Mars : Les moteurs du voyage - 16/05/2007

Richard Heidmann, apporte un complément à son précédent dossier du 1er Janvier "Mars les données du voyage". Dans ce dossier vous pourrez découvrir une partie plus techniques concernant le voyage sur Mars. Quels sont les moyens de propulsions, les techniques nécessaires..

Le projet ROVER-NERVA © Nasa

Nous l'avons vu dans le dossier « Mars : les données du voyage », la mission martienne habitée nécessite quatre manœuvres propulsives principales, relatives aux phases suivantes :

• l'injection sur trajectoire de transfert Terre - Mars, à partir d'une orbite de parking terrestre où est assemblé et vérifié le vaisseau ;

Retour d'un vaisseau © NASA

• le freinage final et l'atterrissage en douceur, étant entendu que la mise en orbite martienne est supposée réalisée « gratuitement » par freinage aérodynamique ;

• la remontée en orbite martienne, à l'aide de moteurs utilisant un propergol (Nous utiliserons le terme propergol, qui désigne le couple carburant - comburant utilisé dans un moteur-fusée chimique (à combustion). Ses composantes sont appelées ergols.) produit à la surface de Mars ;

• l'injection sur trajectoire de transfert Mars - Terre pour le retour.

Notons que dans le projet Mars Direct, les deux dernières manœuvres sont réalisées par le même vaisseau, à l'aide d'une fusée à deux étages. Dans la mission de référence NASA, au contraire, une capsule de remontée vient rejoindre le vaisseau de retour, resté en orbite martienne.

Nous nous limiterons ici aux manœuvres d'injection sur trajectoires de transfert, qui sont celles qui nécessitent les moteurs les plus puissants, étant appliquées aux plus gros modules du système. Dans le sens Terre - Mars, ce sont 3 vaisseaux d'une cinquantaine de tonnes chacun qu'il s'agit de propulser vers la planète rouge ; au retour, le vaisseau fera aussi plusieurs dizaines de tonnes. Les performances de ces systèmes de propulsion (masse, consommation) vont donc être particulièrement critiques pour le dimensionnement global du projet.

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Schéma global de la mission de référence - © NASA et APM

Trois familles de motorisation sont envisagées dans les différents projets pour ces manœuvres :

• la propulsion chimique cryogénique

• la propulsion nucléothermique

• la propulsion électrique de forte puissance.

Les deux premiers modes délivrent une poussée relativement élevée (quelques dizaines de tonnes) mais sur une très courte période (comparée à la durée du voyage de plusieurs mois) : de quelques dizaines de minutes à une heure. Ils fournissent donc aux vaisseaux de façon quasi-impulsionnelle un supplément de vitesse qui va leur permettre de parcourir la bonne trajectoire d'une planète à l'autre, sous la seule influence de l'attraction solaire. Les incréments de vitesse à fournir sont respectivement de :

• à l'aller : 3,46 à 3,77 km/s (suivant la position de Mars) pour le transfert le plus économique et le plus long (3,51 à 4,03 km/s pour un transfert limité à 6 mois) ;

• au retour : 2,42 à 2,7 km/s (2,66 à 2,73 pour 6 mois).

Le troisième mode, au contraire, est un mode à poussée faible (quelques kg-force !) mais continue. Le vaisseau quitte la Terre en spiralant sur une orbite de plus en plus éloignée et, sur sa trajectoire interplanétaire, commence par continuer à accélérer, puis entre dans une phase de freinage longtemps avant d'aborder Mars. L'impulsion de vitesse fournie est bien plus forte (elle peut atteindre 30 km/s). Mais ces moteurs disposant d'une source d'énergie inépuisable (solaire ou nucléaire) et consommant très peu de fluide propulsif, c'est acceptable.

