Introduction : Le rôle des véhicules Mars Ascent dans l'exploration humaine

Le retour des astronautes de la surface de Mars sur Terre est l'un des défis les plus redoutables en matière d'exploration spatiale. Bien que l'on accorde beaucoup d'attention à l'atterrissage de charges utiles lourdes et de personnel de soutien sur la planète rouge, le véhicule qui doit lancer les humains en orbite, le véhicule Mars Ascent (MAV), présente ses propres exigences extraordinaires.

Pour le contexte, les plans actuels pour les missions Mars en équipage — tels que NASA=Mars Architecture[ et SpaceX=2]Programme de vaisseau — envisager l'envoi d'un MAV prédéployé à Mars, alimenté sur Terre ou avec un propergol produit in situ. Le véhicule doit être assez puissant pour soulever les astronautes de Mars= gravité (0,38 g) tout en étant assez léger pour transporter de la Terre.

Défis environnementaux sur Mars

Mars présente un environnement beaucoup plus hostile que la Lune ou l'orbite terrestre basse. La planète (moins de 1% de la pression du niveau de la mer) est composée principalement de dioxyde de carbone, qui offre un lifting aérodynamique négligeable mais introduit une traînée et un potentiel de décharge statique. Les températures à la surface peuvent osciller d'un jour à un niveau élevé près de 20 °C à un niveau bas de nuit de −125 °C, et dans les régions polaires peuvent tomber à −195 °C. De tels extrêmes thermiques affectent chaque matériau et fluide du MAV, des composites structurels aux combustibles cryogéniques.

Effets atmosphériques sur la propulsion

La basse pression atmosphérique pose un défi important pour la conception des moteurs à fusées. Une buse conventionnelle optimisée pour l'atmosphère terrestre sera sur-expansée à Mars, ce qui entraînera une séparation du débit et une perte d'efficacité. Les ingénieurs doivent concevoir des buses avec des rapports d'expansion variables ou adopter des modèles de compensation d'altitude (comme les buses à aérospike ou à double ampoule) pour maintenir les performances tout au long du profil d'ascension.

Gestion thermique et tempêtes de poussière

Le MAV doit survivre à une exposition de surface à longue durée avant le lancement.Le contrôle thermique passif — à l'aide d'isolation multicouche, de matériaux de changement de phase et de radiateurs — est essentiel pour maintenir les réservoirs de propulseurs à des températures acceptables. Les tempêtes de poussières, qui peuvent couvrir la planète pendant des semaines, présentent des risques supplémentaires: les particules de poussière fines peuvent infiltrer les joints, enrober les panneaux solaires et créer une charge électrostatique importante qui peut endommager l'électronique.

Défis techniques dans la conception des véhicules

La construction d'un VAM implique l'intégration de la propulsion, des structures, de l'avionique et des systèmes d'équipage dans un véhicule qui doit fonctionner à des centaines de millions de kilomètres de la Terre avec une communication limitée.

Architecture du système de propulsion

Le choix du bon cycle de propulsion est un équilibre entre performance, simplicité et fiabilité. Les modèles MAV proposés appartiennent généralement à l'une des trois catégories suivantes : moteurs à fusées solides, bipropulseurs liquides ou moteurs hybrides.

  • Moteurs à bascule solides: Simples, fiables et capables de stocker pendant des années avec un entretien minimal. Cependant, ils offrent une impulsion faible spécifique (ISP) et ne peuvent pas être étriqués facilement, limitant la flexibilité du mode avorté.Les moteurs solides produisent également de grandes quantités de fumée et de particules qui pourraient interférer avec les capteurs d'atterrissage de précision sur l'ascension.
  • Moteurs bipropulseurs légers[: Capacité élevée de ISP et de gaz, mais nécessitant des turbopompes complexes, des injecteurs et des propulseurs cryogéniques ou storables. Les propulseurs inflammables (p. ex., le tétroxyde d'azote/monométhylhydrazine) sont dangereux à manipuler et ont des performances plus faibles.
  • Moteurs hybrides : Utilisez un combustible solide (p. ex. à base de caoutchouc) avec un oxydant liquide (p. ex., oxyde nitreux). Ils sont plus sûrs, moins chers et plus électrostatiques, mais ont un FSI inférieur aux liquides et sont moins matures techniquement pour les missions en équipage.

