La physique des systèmes de propulsion interplanétaires de la demande de transport, capables d'accélérer les engins lourds hors de la gravité de la Terre, de réduire les temps de transit vers la planète rouge et d'exécuter des insertions orbitales précises. Bien que la propulsion électrique à faible poussée offre une efficacité remarquable pour les vols de fret de longue durée, les missions en équipage nécessitent l'impulsion rapide que seuls les systèmes à haute poussée peuvent fournir.

Le rôle de la poussée dans les voyages interplanétaires

La poussée — la force qui propulse un vaisseau spatial — détermine la rapidité avec laquelle un véhicule peut changer sa vitesse, une quantité connue sous le nom de delta‐v. Pour une mission Mars, le delta‐v total requis de la surface Terre à la surface Mars peut dépasser 15 km/s. Les moteurs à haute poussée permettent aux engins spatiaux d'effectuer ce changement de vitesse en une combustion courte et efficace par gravité près d'une planète, en tirant parti de l'effet Oberth pour maximiser l'efficacité du propergol.

De plus, les moteurs à poussée élevée sont essentiels pour l'atterrissage et l'ascension planétaires. La descente vers la surface martienne doit contrer la gravité de la planète (environ 0,38 g) avec une poussée suffisante pour ralentir de la vitesse orbitale. De même, l'ascension de Mars en orbite nécessite un rapport poussée-poids élevé pour surmonter les pertes de gravité.

Systèmes de propulsion des candidats

Aucune technologie de propulsion ne répond actuellement à toutes les exigences de la mission Mars. Les ingénieurs développent plutôt un portefeuille de systèmes à haute poussée, chacun avec des caractéristiques de performance et des niveaux de préparation distincts, qui peuvent être combinés pour optimiser le profil global de la mission.

Propulsion chimique

Les fusées chimiques demeurent la technologie de propulsion la plus mature à haute poussée.Les deux bipropulseurs liquides (par exemple, l'oxygène liquide/hydrogène liquide, le LOX/méthane) et les moteurs solides fournissent la force brute nécessaire au lancement de la Terre.Pour les manœuvres dans l'espace, les moteurs liquides redémarrables sont préférés.Les développements modernes mettent l'accent sur l'augmentation de la pression de chambre et de l'efficacité de la buse.Le moteur Rapteur de SpaceX, utilisant un cycle de combustion en circuit complet avec du LOX/méthane, réalise une poussée de plus de 230 tonnes et une impulsion spécifique (ISP) d'environ 350 secondes de vide.

Les améliorations de la fabrication additive permettent d'imprimer en moins de parties des composants complexes du moteur, tels que les injecteurs et les chambres de combustion, ce qui réduit les coûts et le temps de livraison. Les techniques de refroidissement actif, y compris le refroidissement par régénération et par film, repoussent encore les limites thermiques.

Propulsion thermique nucléaire (NTP)

La propulsion thermique nucléaire offre un bond important dans l'impulsion spécifique — généralement entre 800 et 1000 secondes — tout en maintenant des niveaux de poussée comparables aux moteurs chimiques. Dans un système NTP, un réacteur nucléaire chauffe un propulseur (habituellement de l'hydrogène) à des températures extrêmement élevées, qui est ensuite expulsé par une buse.

Le programme NTP actuel de la NSA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) des années 1960 et 70, qui a permis de tester avec succès plusieurs réacteurs et moteurs au sol, est largement inspiré du programme . Les conceptions modernes intègrent des leçons de cette époque, comme la nécessité de matériaux combustibles à haute température comme les composites de carbure de carbure de zirconium d'uranium (UCC-ZrC) et ajoutent de nouvelles caractéristiques de sécurité, y compris des concepts de cœur de réacteur -burn-avant-break, qui empêchent la libération de combustible en cas d'accident de lancement.

Une version bimodale, combinant NTP et production d'électricité à partir d'un même réacteur, pourrait fournir à la fois une propulsion et une électricité abondante à bord, réduisant ainsi la dépendance à l'égard des réseaux solaires ou des piles à combustible. NASA , 2023 Mars Architecture White Paper identifie NTP comme un catalyseur essentiel pour réduire le temps de transit à moins de 200 jours, un jalon important pour la sécurité de l'équipage.