Dans un moteur « chimique » l'énergie nécessaire à l'expulsion des gaz de propulsion à très grande vitesse par la tuyère provient d'une réaction de combustion entre un carburant et un comburant (les deux composants du propergol). Les moteurs chimiques les plus performants, c'est-à-dire ceux qui, pour délivrer une poussée donnée, consomment le moins de propergol par seconde, sont ceux fonctionnant avec le couple hydrogène – oxygène. Dans les conditions du vide spatial, 1 tonne de ce couple permet de produire une poussée de 1 tonne-force pendant 460 s (cette durée est appelée impulsion spécifique du moteur).

Schéma d'un moteur chimique à ergols liquides

Ces deux corps, gazeux à la température ordinaire, sont stockés sous forme liquide dans les réservoirs de la fusée. On les appelle cryogéniques (qui génèrent du froid) car les maintenir à l'état liquide nécessite des températures extrêmement basses : -253°C pour l'hydrogène, -182°C pour l'oxygène. Ceci impose de recouvrir les réservoirs de matériaux isolants particulièrement efficaces. Une autre caractéristique de ce propergol, déterminante pour l'architecture des fusées, est la très faible densité de l'hydrogène liquide : 1000 litres (1 m3) ne représentent que 70 kg, contre 1000 pour l'eau ! Le réservoir d'hydrogène est donc très grand.

Moteur principal de la navette © Nasa

Comment fonctionne un tel propulseur ? On peut distinguer trois fonctions principales : alimentation du moteur en ergols, apport d'énergie (par combustion de ces ergols) et éjection des gaz à haute température et haute pression ainsi produits.

• L'alimentation consiste à soutirer les ergols dans les réservoirs, où ils sont maintenus en légère surpression (de l'ordre de 1 bar), pour les injecter à grand débit (par exemple 270 kg/s dans le cas du Vulcain 2 d'Ariane 5) et à très haute pression (une à plusieurs centaines de bars) dans la chambre de combustion. Plus la pression de la chambre est élevée, plus il est possible de réduire la taille et la masse du moteur (elle est de 110 bars pour le Vulcain 2, 205 pour le SSME de la navette !). La mise en surpression, avec les débits considérables en jeu, est assurée par des pompes entraînées par une ou deux puissantes turbines (5 000 et 16 000 chevaux pour le Vulcain 2), elles-mêmes entraînées par des gaz chauds. Dans les moteurs les moins compliqués, ces gaz sont produits par un générateur de gaz, petite chambre de combustion annexe alimentée par des dérivations des circuits d'alimentation principaux (voir schéma).

• La combustion a lieu dans la chambre ou foyer, le cœur du moteur, qui doit résister à des températures atteignant 3300°C ! L'astuce consiste à injecter l'hydrogène en bas de la chambre et à le faire circuler à contre-courant dans une double paroi. On parvient ainsi à maintenir la paroi de la chambre à une température supportable, tout en réchauffant l'hydrogène avant son entrée dans le foyer de combustion. Les deux ergols pénètrent dans la chambre au travers de la plaque d'injection, sorte de « pomme d'arrosoir » sophistiquée, qui doit permettre un mélange très rapide des deux fluides, afin que la combustion soit terminée avant l'éjection.

Le moteur Vulcain de la fusée Ariane 5 utilise la propulsion cryogénique

• L'éjection à lieu au travers de la tuyère, dont la forme est optimisée pour obtenir la meilleure mise en vitesse des gaz de la chambre, avec le minimum de pertes. Cette tuyère doit aussi être refroidie, mais divers procédés peuvent être appliqués suivant la partie où l'on se trouve, la température décroissant au fur et à mesure de la détente. Ainsi, la partie aval du divergent peut être refroidie par simple rayonnement.

Pour l'application martienne, l'avantage déterminant de la propulsion cryogénique est d'être parfaitement maîtrisée. Elle est utilisée non seulement sur la navette, mais aussi sur des lanceurs commerciaux, comme Ariane 5. Son choix ne nécessiterait donc pas de nouveaux développements ; on utiliserait des moteurs existants. On y gagnerait donc en coût et en sécurité. Un autre atout est son fort niveau de poussée, qui permet de réduire les pertes par gravité qui se produisent lorsque les moteurs sont de plus faible poussée et que la durée de la manœuvre de propulsion doit être prolongée. Enfin, sa masse à vide (masse du système sans les ergols) est la plus faible. Par contre, à poussée égale, elle consomme deux fois plus que la propulsion nucléothermique et de 10 à 30 fois plus que la propulsion électrique ! Ces deux caractéristiques (masse à vide et consommation) interviennent au premier chef dans le dimensionnement du vaisseau (masse initiale en orbite terrestre).