Les études actuelles de Mars Ascent Vehicle de la NASA, qui font partie de la campagne Mars Sample Return[, ont considéré une conception hybride solide-liquide en deux étapes pour équilibrer performance et simplicité.

Matériaux structurels et légèreté

Chaque kilogramme de masse MAV doit être livré à Mars, soit au débarquement, soit au déploiement préalable. Des matériaux à haute résistance, à faible densité tels que les composites en fibre de carbone, les alliages d'aluminium et de lithium et le titane sont essentiels. Le MAV doit aussi résister aux charges d'entrée, de descente et d'atterrissage de Mars (EDL), ainsi qu'aux vibrations induites par le lancement et aux environnements acoustiques.

Orientation, navigation et contrôle (GNC)

Pendant l'ascension, le MAV doit suivre une trajectoire précise pour se retrouver avec un vaisseau spatial en orbite ou un véhicule de transit lié à Mars. Le délai de communication (jusqu'à 22 minutes à sens unique) empêche la commande au sol en temps réel; le véhicule doit être entièrement autonome. Les systèmes GNC doivent fusionner les données des unités de mesure inertielles, des traceurs d'étoiles et éventuellement des caméras de surface. La faible atmosphère rend inefficaces les surfaces de commande aérodynamique, de sorte que la commande du vecteur de poussée (gimbale le moteur) et les propulseurs de commande de réaction prédominent.

Pouvoir et avionique

L'énergie nécessaire aux opérations de pré-lancement (p. ex., conditionnement des propulseurs, communications, chauffages) provient probablement de réseaux solaires ou d'un petit système d'alimentation en radioisotopes. Pendant l'ascension, les batteries doivent fournir une puissance élevée pour les pompes, l'avionique et la télémétrie.

Défis liés au carburant et à la propulsion

Le choix du propergol et la méthode de production sur Mars sont des facteurs de coûts et de risques critiques. Le propergol de la Terre est exorbitant et coûte cher; par conséquent, l'utilisation in situ des ressources (ISRU) est considérée comme une nécessité pour les missions humaines.

Utilisation des ressources in situ (IRU)

L'ISRU pour un VAM consiste généralement à extraire de l'eau du sol ou de l'atmosphère martien, à la diviser en hydrogène et en oxygène par électrolyse, et à combiner l'hydrogène avec l'atmosphère CO2 (par l'intermédiaire de la réaction Sabatier) pour produire du méthane (CH4) et de l'eau. Le méthane et l'oxygène sont liquéfiés et stockés.Ce processus a été démontré avec succès à petite échelle par l'instrument MOXIE sur la persévérance, qui a produit de l'oxygène à partir du CO2.

Les principaux enjeux sont les suivants :

  • Disponibilité des ressources[: La glace d'eau peut être concentrée dans les régions du milieu des latitudes; l'accès à celle-ci nécessite le forage et le chauffage, qui consomme de l'énergie.
  • Fuidité du procédé[: Le réacteur et la pile d'électrolyse de Sabatier doivent fonctionner de façon autonome pendant de longues périodes, manipuler les poussières, les oscillations de température et la désactivation du catalyseur.
  • La gestion des fluides ryogènes: Le stockage du méthane liquide (−162 °C) et de l'oxygène liquide (−183 °C) à la surface pendant des années avec un minimum d'ébullition nécessite une isolation avancée, un refroidissement actif (p. ex., cryocooleuses) et des technologies de décompression.
  • Contamination: La poussière martienne et les perchlorates dans le sol peuvent interférer avec les processus chimiques; les systèmes de filtration et de purification doivent être robustes.

Les autres systèmes de propulseurs incluent l'utilisation de l'oxygène uniquement produit à partir du CO2 (avec un combustible apporté de la Terre, comme l'hydrogène), mais l'hydrogène de faible densité et les difficultés de décompression le rendent moins attrayant.

