Preparation for Testing of Mars Landing Radar

This image shows March 25, 2010, preparations for testing for a radar that will serve during the next landing on Mars. This day's work evaluated a setup for suspending a rover mock-up beneath a helicopter at Hawthorne Municipal Airport, Hawthorne, Calif.

During the final stage of descent of the NASA Mars Science Laboratory rover, Curiosity, to the surface of Mars in 2012, a rocket-powered descent stage will lower the rover on a tether directly to the ground. This rover is too big for the airbag-cushioned landing method used by the Mars Pathfinder mission in 1997 and Mars Exploration Rover landings in 2004.

At Mars, a radar on the descent stage will track the decreasing distance to the surface during descent. Helicopter-flown testing of the radar system for the mission includes checking whether the suspended rover might confuse the radar about the speed of descent toward the ground. This image shows mechanical testing of the system for suspending a rover mock-up for the later radar test, before the engineering test model of the landing radar was mounted onto the helicopter.

Wolfe Air Aviation, of Pasadena, Calif., provided the helicopter and flight services for the testing by a team of engineers from NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena.

The Mars Science Laboratory mission, managed by JPL for the NASA Science Mission Directorate, Washington, is in assembly and testing for launch in autumn 2011 and delivering the rover Curiosity to Mars in summer 2012.

Engineers Flex Curiosity's Robotic Arm and Tools

In this image, the robotic arm for the Mars Science Laboratory undergoes testing in a laboratory at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif. The arm and tools will reach out and test martian rocks and soil. This arm is identical to the flight hardware that will actually be attached to Curiosity.

This image was taken at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., which manages the Mars Science Laboratory Project for the NASA Science Mission Directorate, Washington. JPL is a division of the California Institute of Technology.

TESTS

Testing the GRAIL Twins

In this photo, taken April 29, 2011, technicians install lifting brackets prior to hoisting the 200-kilogram (440-pound) GRAIL-A spacecraft out of vacuum chamber after testing. Along with its twin GRAIL-B, the GRAIL-A spacecraft underwent an 11-day-long test at Lockheed Martin Space Systems in Denver that simulated many of the flight activities they will perform during the mission, all while being exposed to the vacuum and extreme hot and cold that simulate space.

Preparing for a Mars Radar Test

In advance of a testing flight at NASA Dryden Flight Research Center, members of the test team prepare the engineering model of the Mars Science Laboratory descent radar on the nose gimbal of a helicopter. The yellow disks are the radar's antennae.

From left, the team members pictured are Brian Lataille, of Wolfe Air Aviation, Pasadena, Calif.; Scott Shaffer (inside the helicopter), NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena; Charles Fisher, JPL; Hannah Goldberg (behind Fisher), JPL.

The helicopter carrying the test radar flew pre-planned flight trajectories over Rogers Dry Lake at Edwards Air Force Base to simulate the rover's descent stage carrying the Mars rover Curiosity to the surface of Mars in August 2012.

Wolfe Air provided the Eurocopter AS350 helicopter and crew for the tests. The helicopter's Gyron gimbal mounting system, provided by Nettmann Systems International, usually carries aerial video camera equipment for the motion picture industry.

NASA's Jet Propulsion Laboratory, a division of the California Institute of Technology in Pasadena, manages the Mars Science Laboratory Project for NASA's Science Mission Directorate, Washington. The project will launch Curiosity in late 2011 on a mission to one of the most intriguing areas on Mars, where it will investigate w

Observing a Rover Pivot Test

Observing a Rover Pivot Test

Rover team members Kim Lichtenberg and Joseph Carsten watch motions of a test rover at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., as the rover carries out commands for driving forward with an arc toward the right. The experiment was designed to assess whether this maneuver could pivot the rover around the immobile right-front wheel, since the right-front wheel on NASA's rover Spirit has been inoperable for more than three years.

This work on July 15, 2009, was part of a series of tests at JPL designed to determine the best way to get Spirit out of a Martian patch of soft soil called "Troy," where Spirit's wheels have dug in. The test setup, in a box that team members are calling the dustbin, simulates the situation at Troy. The box holds about 2.7 tons of a powdery mixture of diatomaceous earth and fire clay. This material has physical properties similar to the soil at Troy. The top surface is sloped at 10 degrees.