Si aucun moteur de ce type n'a jamais volé, Américains et Soviétiques ont, au cours des années 60 et au début des années 70, mené des programmes très importants qui ont, confirmé la faisabilité du concept. Dans le désert du Nevada, des prototypes on développé jusqu'à 100 tonnes de poussée et fonctionné une heure d'affilé !

Années 60 : prototype sur son site d'essai © NASA

Dans un moteur nucléothermique, l'énergie nécessaire à l'expulsion des gaz de propulsion n'est pas fournie par une combustion mais par un réacteur nucléaire à fission. La chaleur dégagée par celui-ci est utilisée pour chauffer de l'hydrogène, qu'on éjecte ensuite dans une tuyère, de manière tout à fait comparable à un moteur chimique. Un moteur-fusée éjectant un gaz chaud au travers d'une tuyère est d'autant plus efficace, pour une température de chambre donnée, que ce gaz est léger. Le choix de l'hydrogène confère au moteur nucléothermique un énorme avantage par rapport au moteur chimique qui expulse principalement des molécules d'eau, 9 fois plus massives que la molécule d'hydrogène.

Schéma d'un moteur nucléothermique

On retrouve les même fonctions de base que dans le cas précédent : alimentation, apport d'énergie, éjection.

L'alimentation utilise les mêmes principes et les mêmes technologies. C'est un peu plus simple car il n'y a qu'un fluide à pomper (l'hydrogène). Par contre, comme on ne dispose pas d'oxydant à bord, la solution la plus directe pour entraîner la turbopompe est d'utiliser un prélèvement de gaz chauds sur la chambre (voir schéma, où l'hydrogène liquide est représenté en bleu, l'hydrogène gazéifié et chaud en rouge).

L'apport d'énergie se produit par échange thermique entre la structure du cœur nucléaire et l'hydrogène qu'on y fait circuler. Cette structure, dans la configuration la moins évoluée étudiée autrefois par les Américains, est constituée d'un bloc de graphite percé d'une multitude de puits longitudinaux. Certains de ces puits reçoivent les éléments de combustible nucléaire (à base d'uranium enrichi), d'autres les barres de contrôle permettant de maîtriser le régime de la fission, d'autres, enfin, servent de passage à l'hydrogène. Le graphite avait été choisi pour ses qualités de résistance aux hautes températures et son excellente conduction thermique. Par contre, il présentait de sérieuses difficultés liées à sa fragilité (il s'écaillait).

Schéma d'un moteur nerva - 1) Base du réservoir d'hydrogène liquide - 2) Bouteilles sphériques de pressurisation - 3) Supports structurels - 4) Bouclier anti-radiations - 5) Réflecteur entourant le noyau du réacteur - 6) Réacteur nucléaire modéré au carbone (avec des conduits à travers lesquels le LH2 gicle à haute pression) - 7) Tube de refroidissement de la tuyère - 8) Tuyère - 9) Extension de la tuyère - 10) Débit du réacteur vers la turbine - 11) Coque de pression - 12) Cylindre de contrôle - 13) Echappement de la turbine (pour le contrôle d'attitude et l'augmentation de la poussée) - 14) Anneaux des commandes du cylindre de contrôle

La température du cœur pouvait atteindre avec cette technologie environ 2200 – 2300°C. Une température aussi élevée que possible est, avec la légèreté des gaz, le facteur dominant de performance. Avec des conceptions plus avancées, développées entre-temps et utilisant des céramiques à base de carbures métalliques, la température pourrait être portée à 2700 - 2800°C, tout en assurant une meilleure intégrité structurale. On atteindrait alors un niveau de performance double de celui des moteurs chimiques (consommation deux fois moindre ; impulsion spécifique de 940 s).