Transfert et stockage de propergol

Avant le lancement, le propergol doit être transféré de l'usine ISRU vers les réservoirs MAV. Il s'agit d'un transfert cryogénique de fluide en basse gravité et dans un environnement poussiéreux, qui peut provoquer la cavitation, la séparation de phase et la formation de glace.

Une autre approche consiste à pré-débarquer un VAM déjà alimenté sur Terre, mais cela augmente considérablement la masse et le coût du lancement. Par exemple, un VAM entièrement alimenté à l'aide de propergols hypergoliques storables pourrait être construit, mais la toxicité et les performances inférieures exigeraient plus de masse pour la même charge utile.

Sécurité et redondance

Contrairement aux lancements terrestres, il n'existe pas d'infrastructure pour les tours d'évacuation ou les zones d'atterrissage d'avorter; une avortée pendant l'ascension de Mars serait probablement catastrophique à moins que le véhicule puisse retourner à la surface en toute sécurité avec un propergol suffisant.

Systèmes redondants et tolérance aux défauts

Le MAV doit réaliser au moins une architecture -opérationnelle --pour les sous-systèmes critiques: toute défaillance unique ne doit pas empêcher l'équipage d'atteindre l'orbite. Cela comprend les moteurs redondants (ou plusieurs moteurs qui peuvent échouer dans un groupe de propulsion -distribué--), les avioniques birédondants et plusieurs sources d'énergie indépendantes. Le système de propulsion devrait être capable de terminer l'ascension avec un moteur sorti, ce qui nécessite généralement au moins deux moteurs avec une marge de poussée suffisante.

Lancer les capacités d'annulation

Sur Terre, les systèmes d'avortage de lancement (p. ex., l'Apollon LES ou Orion , LAS) propulsent la capsule de l'équipage à l'écart d'une fusée en panne. Sur Mars, l'atmosphère est trop mince pour un avortage à base de parachute, et la gravité est plus faible, de sorte qu'un avortage à propulsion de fusée nécessite un moteur à haute poussée distinct. Certains modèles intègrent la capsule de l'équipage à un moteur d'avortage intégré qui peut tirer pendant quelques secondes pour tirer la capsule de l'étape principale. Cela ajoute masse et complexité.

Surveillance et intervention sanitaires autonomes

Avec un délai de communication, le MAV doit détecter les défauts et prendre des mesures correctives sans attendre les commandes au sol. Cela nécessite un système sophistiqué de surveillance de la santé qui compare les lectures des capteurs (températures, pressions, vibrations) aux modèles. Les techniques d'apprentissage automatique pourraient être utilisées pour prédire les défaillances des composants, mais pour les missions humaines initiales, des systèmes de détection et d'isolement des défauts fondés sur des règles plus simples et avec une redondance robuste des capteurs seront probablement utilisés.

Essais et vérification dans les milieux terrestres

Le développement d'un VAM évalué par l'équipage nécessite des essais approfondis sur Terre, mais il est extrêmement difficile de reproduire Mars, une faible gravité, une atmosphère mince et des conditions de surface.

Simulation de la montée en puissance zéro-G

Sur Terre, l'utilisation d'un banc d'essai ne peut que vérifier la performance du moteur à la pression du niveau de la mer, mais le moteur verra une pression de la contre-pression radicalement différente à mesure qu'il monte dans l'atmosphère de Mars. Une chambre de vide est nécessaire pour la simulation d'altitude, mais combiner une grande chambre de vide avec un moteur à fusée qui y tire. NASAs Plum Brook Station dispose de grandes installations de vide thermique adaptées aux essais du moteur, mais elles ne peuvent pas facilement simuler une trajectoire dynamique.

Essais de préparation opérationnelle

Les essais de stockage de longue durée sur Terre, qui exposent le matériel MAV à des températures et des cycles de poussières simulés sur Mars, peuvent valider les structures, l'isolation et la fiabilité électronique. Par exemple, l'électronique de croisière du Mars Science Laboratory a été testée dans des conditions semblables à celles de Mars.