Test Image by Mars Descent Imager

The Mars Descent Imager for NASA's Mars Science Laboratory took this image inside the Malin Space Science Systems clean room in San Diego, Calif., during calibration testing of the camera in June 2008. It shows the instrument's deputy principal investigator, Ken Edgett, holding a six-foot metal ruler that was used as a depth-of-field test target. The camera is focused at 7 meters (23 feet) so that everything between about 2 meters (7 feet) and infinity is in focus. This image shows a slightly out-of-focus rock (a rounded cobble of Icelandic basalt with tiny crystals and vesicles) at a distance of about 70 centimeters (2.3 feet), equivalent to the distance the camera will be from the ground after the rover has landed.

Lowering SAM Instrument into Curiosity Mars Rover

The Sample Analysis at Mars (SAM) instrument, largest of the 10 science instruments for NASA's Mars Science Laboratory mission, will examine samples of Martian rocks, soil and atmosphere for information about chemicals that are important to life and other chemical indicators about past and present environments.

NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md., built SAM. The 40-kilogram (88-pound) instrument includes three laboratory tools for analyzing chemistry, plus mechanisms for handling and processing samples.

In this photograph, technicians and engineers inside a clean room at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., lower SAM into the mission's Mars rover, Curiosity, for installing the instrument. The rover is upside-down with its belly pan removed for access to the interior. The photograph was taken on Jan. 6, 2011.

The analytical tools in SAM are a mass spectrometer built by NASA Goddard, a gas chromatograph built by French partners supported by France's national space agency in Paris, and a laser spectrometer built by JPL. SAM's sample manipulation system, including 74 sample cups for carrying powdered samples to two ovens, was built by Honeybee Robotics, New York. Curiosity's robotic arm will deliver powdered samples, drilled from rocks or scooped from soil, to SAM's inlet tubes on top of the rover deck. Ovens will heat most samples to about 1,000 degrees Celsius (about 1,800 degrees Fahrenheit). SAM will take in atmospheric samples through separate ports on the side of the rover. Inside SAM are more than 600 meters (more than 650 yards) of wiring, 52 microvalves, a soft-drink-can-size pump that rotates 100,000 times per minute, and many other components.

NASA will launch Curiosity from Florida between Nov. 25 and Dec. 18, 2011, together with other parts of the Mars Science Laboratory spacecraft for delivering the rover to the surface of Mars in August, 2012. During a prime mission lasting one Mars year (two Earth years), researchers will use the rover in one of the most intriguing areas of Mars to investigate whether conditions there have been favorable for microbial life and favorable for preserving evidence about whether life has existed.

JPL, a division of the California Institute of Technology in Pasadena, manages the Mars Science Laboratory mission for the NASA Science Mission Directorate, Washington.

Sandbox Tracks from Rover Testing

Rover team members at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., on July 24, 2009, discuss the next step in preparing for a new phase in testing of possible moves for getting NASA's Mars rover Spirit out of a sandtrap on Mars. From left: Matt Van Kirk, Joseph Carsten, Kim Lichtenberg, Pauline Hwang.

The team members removed the rover from the soft soil of the test setup at JPL using some aids not available on Mars, such as plywood ramps. A series of tests had been completed for evaluating various individual maneuvers, such as driving straight ahead, turning in place or crabbing to the side. The next step was to renew the simulated Martian soil in the sandbox. Then the rover would drive in again, backwards, the way Spirit drove into the location where it became embedded. Upcoming tests will use combinations of the individual maneuvers and longer-duration drives, to evaluate a full escape strategy for Spirit.

Installation of Curiosity's Wheels and Suspension

With the wheels and suspension system already installed onto one side of NASA's Mars rover Curiosity the previous day, spacecraft engineers and technicians prepare the other side's mobility subsystem for installation on June 29, 2010.

Personnel for NASA's Mars Science Laboratory mission are assembling and testing Curiosity, plus the mission's cruise stage and descent stage for launch from Florida during the period Nov. 25 to Dec. 18, 2011, and arrival at Mars in August 2012.

This scene is inside the Spacecraft Assembly Facility at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.

Preparing for Rover Pivot Test

In this view from behind a test rover at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., the rear wheels of the rover are turned toward the left, and the left-front wheel is turned toward the the right. Bruce Banerdt, project scientist for Spirit and Opportunity, measures the rover's position before the rover receives commands to drive a forward right arc.

The experiment was designed to assess whether this maneuver could pivot the rover around the immobile right-front wheel, since the right-front wheel on NASA's rover Spirit has been inoperable for more than three years.

