Mission martienne de référence de la NASA version DRA 5.0, addendum 2, 2014

Le scénario de cette mission, qui date de 2014, est décrit dans le rapport dont la référence exacte est :
B.G. Drake and K.D. Watts ed., Human Exploration of Mars, Design Reference Architecture 5.0, addendum 2, NASA Johnson Space Center, 2014.

Introduction

Il est important de noter que dans un petit mot préliminaire, Bret Drake indique que ce rapport est une collection d'études et de réflexions indépendantes et qu'il n'y a pas eu d'effort pour intégrer le tout dans une véritable synthèse. Quand on lit ce document, on est effectivement frappé par le manque de structure et l'indépendance des chapitres les uns par rapport aux autres. Il n'y a donc ici pas un mais plusieurs scénarios qui sont décrits, ou plutôt plusieurs contributions sur des sujets variés et qui ne sont pas toujours compatibles entre eux. Que faut-il en retenir ? D'abord, il s'agit d'un changement de cap par rapport au rapport de 2009, où la propulsion nucléaire thermique était préconisée. Elle ne l'est plus, car manifestement, elle n'a pas convaincu, même s'il existe encore tout un chapitre sur le sujet. Les raisons ne sont pas divulguées ici, ce qui est bien dommage. C'est sans doute à cause de la complexité de l'assemblage en orbite basse et du gigantisme des vaisseaux. Deux autres approches sont étudiées, la première basée sur la propulsion nucléaire électrique et la seconde, préconisée par Bret Drake en personne, qui a présenté ses travaux lors de plusieurs congrès, est basée sur la propulsion solaire électrique. Nous proposons de les résumer ci-dessous. D'autres chapitres traitent des trajectoires, des stratégies d'entrée, descente et atterrissage sur Mars, de l'entrainement en terrain analogue, etc. Nous proposons au lecteur de se reporter au chapitre correspondant dans le menu principal pour plus d'informations.
NB : toutes les images sont tirées du rapport de la NASA, disponibles en ligne mais pas libres de droit.

1. Propulsion nucléaire électrique

1.1 Principes généraux

L'étude de cette option a été réalisée par Steve Oleson, du NASA Glenn Research Center. Deux scénarios sont proposés, en opposition avec 60 jours sur Mars et en conjonction dans la configuration planétaire défavorable de 2037. Les hypothèses de travail sont les suivantes :

Ce vaisseau à propulsion nucléaire serait assemblé en LEO à 400 km. Une fois le réacteur démarré en LEO, le vaisseau, inhabité dans cette phase, suit une spirale montante vers une orbite très haute (ou lunaire). Puis, un nouveau SLS est lancé avec la capsule Orion et les astronautes rejoignent le vaisseau en orbite haute grâce au module de service. De là, le vaisseau sort de l'attraction terrestre et se dirige vers Mars. Une nouvelle spirale est suivie pour freiner progressivement et se placer en orbite martienne (période 1 SOL). Après séjour en surface, les astronautes rejoignent le vaisseau qui remonte et s'échappe de Mars. Arrivée près de la Terre, c'est le vaisseau Orion qui permet aux astronautes d'atterrir.

1.2 Résultats de l'étude

En premier lieu, l'usage du SLS entraine une contrainte sur la longueur disponible en soute, donc sur la taille des radiateurs du réacteur nucléaire, et par voie de conséquence sur la capacité du réacteur nucléaire, limitée à 2,5 MW. Or, après calculs, il n'est pas possible de conserver à la fois les hypothèses de 2 SLS pour assembler le vaisseau, 2,5MW pour le réacteur, 5000 secondes d'impulsion spécifique, et 500 jours à la surface pour le scénario en opposition ! Une conclusion similaire est proposée pour le scénario en conjonction. Il existe malgré tout des solutions, mais il faut relâcher les contraintes, notamment celle de la durée du séjour à la surface, qui est corrélée à celle du voyage. De façon paradoxale, l'utilisation de la propulsion nucléaire électrique ne permet donc pas d'être plus efficace que la propulsion chimique, car soit on augmente le nombre de SLS pour assembler le vaisseau, soit on augmente la durée du voyage pour passer à au moins 10 mois. Est-ce bien là une solution d'avenir ? Cependant, il ne faut peut-être pas abandonner un tel concept. On peut en effet remarquer qu'il y a une hypothèse forte qui n'a jamais été remise en cause, c'est le nombre d'astronautes ... Et puis, n'oublions pas que pour un vaisseau cargo, on peut relâcher la contrainte temporelle.