Essais en vol dans l'Orbite terrestre

Une autre solution consiste à tester des prototypes de MAV sur orbite terrestre, en effectuant une ascension à partir d'une gravité martienne simulée (p. ex., en utilisant une centrifugeuse ou en tirant le moteur dans une trajectoire suborbitale). Le programme SpaceX Starship prévoit de démontrer le transfert et l'atterrissage de propergols sur la Lune, mais aucun essai spécifique à la MAV n'a été annoncé.

Orientations futures et collaboration internationale

Aucun organisme ou entreprise ne peut résoudre tous les défis du MAV seul. Des partenariats sont en cours pour tirer parti de différentes expertises.

NASA , études d'architecture et de MAV Mars

Les études de conception de MAV[ ont porté sur un véhicule à deux étages utilisant des moteurs solides pour la première étape et un hybride liquide-oxydant-solide-carburant pour la deuxième étape. Cette conception minimise la complexité du développement tout en réalisant les performances nécessaires pour une mission de retour d'échantillons. Pour les missions humaines, un véhicule plus grand équipé de moteurs liquides méthane/LOX est étudié dans le cadre de la campagne Exploration humaine de Mars. Les principales étapes comprennent des essais prototypes de moteurs au Centre spatial de Stennis de la NASA et des essais de stockage cryogénique à longue durée au Centre spatial Kennedy.

SpaceX est un vaisseau spatial comme un MAV ?

Elon Musk. SpaceX a proposé d'utiliser le vaisseau Star comme véhicule de montée de Mars. Le vaisseau Star est massif (masse sèche de 120 t) et devrait être ravitaillé sur Mars pour revenir sur Terre. Cela nécessite une énorme usine ISRU produisant des centaines de tonnes de méthane et d'oxygène, bien au-delà de la capacité actuelle. Cependant, si cette infrastructure est établie, Starship pourrait fournir un volume habitable considérable et la sécurité de l'équipage. Le défi principal est d'atterrissage Starship précisément et puis de le lancer à partir d'une surface accidentée.

ESA et contributions internationales

L'Agence spatiale européenne (ESA) contribue à la campagne Mars Sample Return avec l'Orbiter de retour de la Terre (ERO) et un rover de récupération. L'ESA étudie également les technologies ISRU, telles que l'extraction d'eau du régolith martien. Des ateliers conjoints entre la NASA et l'ESA sur la conception de MAV ont produit des concepts communs pour la propulsion et l'atterrissage.

Technologies émergentes

Plusieurs technologies émergentes pourraient atténuer les défis liés au VAM :

  • Fabrication additive: L'impression 3D de composants moteurs (par exemple, injecteurs, chambres de combustion) sur Mars pourrait réduire le nombre de pièces et permettre des réparations in situ.
  • Protection thermique avancée: Des aérocoques flexibles (p. ex., déciérateur aérodynamique gonflable hypersonore) pourraient être utilisés pour ralentir le MAV lors de l'entrée avant l'ascension, mais ils ajoutent de la complexité.
  • Propulsement électrique pour le relèvement de l'orbite[: Bien que ne convenant pas pour l'ascension, des propulseurs électriques pourraient être utilisés pour la deuxième étape du MAV=2 après avoir atteint l'orbite, mais la poussée élevée nécessaire pour l'ascension de l'équipage nécessite probablement une propulsion chimique.

Conclusion

L'ingénierie d'un véhicule Mars Ascent pour les missions humaines est un défi multidimensionnel qui repousse les limites de la propulsion, des matériaux, de l'autonomie et des opérations planétaires. Les extrêmes environnementaux de Mars — atmosphère de CO2, froid intense, tempêtes de poussières et faible gravité — exigent des solutions innovantes pour la conception des moteurs, le contrôle thermique et l'atténuation des poussières. La production de propergols via l'ISRU est essentielle mais présente des obstacles considérables en matière de fiabilité et de stockage cryogénique.

La voie à suivre est un progrès constant et progressif : affiner les technologies ISRU, construire et tester des prototypes de moteurs dans des conditions pertinentes pour Mars, et effectuer des missions de retour d'échantillons sans équipage pour prouver la performance des véhicules. La coopération internationale et les partenariats commerciaux accéléreront ce calendrier.