This work on July 15, 2009, was part of a series of tests at JPL designed to determine the best way to get Spirit out of a Martian patch of soft soil called "Troy," where Spirit's wheels have dug in. The test setup, in a box that team members are calling the dustbin, simulates the situation at Troy. The box holds about 2.7 tons of a powdery mixture of diatomaceous earth and fire clay. This material has physical properties similar to the soil at Troy. The top surface is sloped at 10 degrees.

Mars Descent Imager for Curiosity

This Mars Descent Imager (MARDI) camera will fly on the Curiosity rover of NASA's Mars Science Laboratory mission.

The downward-looking camera will take about four frames per second at nearly 1,600 by 1,200 pixels per frame for about the final two minutes before Curiosity touches down on Mars in August 2012. Malin Space Science Systems, San Diego, Calif., supplied MARDI and two other camera instruments for the mission. A pocketknife provides scale for the image.

Mast Camera View of Curiosity's Deck

The left eye of the two-camera Mast Camera (Mastcam) instrument on NASA's Mars rover Curiosity took the images combined into this mosaic of the rover's upper deck. The images were taken in March 2011. At the time, Curiosity was inside a space simulation chamber at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., for testing under thermal conditions like those the rover will experience on the surface of Mars.

Mastcam's left eye, Mastcam 34, has a 34-millimeter focal length lens providing a medium field of view. The instrument's right eye, Mastcam 100, has a 100-millimeter telephoto lens. Malin Space Science Systems, San Diego, built the instrument and two other cameras on Curiosity.

The front of the rover is toward the right in this image. On the left is the outer cover for the mission's nuclear power source, a radioisotope thermoelectric generator. At far right is the turret a the end of Curiosity's robotic arm. The light-colored hexagonal object in the top left quadrant of the mosaic is the high-gain antenna, which is about 10 inches (25 centimeters) across.

JPL, a division of the California Institute of Technology in Pasadena, manages the Mars Science Laboratory Project for the NASA Science Mission Directorate, Washington.

Curiosity's Robotic Arm and Tools

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This image was taken at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., which manages the Mars Science Laboratory Project for the NASA Science Mission Directorate, Washington. JPL is a division of the California Institute of Technology.

Tilt-Table Testing for Curiosity's Robotic Arm

Testing of the robotic arm on NASA's Mars rover Curiosity on Sept. 3, 2010, included movements of the arm while the rover was on a table tilted to 20 degrees to simulate a sloped surface on Mars. Technicians and engineers monitor that day's testing in this scene inside the Spacecraft Assembly Facility at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.

For a full Martian year -- about two Earth years -- after landing in August 2012, the Mars Science Labortory mission will rely on this robotic arm for many frequently repeated research activities. One crucial set of moves that has never been performed on Mars will be to pull pulverized samples from the interior of Martian rocks and place them into laboratory instruments inside the rover.

The titanium arm has two joints at the shoulder, one at the elbow and two at the wrist. Each joint moves with a cold-tolerant actuator custom-built for the mission. The arm has a reach of about 2.3 meters (7.5 feet) from the front of the rover body.

When these tests were performed, the turret of tools at the end of the arm had not yet been installed. That toolkit, with a mass of about 33 kilograms (73 pounds), will include a percussive drill; a magnifying-lens camera; an element-identifying spectrometer; a rock brush; and mechanisms for scooping, sieving and portioning samples.

MDA Information Systems Inc.'s Space Division in Pasadena built and tested Curiosity's robotic arm, incorporating actuators from Aeroflex Corp., Plainview, N.Y. JPL, a division of the California Institute of Technology in Pasadena, manages the Mars Science Laboratory Project for the NASA Science Mission Directorate, Washington.

Curiosity at Center of Attention During Test

Technicians and engineers in clean-room garb monitor the first drive test of NASA's Curiosity rover, on July 23, 2010.

NASA's Mars Science Laboratory Project will launch Curiosity in late 2011 for arrival at Mars in August 2012. The mission will study whether an intriguing area of Mars has offered environmental conditions favorable for supporting microbial life and for preserving evidence of whether life existed there.

The team conducted the drive test in the Spacecraft Assembly Facility at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif. JPL, a division of the California Institute of Technology, manages the Mars Science Laboratory Project for the NASA Science Mission Directorate.