L'éjection se produit selon les mêmes principes que dans le cas précédent. A noter cependant que la température plus faible des gaz facilite la réalisation de la tuyère.

Le gain en consommation constitue l'avantage majeur de cette technologie. Malheureusement, d'autres facteurs en réduisent fortement la portée :

• masses mortes : le moteur en lui-même est beaucoup plus massif qu'un moteur chimique (2,2 tonnes, masse comparable à celle du moteur Vulcain, pour une poussée presque 20 fois moindre) ; il faut sur la fusée un bouclier anti-radiations (estimé à 3,2 tonnes dans le projet de référence NASA) ; les réservoirs d'hydrogène, très grands, représentent une masse supplémentaire ;

• altitude de sécurité : pour éviter que le moteur ne retombe accidentellement dans l'atmosphère après avoir été mis en marche (et donc être devenu radioactif), il est nécessaire que la fusée de lancement le place sur une orbite d'au moins 800 km d'altitude ; ceci induit une perte de performance du lanceur estimée à 15 % ;

• limitation de la poussée : les impératifs de protection de l'environnement, qui n'avaient pas cours à l'époque des premiers développements, obligeraient à construire un banc d'essai en boucle fermée ; pour en limiter les coûts, la poussée des moteurs serait limitée (le projet NASA table ainsi sur un poussée de 7,5 tonnes, contre 100 tonnes à l'origine) ; ce faible niveau de poussée oblige à une manœuvre propulsive prolongée qui augmente les pertes par gravité ;

• pertes à l'extinction : lorsqu'on arrête le moteur, le cœur continue néanmoins à produire pendant un certain temps de la chaleur, qu'il faut évacuer ; ceci consomme un supplément d'hydrogène dans de mauvaises conditions d'utilisation.

La prise en considération de l'ensemble de ces facteurs amène à conclure que, pour une masse de vaisseau utile à lancer vers Mars donnée, le gain en en masse ne serait probablement que de l'ordre de 20 %. Cela reste séduisant, et explique que cette technologie soit considérée dans les projets officiels. De notre point de vue cependant, celle-ci ne « paie pas » son droit d'entrée (surcoût du programme martien de l'ordre de 10 %). En effet, elle n'offre pas de perspectives de développement ultérieur ni d'applications autres que les voyages habités vers Mars et la Lune (pour lesquels la propulsion cryogénique suffit). Mais surtout, contrairement à la propulsion électrique de forte puissance, on va le voir, elle ne permet pas non plus de réduire radicalement la durée de la mission, objection faite au projet de mission martienne…

Dans un moteur électrique, l'énergie est fournie par une source de puissance électrique (panneaux solaires, générateur électronucléaire) et le « fluide propulsif » est constitué d'atomes électrisés (ions, par exemple de Xénon) que l'on accélère au moyen de champs électriques, magnétiques ou électromagnétiques. Il est possible de porter ces ions à des vitesses d'éjection 10 à 30 fois plus importantes que les molécules des moteurs précédents, ce qui entraîne une consommation réduite dans le même rapport (impulsion spécifique de 4 500 à 12 000 s, voire plus). Différents modes de réalisation ont fait l'objet de travaux depuis le début de l'ère spatiale, et certains connaissent des applications opérationnelles. Mais jusqu'à présent la poussée de ces moteurs reste très faible, dans la gamme de 0,1 à 1 Newton (10 à 100 g-force)… Impossible de propulser un vaisseau de 50 tonnes avec une telle poussée, même en prenant son temps ! Il faudrait au moins 100 fois plus, de l'ordre de 100 Newton. Or, multiplier par 100 la poussée conduit, c'est multiplier par 10 000 la puissance électrique à fournir au moteur, c'est-à-dire, grosso modo, à passer du kW à 10 000 kW (10 mégawatt) !

