons revu à la hausse la charge utile à faire décoller de Mars pour un retour direct. Au lieu de 13,5 tonnes (bouclier et astronautes compris), nous en avons 16,5. A noter que cette valeur correspond à peu de choses près à la masse de la charge utile prévue pour le retour dans le scénario 2-4-2. Or, nous avons envisagé un retour direct dans le cadre de ce scénario, avec des calculs précis. Voilà ce que cela donne (tableau 3a de l'article d'Acta Astronautica). Tout d'abord les hypothèses :

Attention, ces hypothèses ne sont sans doute pas tout à fait celles de Zubrin. Par exemple nous suggérons 12% de rapport structurel car cela correspond à une valeur moyenne sur des étages existants. Zubrin a pris des valeurs plus optimistes (il me l'a confirmé lui-même oralement en 2011).
Et maintenant les résultats, après utilisation de l'équation de Tsiolkovsky : En ajoutant 3 tonnes de charge utile pour le retour et en prenant des hypothèses un peu plus conservatrices, nous obtenons donc près de 19 tonnes en plus à faire atterrir sur Mars pour tenir compte de l'impact sur les systèmes de propulsion ((17,5-4,5)+(12-6)). Et nous n'avons pas calculé l'impact sur les systèmes ISRU (réacteur de Sabatier, compresseur, etc.) et le réacteur nucléaire. Globalement, retenons que cet impact est donc de l'ordre de 22 tonnes pour l'atterrissage sur Mars, même s'il faut convenir que les incertitudes restent importantes (généralement, on sousestime plutôt que le contraire).

5. Réévaluation de la masse initiale en orbite basse

Ces 22 tonnes à faire atterrir sur la planète rouge ont à leur tour un impact important sur les systèmes d'entrée, freinage et atterrissage sur Mars. On passe de 28,6 tonnes de CU à faire atterrir à 50,6 tonnes, ce qui est énorme. Supposons pour simplifier que l'impact ne soit que de 8 tonnes sur le nouveau bouclier thermique, le nouveau système de propulsion pour la descente, ergols compris, et tous les systèmes annexes. On a donc maintenant 30 tonnes de plus à envoyer vers Mars. En propulsion chimique (Isp 450s), un rapide calcul avec l'équation de Tsiolkovski montre que ces 30 tonnes nécessitent plus de 30 tonnes d'ergols supplémentaires en orbite basse, avec de la masse structurelle à ajouter.
La conclusion est immédiate, il n'est plus possible de lancer le cargo directement vers Mars, à moins de disposer d'un lanceur d'une capacité de l'ordre de 200 tonnes en orbite basse, ou de procéder à un assemblage en orbite.

6. Remarques finales

Selon les calculs présentés ici, il est probable que le scénario Mars Direct ne soit pas faisable tel qu'il est proposé, ce qui justifie et explique que la NASA ait orienté ses études vers les scénarios de type semi-direct. Néanmoins, il y a un paramètre qui mériterait une attention particulière, c'est le nombre d'astronautes. En passant à 3 astronautes au lieu de 4, il est probable que le scénario devienne beaucoup plus attractif. On pourrait même envisager 2 astronautes, le gain en simplicité et en réduction des risques au niveau de l'architecture de la mission compensant les risques accrus en termes de facteurs humains.
La deuxième remarque importante concerne les défauts de ce scénario. On peut en effet remarquer que le bouclier thermique servant à la réentrée atmosphérique terrestre est présent dans le cargo qui atterrit sur la surface martienne. De même pour les consommables du retour. Or ces éléments ne sont d'aucune utilité sur la surface de Mars. Il y a donc un avantage évident à laisser une capsule avec bouclier thermique et consommables du retour en orbite martienne. Cette capsule peut être détachée du cargo juste après la manoeuvre d'aérocapture et de mise en orbite autour de Mars et avant que le cargo n'atterrisse sur la surface. Cela remet en cause le retour direct, puisqu'il faut rejoindre la capsule en orbite avant le retour final vers la Terre, mais c'est une variante qui nous paraît plus cohérente.
Enfin, dernière remarque, en combinant l'idée d'un passage à 2 astronautes et d'une capsule laissée en orbite, on obtient la moitié du scénario 2-4-2. Il ne reste alors plus qu'à dupliquer la mission au lieu de faire coïncider l'arrivée du premier habitat avec l'arrivée du cargo de la mission suivante pour la retrouver dans sa totalité.

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