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Distance de Mars et exigences propulsives

Dossier - Mars : les données du voyage
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Mars, la plus accessible et la moins inhospitalière des planètes, riche d'un fabuleux potentiel scientifique et de ses ressources, s'impose comme le prochain objectif de l'exploration du système solaire. Mais que représente cette nouvelle avancée ?

  
DossiersMars : les données du voyage
 

Mars a beau être notre voisine, ce n'est quand même pas la porte à côté ! La planète rouge décrit son orbite autour du soleil à l'extérieur de la nôtre, en un peu moins de deux ans, et nous la « doublons » tous les 26 mois.

Dans ces situations de rapprochement, la distance peut descendre à 56 millions de km (ce qui a été le cas en août 2003), alors que lorsque les deux planètes se trouvent de part et d'autre du soleil sur leurs orbites, l'éloignement peut atteindre pratiquement 400 millions de km.

La circulation des planètes autour du soleil, les trajectoires du voyage et la variation de taille apparente de Mars en fonction de sa distance. Crédits : APM/R.Heidmann

Situons les ordres de grandeur : 56 millions de km, c'est environ le tiers de la distance qui nous sépare du soleil, 150 fois la distance de la Terre à la Lune ; imaginons la Terre réduite à une bille de 2 cm de diamètre, Mars, d'un diamètre de 1 cm, se trouverait alors à 100 m ! La lumière met 3 minutes pour franchir cette distance. Aucun doute, c'est beaucoup plus loin que la Lune ; voyager vers Mars, c'est vraiment quitter notre monde pour un autre.

Extraordinaire cliché de la conjonction de Mars et de la Lune de juillet 2003, donnant une idée de l'éloignement respectif des deux astres. Crédits : Dantowitz

A priori, on pourrait penser que se rendre beaucoup plus loin nécessite une bien plus grande consommation de « carburant » Nous utiliserons le terme propergol, qui désigne plus exactement le couple carburant-comburant utilisé dans un moteur-fusée chimique (à combustion). Il n'en est rien. Ainsi, à partir de l'orbite d'attente autour de la Terre, où sera assemblé et vérifié le vaisseau, la vitesse supplémentaire minimale à fournir est, pour s'élancer vers la Lune : de 3,125 km/s, pour s'élancer vers Mars : de 3,5 à 3,85 km/s selon la position de Mars sur son orbite. Pourquoi ? Parce qu'en fait la majeure partie de la vitesse supplémentaire à fournir est requise pour donner l'élan permettant de s'extraire du champ de gravité de la Terre, pour atteindre la fameuse « vitesse de libération » ; le complément pour atteindre Mars plutôt que la Lune est comparativement minime. Conséquence : les moteurs à hydrogène et oxygène liquides, développés pour la conquête de la Lune et couramment utilisés aujourd'hui, conviennent parfaitement ; nul besoin de nouvelles technologies de propulsion.

L'atmosphère de Mars, une ressource précieuse dont on va tirer profit pour : la mise en orbite, le freinage pour la descente, la descente finale (sous parachute) et la fabrication du propergol de remontée ! Crédits : NASA

Pour le retour, sur une trajectoire symétrique de la précédente, l'impulsion à donner depuis l'orbite de départ autour de Mars est par contre supérieure au cas de la Lune : 2 à 2,7 km/s (selon la position de Mars) contre 1,2, car le champ gravitationnel de la planète rouge est plus important que celui de notre petit satellite. En revanche, il est possible de « faire le plein » sur place ! Comment ? En produisant le propergol à partir du gaz carbonique de l'atmosphère martienne. Avec seulement 5 tonnes d'hydrogène liquide amenées de la Terre, on peut produire 100 tonnes de méthane - oxygène liquides, un excellent propergol. Un moyen décisif de réduire la masse initiale du vaisseau.

Schéma de l'unité de production in situ du propergol méthane – oxygène liquides, déjà expérimentée en laboratoire. Crédits : NASA/JPL

On entend aussi utiliser l'atmosphère pour la manoeuvre de freinage permettant, à l'arrivée, la mise en orbite autour de Mars, puis pour casser la vitesse résiduelle et se préparer à l'atterrissage.