Concepts chimiques avancés

Bien que pas aussi avancé que le NTP, plusieurs innovations de propulsion chimique sont à l'étude pour pousser Isp au-delà des limites traditionnelles. Les moteurs à tripropulseur qui brûlent trois propulseurs (par exemple, l'hydrogène, l'oxygène et une poudre métallique comme l'aluminium) peuvent théoriquement augmenter l'impulsion spécifique en augmentant la température des gaz d'échappement et le poids moléculaire. Les buses à aérospike offrent des performances de compensation de l'altitude, en maintenant une efficacité élevée du niveau de la mer au vide, idéale pour un atterisseur Mars à un seul étage.

D'autres approches comprennent les moteurs à explosion d'impulsion[ et **les moteurs à détonation rotatif**, qui utilisent des ondes de combustion supersoniques pour obtenir une efficacité thermodynamique plus élevée.Ces systèmes sont encore en phase expérimentale, mais pourraient éventuellement fournir des améliorations à la fois à haute poussée et à la pression modérée par rapport aux modèles chimiques conventionnels.

Défis techniques

La traduction des performances théoriques en matériel de vol fiable nécessite de résoudre de graves problèmes d'ingénierie.Les moteurs à haute poussée fonctionnent aux limites des capacités matérielles — températures de combustion supérieures à 3000 °C, gradients de pression extrêmes et vibrations à haute fréquence qui peuvent déclencher des instabilités de combustion destructrices.

Gestion thermique et matériaux

Les buses et les chambres de combustion doivent résister à des flux de chaleur intenses pendant des durées de combustion soutenues, en particulier pour l'ascension de Mars où de longues brûlures moteur sont nécessaires pour atteindre l'orbite. Dans les systèmes NTP, le cœur du réacteur peut atteindre des températures supérieures à 2700 K, exigeant des matériaux réfractaires qui résistent à la fusion, à l'embrasement et à la corrosion de l'hydrogène.

Les ingénieurs peuvent maintenant concevoir des canaux de refroidissement internes avec des géométries complexes qui éliminent la chaleur plus efficacement que les passages percés traditionnels. Par exemple, le moteur RL‐10 utilise une buse à refroidissement régénératif fabriquée par fusion laser sélective, qui réduit le nombre de pièces et améliore l'uniformité thermique.

Sécurité et blindage

Même si le réacteur est lancé inerte (pas encore activé), une défaillance ou une explosion de lancement pourrait disperser du combustible radioactif sur une vaste zone. Pour atténuer cette situation, les conceptions NTP intègrent des systèmes de combustion avant rupture qui arrêtent la réaction de la chaîne de réacteur si la fusée subit une défaillance catastrophique.

Le blindage de l'équipage des neutrons et des rayonnements gamma générés par le réacteur ajoute de la masse — souvent plusieurs tonnes — qui doit être soigneusement compensée par les économies de masse réalisées par les Isp supérieures. Une approche consiste à placer le matériel de blindage entre le réacteur et le module de l'équipage, en utilisant des boucliers à base d'eau qui servent également de protection contre les radiations pour les événements de particules solaires.

Essais et validation

Pour les moteurs chimiques, les grands stands d'essais de la NASA au Centre spatial Stennis et les installations SpaceX au Texas peuvent tirer des moteurs à pleine poussée pendant des durées représentatives d'une mission Mars. Les essais NTP sont toutefois plus limités. La dernière campagne d'essais NTP américaine a eu lieu au début des années 1970 au site d'essais du Nevada. Pour les essais NTP, il faudra construire de nouvelles installations d'essais de réacteurs qui répondent aux normes modernes en matière de sécurité et d'environnement, une entreprise pluriannuelle de plusieurs milliards de dollars.