Wheels Spinning

Engineers just installed six new wheels on the Curiosity rover, and rotated all six wheels at once on July 9, 2010. This milestone marked the first in a series of "tune ups" to get the rover ready for a drive in the cleanroom where it is being assembled at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif.

Curiosity is the centerpiece of NASA's Mars Science Laboratory mission, which is expected to launch in late 2011, and touch down wheels-first in summer 2012.

Final Checks of Aquarius Instrument

Less than two months before launch, team members conduct their final checks of NASA's Aquarius instrument at the Spaceport Systems International Integrated Processing Facility at Vandenberg Air Force Base, Calif. Subsequent final instrument tests will be conducted on the launch pad.

MARS > MISSIONS HABITEES

Les missions habitées

Mars Project

Les projets de vols habités vers Mars ont été très nombreux dans la foulée des missions Apollo et du débarquement des premiers hommes sur notre satellite, de 1961 à 1975. Le premier scénario technique de voyage vers la planète rouge (Mars Project) fut mis au point en 1952 par Wernher von Braun, le père des fusées allemandes V2. Son scénario faisait intervenir un train de dix vaisseaux spatiaux assemblés en orbite terrestre, chacun pouvant transporter 7 hommes. Après un voyage de neuf mois, cinquante astronautes atterrissaient sur la planète rouge pour y rester 15 mois, avant d'entreprendre le voyage de retour. Durée totale de la mission : 3 ans. Dix ans plus tard, Wernher von Braun présentera une version réduite de ce projet, basé sur l'utilisation du moteur nucléaire NERVA.

Dans cette nouvelle version, deux vaisseaux de 85 mètres devaient être assemblés en orbite terrestre. La construction de chacun d'entre eux nécessitait le tir de six fusées Saturne V (le lanceur des missions Apollo). Le vaisseau était composé d'un corps central flanqué de deux accélérateurs nucléaires de chaque côté et d'un moteur principal, nucléaire lui aussi. Six hommes pouvaient prendre place dans chaque vaisseau. Après le lancement (prévu le 12 novembre 1981), les vaisseaux étaient reliés entre eux et animés d'un lent mouvement de rotation, de manière à recréer la pesanteur terrestre. Le voyage vers Mars devait durer 9 mois. Une fois en vue de la planète rouge, les vaisseaux se mettaient en orbite, libéraient une flottille de robots automatiques, un module d'excursion martien et un module d'atterrissage pouvant transporter 3 hommes vers la surface martienne (les trois autres, moins chanceux, restaient en orbite). Après seulement trois mois d'études, il fallait repartir vers la Terre. Les explorateurs auraient été de retour 21 mois après leur départ. Les principaux challenges techniques consistaient à mettre au point un moteur nucléaire (projet NERVA) et à travailler avec de l'hydrogène liquide. Il est en effet très difficile de maintenir l'hydrogène à l'état liquide et d'empêcher son évaporation sans mettre en œuvre des installations cryogéniques lourdes.

NERVA, un moteur nucléaire

Le principe de fonctionnement d'un moteur chimique de fusée est bien connu. C'est celui de l'action réaction : le fait de projeter un objet dans une direction nous pousse dans la direction opposée. Ainsi, un comburant et un combustible sont mélangés dans une chambre de combustion. Les produits de la réaction sortent avec une très grande vitesse des tuyères, ce qui permet à la fusée de se mouvoir dans la direction opposée à l'éjection. Sans rentrer dans les détails, on peut utiliser pour alimenter les moteurs soit des composés solides (comme les boosters latéraux d'Ariane 5), soit des composés liquides (comme le premier étage des fusées Delta II, qui fonctionne avec du kérosène et de l'oxygène liquide). Un moteur à poudre est plus simple à mettre en œuvre qu'un moteur fonctionnant avec des liquides. On ne peut cependant pas arrêter la combustion une fois que le moteur est allumé, contrairement aux moteurs alimentés par des liquides qui peuvent être arrêtés après l'allumage et même redémarrés ensuite.

Avec des composés solides, on peut atteindre une vitesse de 3 km/s. Le mélange oxygène/hydrogène, utilisé par exemple pour la navette spatiale, permet d'obtenir des vitesses de l'ordre de 4,5 km/s. Enfin, certains couples comme le mélange oxygène/BeH2 ou fluor/LiH2 permettraient d'atteindre 7 km/s, mais ces composés hautement explosifs ne sont pas utilisés. Pour dépasser ces vitesses et aller encore plus vite, il faut changer de système !