Projet de sonde martienne à propulsion nucléoélectrique © NASA

Avec des panneaux solaires, il faudrait une surface de 5 hectares, représentant une masse de 100 tonnes… Irréaliste. La solution, c'est un générateur électronucléaire, un petit réacteur qui chauffe un gaz servant à entraîner un turboalternateur. Seulement, pour dissiper la chaleur en excès on doit utiliser un radiateur, d'immenses plaques dans lesquelles serpente le fluide après son passage dans la turbine et qui rayonnent face au vide. Et pour les puissances dont on parle, ces panneaux seront très grands, donc lourds. Pour une sonde automatique, telle que représentée ici, on serait capable aujourd'hui de construire un générateur de la gamme 100 kW ayant une masse de 2,5 tonnes, soit 40 kW par tonne. La simple extrapolation à un vaisseau habité martien de 10 000 kW conduirait à une masse de 250 tonnes : beaucoup trop ! Il va falloir viser 200 kW par tonne, ce qui passe par la maîtrise de technologies telles que : turbine à température élevée, radiateur en carbone, rendement de la turbine et de l'alternateur élevés, alternateur supraconducteur… Un sérieux défi !

Schéma d'un moteur ionique

Nous ne décrirons pas tous les modes de réalisation possibles. A vrai dire, pour l'application du voyage martien, où l'on vise à avoir à la fois une faible consommation et une « forte » poussée, trois types retiennent l'attention : le moteur ionique (voir schéma), le moteur Magnéto Plasma Dynamique (MPD) et le moteur « VASIMR », apparu plus récemment.

Dans un moteur ionique, le fluide propulsif, par exemple du Xénon, est ionisé par des décharges d'électrons. Les ions ainsi produits sont ensuite accélérés par un champ électrique établi entre deux grilles parallèles. Afin de ne pas charger progressivement le vaisseau, il faut enfin neutraliser la charge électrique du jet de matière en y réinjectant des électrons. Ce type de moteur a fait ses preuves récemment sur la sonde interplanétaire Deep Space 1, avec une puissance maximale de 2,5 kW et une impulsion spécifique de 3 000 s. Les travaux actuels visent à augmenter les puissances et l'impulsion spécifique (6 000 à 9 000 s). Un problème majeur, lorsqu'on augmente la puissance, est la durée de vie de certains éléments du moteur.

Dans un moteur MPD, le fluide est également ionisé par décharge, mais accéléré par l'effet d'un champ magnétique. Les travaux de pointe portent actuellement sur des prototypes de 1 mégawatt développant une impulsion spécifique de 9 000 s. Là également, des difficultés d'usure restent à surmonter.

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Le VASIMR, développé par le physicien et astronaute Franklin Chang-Diaz, s'affranchit des limitations du moteur chimique (restreint en apport d'énergie) et du moteur nucléothermique (restreint en température par la tenue des matériaux). A l'aide de micro-ondes, on produit un plasma (mélange d'ions et d'électrons) à très haute température. Ce plasma est confiné et éjecté dans une « bouteille magnétique », évitant ainsi le contact du plasma avec les parois du moteur. L'impulsion spécifique pourrait atteindre 30 000 s (12 000, selon certains spécialistes de la physique des plasmas). On peut de plus faire varier (en sens inverse) poussée et impulsion spécifique. Cela permet de minimiser les pertes par gravité au voisinage des planètes, en fonctionnant à poussée maximale, tout en minimisant la consommation pendant les phases de croisière (fonctionnement à impulsion spécifique maximale). Un long travail reste cependant à mener, avec deux objectifs majeurs : un rendement énergétique du moteur (pourcentage de conversion de l'énergie électrique en énergie cinétique dans le jet) de 40 à 50 %, et une puissance spécifique du générateur d'au moins 200 kW/tonne.

Le moteur Vasmir © Nasa

Si ce concept tient ses promesses, ou si l'on parvient à extrapoler en puissance l'ionique ou le MPD, on divisera par 2 la durée des trajets (3 mois au lieu de 6) et de par 4 la durée de mission (7 mois au lieu de 30).