2. Propulsion solaire électrique combinée à la propulsion chimique

2.1 Principes généraux

Bret Drake et ses co-auteurs, Carolyn Mercer et Steven Oleson (déjà cité ci-dessus), développent dans cette partie plusieurs options intéressantes pour la stratégie basée sur la propulsion électrique. Cette stratégie ressemble beaucoup à celle développpée ci-dessus avec la propulsion nucléaire électrique. Ceci n'est pas surprenant, car dans les 2 cas, on utilise la propulsion ionique, ce qui conduit à des contraintes et des solutions identiques. Le principal changement est l'utilisation de grands panneaux solaires au lieu du réacteur nucléaire pour alimenter le système de propulsion. Cependant, pour pallier le manque d'efficacité du solaire électrique, il est proposé d'adjoindre un système de propulsion complémentaire chimique, notamment pour la sortie de l'attraction terrestre. Les principales hypothèses sont les suivantes :

2.2 Résultats de la stratégie solaire électrique

Plusieurs options ont été évaluées :

  1. 100% solaire électrique, donc aucune aide d'un système de propulsion chimique
  2. Propulsion électrique vers L2, puis tout le reste en chimique
  3. Propulsion essentiellement électrique, avec juste une impulsion en chimique pour sortir de l'attraction terrestre depuis L2, et pour sortir de l'attraction martienne
  4. Impulsion spécifique entre 2000 et 3000 secondes, obtenue avec des moteurs ioniques à effet Hall
  5. Panneaux solaires délivrant entre 600 et 900 kW

Les panneaux solaires sont partagés en 2 grandes ailes de 2380 mètres carrées chacune disposées de part et d'autre du vaisseau. La combinaison solaire électrique + poussée en chimique semble la plus pertinente. Il est intéressant de noter que dès qu'on adjoint un système de propulsion chimique, le plus efficace est de renvoyer le vaisseau vers l'orbite basse afin de fournir une poussée au périgée avant de repartir vers Mars (effet Oberth). Il est tout de même paradoxal de devoir monter en orbite haute pour finalement en redescendre ! Malgré tout, cette solution est faisable, ce qui porte à 7 le nombre de lancements de SLS pour la mission martienne habitée, donc mieux qu'en nucléaire thermique, et du même ordre qu'en nucléaire électrique. Attention toutefois, cela conduit à un voyage aller de ... 400 jours (et 300 jours pour le retour), soit bien plus qu'un aller en tout chimique. Là encore, on est en droit de se demander si cela représente bien l'avenir du spatial et des voyages habités vers Mars. Ce qui est navrant, autant le dire clairement, c'est que cette solution soit préférée au tout chimique au prétexte que la masse à envoyer en orbite basse serait nettement plus faible qu'en tout chimique. Malheureusement, cette comparaison ne tient pas, car elle est basée sur une stratégie très désavantageuse pour le tout chimique, avec abandon de l'aérocapture pour le vaisseau habité et abandon de la stratégie "semi-direct" qui permet d'éviter l'assemblage long et fastidieux en orbite, comme nous l'avons montré par ailleurs. Sans démériter, donc, la stratégie solaire électrique ne change pas vraiment la donne.

Conclusion

Après la lecture d'un tel rapport, ma conclusion personnelle est qu'en 2014 la NASA n'a pas les idées claires sur la meilleure stratégie pour aller vers Mars. Chacun tire la couverture à lui pour défendre son idée et il n'y a pas de consensus. Pour l'anecdote, c'est au mois d'octobre de la même année qu'a eu lieu un workshop intitulé "Affording Mars II", à Pasadena en Californie, auquel j'ai été convié. Les échanges étaient intéressants. Plusieurs participants étaient partisans du solaire électrique, dont Bret Drake, mais ils avaient toutes les peines à le justifier. Moi-même, je n'ai pas convaincu car je n'avais pas encore les idées claires sur la meilleure stratégie à adopter. Cela a malgré tout nourri ma réflexion, puisque j'ai publié "Robust, affordable, semi-direct Mars mission" en 2016. Une description de ce scénario est accessible depuis le menu.

Retour à la page des missions vers Mars