Ainsi, on a pensé à mettre au point des moteurs fonctionnant de manière différente, et en particulier des moteurs thermonucléaires. Ici, l'énergie libérée par une pile atomique sert à chauffer un gaz qui sortira à très haute température de la tuyère. Le choix du gaz est crucial. Plus il est léger, plus il sortira avec une vitesse importante. C'est pourquoi tous les projets de moteurs thermonucléaires utilisent de l'hydrogène. Pour augmenter la vitesse de sortie, on peut aussi jouer sur la température fournie par le réacteur. Avec un réacteur à cœur gazeux, on pourrait atteindre 30 à 70 km/s ! La température de sortie du gaz est tellement élevée que n'importe quel métal utilisé pour confectionner la tuyère ne pourrait résister. Le flux de sortie est alors confiné grâce à des champs magnétiques très puissants.

Les américains ont déjà tenté de mettre au point un moteur thermonucléaire, avec le projet NERVA (Nuclear Engine Rocket Vehicle Applications). Pour cela, un centre d'essai avait été crée dans le Nevada, à Jackass Flat. Avant que le programme ne soit abandonné en 1972 (à cause d'une réduction du budget consacré au spatial), les équipes de recherche avaient pu obtenir des résultats positifs, en particulier le test au banc d'essai d'un réacteur expérimental qui a fournit pendant une demi heure 33,7 tonnes de poussée. Quand il a été arrêté, le projet avait déjà coûté plusieurs milliards de dollars.

Des projets à la pelle !

Le projet de Wernher von Braun n'était pas le seul, et bien d'autres ont été mis au point, du moins sur le papier. La société General Electric prévoyait l'envoi de huit astronautes (400 jours à 460 jours de voyage, 1 mois sur Mars) avec un vaisseau combinant moteur nucléaire pour quitter l'orbite terrestre, propulsion électrique (moteur à ion) pour le voyage Terre-Mars et propulsion chimique à poudre pour l'atterrissage et de décollage de Mars. North American Rockwell proposa un navire spatial emportant de 9 à 12 hommes et basé sur les missions Apollo. On peut aussi mentionner le projet Deimos de Douglas qui mettait en œuvre un énorme booster d'un seul étage (29,5 mètres de hauteur), ceinturé par 8 réservoirs largables. L'ensemble était surmonté d'un véhicule martien qui permettait de recevoir six hommes. Ce véhicule était lui même composé d'un module d'exploration martien (MEM) et d'une capsule de rentrée pour le retour sur Terre. Le lancement aurait du avoir lieu le 9 mai 1986. Trois hommes seulement devaient atterrir sur Mars à l'aide du MEM, les trois autres restants en orbite. L'exploration proprement dite devait débuter le 28 décembre 1986 et se prolonger pendant 30 à 200 jours. Lors du retour, le module de retour décollait pour rejoindre l'orbiter à une altitude de 540 km. Après un voyage de 330 jours, les six explorateurs retrouvaient la Terre. Le grand avantage du projet Deimos, c'est que la plus grande partie du matériel est réutilisable, ce qui permet de diminuer fortement les coûts. Ainsi, à part les huit réservoirs d'hydrogène qui sont largués au fur et à mesure de la mission et de la partie inférieure du MEM qui sert de plate-forme de tir pour le module de retour, on récupère entièrement le booster. Celui ci joue par ailleurs plusieurs rôles. Il sert de lanceur terrestre, d'orbiteur, d'étage de retour pour le trajet Mars - Terre et de module de rentrée terrestre. Le principal inconvénient du projet Deimos était la masse énorme à porter en orbite terrestre au départ de la mission (4350 tonnes).

On trouve enfin des projets encore plus extravagants. Dès 1975, la NASA avait prévu l'installation en orbite terrestre basse (LEO, Low Earth Orbit) de stations spatiales, puis, cinq ans plus tard, de véritables bases capables d'accueillir cent personnes. La deuxième étape prévoyait l'occupation de la Lune avec une base pouvant accueillir 6 personnes en 1978 et 28 en 1980. Au début des années 80, une mission pilotée devait partir pour Mars pour entreprendre l'installation d'une base temporaire (12 puis 48 hommes), qui finissait par devenir permanente.

