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Une nouvelle orbite de transfert faciliterait la colonisation de Mars

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La technologie des moteurs en astronautique n'est pas encore suffisamment avancée pour permettre de visiter facilement le Système solaire. La navigation interplanétaire fait donc usage d'astuces pour des transferts d'orbite pour économiser du carburant. On vient d'en trouver une pour Mars qui permettrait de s'affranchir des contraintes des fenêtres de lancement pour la coloniser.

Curiosity : un an sur Mars en deux minutes  Découvrez dans ce timelapse une année d'exploration martienne en deux minutes. Curiosity est à l'oeuvre : le rover roule, creuse... © NASA/JPL 

Les moteurs ioniques sont en plein développement et ils sont encore loin d'atteindre les performances, en ce début de XXIe siècle, dont rêvait Stewart Cowley dans son célèbre livre Vaisseaux de l’espace de l’an 2000 à l’an 2100 (une très belle animation à voir surVimeo,donne vie aux peintures de l'ouvrage). L'existence de l'antigravité est douteuse même si le Cern est parti à sa chasse. Il n'est donc pas possible d'annuler la gravité pour des vaisseaux qui voyagent dans le Système solaire. Il faut donc encore d'importantes quantités de carburant et de comburant pour naviguer entre les planètes en respectant les lois de la mécanique céleste et du transfert d'orbite. C'est pour ces raisons que le projet Mars One n'envisage qu'un aller simple pour de futurs colons martiens dans les décennies à venir.

Le projet Mars One envisage de faire débuter la colonisation de Mars au cours des années 2020 avec des volontaires pour un voyage sans retour. © euronews, YouTube

Ce projet a bien évidemment été l'objet de vives critiques. En cas de problèmes, les hommes et les femmes débarqués sur la planète rouge ne pourraient compter que sur eux-mêmes et attendre l'arrivée tous les deux ans environ de nouveaux colons avec, de surcroît, de nouveaux bagages. On imagine sans peine que ce délai est bien trop long s'il s'agit de faire venir un nouveau médecin, des médicaments ou une pièce de rechange capitale pour le système de survie des colons et qui ne peut faire l'objet d'une impression 3D sur place.

Une alternative à l’orbite de transfert de Hohmann

Toutefois, il existe des astuces pour la navigation spatiale qui permettent d'envisager de prendre des raccourcis quand on se déplace dans le Système solaire. On sait que l'assistance gravitationnelle a permis la réalisation de plusieurs missions qui autrement auraient nécessité de trop grandes quantités de carburant ou l'existence de moteurs ioniques très performants. Parmi les plus célèbres, on peut citer les sondes Voyager et, plus récemment, Rosetta.

L’orbite de transfert de Hohmann est ici en rouge. Une mise en route des moteurs produit un changement de vitesse, ΔV1, pour passer d’une orbite circulaire basse à l’orbite lunaire. Au point d’intersection de l’orbite de transfert avec l’orbite lunaire une seconde et brève mise en route des moteurs change à nouveau la vitesse selon un vecteur de valeur ΔV2. Ces changements de vitesse sont gourmands en carburant et réduisent la charge utile des sondes ou des modules habités. © Society for Industrial and Applied Mathematics

Il existe une autre technique consommant peu de carburant et comburant découverte dans les années 1980 par le mathématicien Edward Belbruno. D'ordinaire, on utilise ce qu'on appelle des transferts d'orbite de Hohmann qui nécessitent de brusques changements de vitesse temporaires. Mais l'expertise de Belbruno dans le domaine de la théorie des systèmes dynamiques et surtout de la théorie du chaos appliquée à l'astronautique lui ont permis d'envisager un nouveau transfert d'orbite reposant sur de faibles changements de vitesse et donc à basse consommation. Initialement, ces collègues du Jet Propulsion Laboratory (JPL) à la Nasa ne l'ont pas pris au sérieux. Il en fut tout autrement avec ses collègues de la Jaxa, l'agence spatiale japonaise, qui était confrontée à un problème avec leurpremièresonde lunaire Hiten (du nom d'un ange volant musicien du panthéon bouddhiste) en 1991.

Hiten était la première sonde lunaire robotisée depuis Luna 24 (1976)de l'ex-Union soviétique. Elle était aussi la première à explorer notre satellite naturel, lancée par un État autre que l'ex-URSS ou les États-Unis. Grâce aux idées de Belbruno, elle a finalement pu entrer sur une orbite lunaire temporaire alors que cette partie de sa mission semblait un temps compromise.

Un schéma montrant la trajectoire économe en carburant découverte par Belbruno et son collègue pour des missions à destination de Mars (rp est l'équivalent de la distance du périhélie pour une orbite planétaire et e désigne l'excentricité d'une telle orbite. Elle est inférieure à 1 pour une orbite elliptique comme celle que l'on voit en pointillés autour de Mars). Il s'agit de la même technique de capture balistique qui a fait le succès de la mission lunaire japonaise Hiten. © Francesco Topputo et Edward Belbruno

Une capture balistique pour les missions martiennes

Encore appelée technique de capture balistique, cette méthode de transfert d'orbite à basse consommation qui a été utilisée plusieurs fois depuis (par exemple avec la sonde lunaire Smart 1), a des avantages et des inconvénients. Elle nécessite, on l'a dit, peu de carburant ce qui est autant de gagner pour la charge utile. Mais comme elle se sert des caractéristiques des champs de gravitation des corps célestes et de leurs mouvements, les trajets sont plus longs qu'en utilisant des orbites de Hohmann. Ainsi, Hiten a dû voyager pendant plusieurs mois au lieu des quelques jours prévus pour atteindre son objectif.

Edward Belbruno et son collègue Francesco Topputo de l'École polytechnique de Milan viennent cependant de mettre sur arxiv un article qui peut intéresser les organisateurs de Mars One. Les deux chercheurs estiment en effet que l'on peut faire de la capture balistique avec Mars. Le temps de trajet serait plus long de quelques mois qu'avec une orbite de Hohmann (six mois), mais la mise en orbite serait plus sûre. Mais le point capital dans le scénario proposé par les deux hommes est que l'on s'affranchit largement de la problématique de la fenêtre de lancement avec un transfert de Hohmann. Plutôt que d'attendre environ deux ans entre chaque nouvelle mission à destination de Mars à cause des contraintes des mouvements planétaires et des orbites de Hohmamn, il serait alors possible, en utilisant le technique de capture balistique, d'envoyer un cargo ou un module habité à tout moment ou presque.

Si Belbruno et Topputo ont raison, les perspectives ouvertes pour la colonisation de Mars sont donc prometteuses. Non seulement il devient donc théoriquement possible d'envoyer une plus grande charge utile pour un même coût de lancement en direction de la planète rouge, mais elle pourrait s'élancer dans cette direction dès que ce serait nécessaire pour les besoins des colons martiens, quand bien même le temps du trajet serait encore d'une dizaine de mois.

Une vue d'artiste d'une mission habitée à destination de Mars. © Nasa