Architectures de mission et intégration de la propulsion

Les moteurs à poussée élevée ne fonctionnent pas isolément. Ils doivent être intégrés dans une architecture de mission cohérente qui tient compte de l'étape, du transfert de propergol et des contraintes planétaires d'atterrissage/de lancement.

Étape de départ de la Terre

Pour une mission Mars, le besoin le plus élevé de delta-v se produit au départ de la Terre — la combustion par injection trans-Mars (TMI). Les moteurs chimiques, ou une étape NTP, lancent l'engin spatial sur une orbite Hohmann ou un transfert plus rapide. Comme le puits de gravité de la Terre est profond, la combustion TMI doit être effectuée avec une poussée élevée pour minimiser les pertes de gravité.

Insertion dans l'espace et dans Mars Orbit

Après TMI, le transfert de Mars peut être optimisé en utilisant une courte et forte poussée de poussée à l'arrivée de Mars. Cette combustion en orbite de Mars (MOI) nécessite un timing précis et un contrôle des gaz. La propulsion électrique pourrait gérer les MOI, mais la faible poussée nécessiterait des mois de spirale en orbite, exposant l'équipage à des radiations inutiles.

Certaines architectures proposent d'utiliser l'aérocapture — en passant par l'atmosphère martienne pour ralentir — comme moyen de sauver le propulseur. Bien que l'aérocapture réduise la magnitude de la combustion des MOI, elle repose toujours sur un système de propulsion pour les corrections mi-course et l'élévation de l'orbite après capture.

Production et transfert de propergols

L'une des voies les plus prometteuses pour réduire la masse de propergols lancés sur la Terre est l'utilisation des ressources in situ (ISRU) sur Mars. L'atmosphère martienne, le dioxyde de carbone à 95 %, peut être convertie en oxygène et en méthane à l'aide de la réaction Sabatier. Cela permettrait de ravitailler en surface un véhicule Mars ascensionnel, réduisant de façon drastique la quantité de propergol qui doit être transportée de la Terre.

Le transfert de propergol en orbite entre les étapes est également essentiel. Les propergols cryogéniques comme l'hydrogène liquide doivent être stockés et transférés sans ébullition excessive. Isolation passive avancée, refroidissement actif (technologie zéro ébullition) et systèmes de gestion de propergol à faible gravité sont en cours de développement pour rendre le stockage à longue durée possible.

Vers des missions humaines Mars

Les décisions de propulsion à haute poussée convergent sur une approche hybride pour la prochaine décennie. NASA Moon to Mars Architecture favorise actuellement une combinaison de propulsion thermique chimique et nucléaire. La passerelle Lunar servira de point de départ pour les missions dans l'espace profond, mais des moteurs à haute poussée seront encore nécessaires pour la dernière étape vers Mars.

Le moteur SpaceX=S Raptor 3 a atteint un rapport poussée-poids de plus de 200, ce qui en fait l'un des moteurs chimiques les plus puissants jamais construits. Blue Origin a poursuivi le moteur BE‐4 (LOX/Méthane) pour sa fusée New Glenn. Les deux entreprises ont exprimé leur intérêt pour soutenir les missions de fret et d'équipage sur Mars.

The timeline for a crewed Mars mission is frequently set for the mid‑2030s to mid‑2040s, depending on political and budget realities. Achieving that goal will require simultaneous progress in all the propulsion areas discussed. A mixed fleet approach — using chemical engines for launch, NTP for fast in‑space transfer, and chemical or methane‑based engines for landing/ascending — appears the most feasible path. The key is to have a sufficiently advanced high‑thrust engine (or combination) that can safely and reliably transport humans the 140 million miles to Mars and back.

Regards en tête

Il ne s'agit pas seulement de développer la technologie existante, mais aussi de réaliser des percées dans les matériaux qui survivent aux températures extrêmes, les réacteurs qui fonctionnent en toute sécurité dans l'espace et les techniques de fabrication qui réduisent les coûts et les délais. Les compromis entre la poussée, la pression, la masse, la fiabilité et la sécurité doivent être équilibrés par rapport à l'objectif primordial de la santé et du succès de la mission de l'équipage.