Tous les projets concernant l'envoi d'homme sur Mars ont été abandonnés. Après le succès de la conquête lunaire, le budget accordé au domaine spatial a sévèrement diminué. La situation politique avait changé, la guerre froide touchait à sa fin et c'était le début d'une collaboration timide entre Américains et Soviétiques. Une mission humaine vers Mars posait aussi de nombreux problèmes techniques (comme nous l'avons vu avec la propulsion nucléaire) et le manque de crédit n'arrangeait rien à l'affaire. Enfin, avec l'explosion de Challenger en 1986 et les affres de la gestion de la station spatiale américaine, le projet d'exploration martienne allait être mis en sommeil. Du moins en apparence ...

Mars Underground

Nous sommes dans les années 1980. Les dix ans qui viennent de s'écouler depuis le programme Apollo et l'atterrissage de l'homme sur la Lune ont vu s'écrouler tous les rêves d'exploration du système solaire par l'homme lui même. Apollo 17 et son équipage sont revenus le 19 décembre 1972. Le dernier véhicule Apollo décolle le 15 juillet 1975, mais son objectif n'est pas la surface grise de notre satellite. Il s'arrêtera en orbite basse terrestre pour un rendez vous avec un Soyouz russe. Entre Apollo 17 et Apollo 18, il n'y a eu que les quatre vols de Skylab en 1973. Les missions Voyager 1 et 2 sont parties vers les géantes gazeuses à l'autre bout du système solaire, mais les sondes n'arriveront pas à destination avant bien longtemps. C'est donc une période norme, et l'activité spatiale est comme endormie.

C'est dans ce contexte qu'une trentaine d'étudiants (dont Chris Mc Kay et Carol Stocker) décident de voir s'il n'y a pas quelque chose de passionnant à faire. Après mûre réflexion, ils commencent à monter un séminaire sur la terraformation de la planète Mars. Bien vite, ils se rendent compte que c'est un sujet énorme, tant du point de vue scientifique que des données qu'il faut rassembler pour travailler sérieusement et éviter autre chose que des spéculations de science fiction. Avant de pouvoir changer le visage de Mars, il faut bien mieux la connaître. Et pour cela, il sera nécessaire d'y envoyer des hommes. Le groupe de passionnés, qui se prénomme lui même Mars Underground, se penche donc vers les missions habitées à destination de la planète rouge. De la à organiser une conférence sur ce thème, il n'y a qu'un pas. Malgré les apparences (une conférence touchant un sujet important organisé par des étudiants, pfff !), les premières demandes de participation commencent à affluer. La première conférence "The Case Of Mars" se tiendra à Boulder, dans le Colorado, en avril 1981. C'est une petite conférence, 100 personnes tout au plus, mais les sujets débattus sont déjà d'envergure : modes de propulsion, systèmes de survie, utilisation des ressources et profils de mission.

Trois ans plus tard, en 1984, a lieu la deuxième conférence. Les résultats seront présentés à la NASA. Robert Zubrin, le père de Mars Direct, y participe. Les conférences continuent ainsi leur chemin, au rythme d'une tous les trois ans. Pour "The Case of Mars III", en 1987, le mouvement s'accélère. Carl Sagan intervient comme conférencier devant plus d'un millier de personnes, et la presse internationale est bien représentée. Lors de la quatrième conférence en 1990, Zubrin présentera les principales idées du scénario de Mars Direct. Il finira par écrire un livre en 1996, qu'il intitulera "The Case of Mars" en l'honneur du travail accompli par le petit groupe d'étudiants.

Au final, le bilan est incroyable et la série de conférence est un véritable succès. Il ne fait aucun doute qu'elles ont joué un rôle non négligeable dans l'annonce faite par Georges Bush en 1989 de repartir vers la Lune et d'envoyer les premiers humains vers Mars (Space Exploration Initiative). La société martienne, fondé le 13 août 1998 devant 700 personnes par Robert Zubrin, sort elle aussi tout droit de Mars Underground.

Le programme SEI

Le 20 juillet 1989, devant le National Air and Space Museum à Washinghon, le président américain George Bush, accompagné de Michael Collins, Buzz Aldrin et Neil Armstrong s'apprête à annoncer un nouveau départ vers l'espace, histoire de fêter dignement l'anniversaire de la mission Apollo 11. C'est le programme SEI (Space Exploration Initiative).

"First for the coming decade, for the 1990s, Space Station Freedom, our critical next step in our space endeavours. And next, for the next century, back to the moon, back to the future, and this time back to stay. And a journey to tomorrow, a journey to another planet, a nammed mission to Mars. Each mission should and will lay groundwork for the next".

