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Ce dossier réalisé par Richard Heidmann vous fera découvrir tous les différents moyens de propulsion : chimique cryogénique, nucléothermique, électrique de forte puissance.
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 ;
- 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.
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.