On le voit, le dialogue est bien aussi excitant que celui prononcé par Kennedy en 1961. L'atterrissage de l'homme sur la Lune a été un exploit absolument incroyable, et son récit n'en finit pas de nous fasciner. Malheureusement, suite à cela, aucune base permanente n'a été installée sur notre satellite et l'homme a du se contenter de l'orbite basse comme résidence spatiale. Le message de Bush est clair. Il s'agit de retourner sur la Lune, cette fois pour y rester, avant d'envoyer des hommes sur Mars. Il n'y a pas cependant obligation de réaliser cet exploit dans une décennie, et aucune limite de temps n'est d'ailleurs donnée. Il s'agit juste d'une description des principales étapes devant conduire l'homme sur Mars et au delà.

Immédiatement, une équipe de la NASA va tenter de savoir si le programme ambitieux de Bush peut être réalisé. Trois mois plus tard, un rapport intitulé "Report of the 90-Day Study on Human Exploration of the Moon and Mars" sort des presses. Il sera connu sous le nom plus court de "The 90 Day Report". D'après ce rapport, pour envoyer des hommes sur Mars, il faudra y mettre les moyens et construire une gigantesque infrastructure. La taille de la station spatiale devra d'abord être triplée pour l'équiper avec une foule de nouveaux bâtiments : hangars de construction, dépôts cryogéniques, docks. Ensuite, l'immense usine spatiale servira à assembler des vaisseaux qui réaliseront le trajet Terre - Lune. Une base lunaire pourra alors être installée sur la Lune. Avec les structures en orbite terrestre, elle servira à l'assemblage d'un monstre de métal, un vaisseau spatial géant qui transportera un équipage vers sa destination finale, Mars. Le vaisseau martien devra utiliser des technologies totalement différentes de celles des vaisseaux trans-lunaires. En fait, ce nouvel espoir de conquête de la planète Mars n'est qu'une remise au goût du jour du projet de Wernher Von Braun, avec sa flotte de vaisseaux énormes assemblés en orbite basse terrestre.

Le voyage vers la planète rouge durera 18 mois, et le vaisseau restera seulement 1 mois en orbite. Quelques hommes seulement parmi tout l'équipage descendront vers la surface rouillée de la planète pour y rester environ deux semaines, juste le temps de planter un drapeau et de laisser quelques empreintes dans la poussière martienne. Le 90 Day Report ne chiffrait pas une mission de ce type, en terme de coût. Mais d'après les estimations des experts en 1989, une telle mission nécessitait trente années d'effort et quelques 450 milliards de dollars. Le chiffre est énorme, et il devient vite scandaleux. La décision du Congrès américain ne se fait pas attendre et tout ce qui touche au programme SEI devient rapidement tabou.

Si on le regarde en face, le projet SEI n'est finalement rien d'autre qu'une absurdité. Ce n'est pas le coût de la mission qui pose problème, mais bien sa nature même. Comme nous le verrons bientôt, il est possible de faire bien mieux pour beaucoup moins cher. Une mission martienne simple, robuste, de faible coût et indépendante d'autres projets (station spatiale, usine orbitale, base lunaire) est possible. Si une telle dérive a pu avoir lieu, c'est avant tout parce que les différents membres de la NASA ont essayé de plaire à tout le monde, en insérant le plus de chose possible dans une mission afin de monter un véritable monstre, au lieu d'essayer de trouver une solution simple, économique, robuste et crédible. Le programme SEI permettait en outre de justifier quantité de programmes en cours, comme la station spatiale.

Un autre scénario : Mars Direct

Il existe une alternative intelligente à l'affreux projet de Bush, et nous la devons à Robert Zubrin, un ingénieur travaillant dans le domaine du spatial. Celui ci a affirmé en 1991 qu'il était possible d'envoyer des hommes sur Mars pour un coût oscillant entre 30 et 50 milliards de dollars (la moitié du budget d'Apollo), soit 8 fois moins que les premières estimations de la NASA. Nommé Mars Direct, cette mission est présentée avec beaucoup de talent dans l'ouvrage de Zubrin, The Case Of Mars. Comme nous allons le voir, Zubrin est un homme qui a plus d'une bonne idée dans son sac.

Dans le scénario classique, la lune constituait une étape intermédiaire pour le voyage vers Mars. Elle permettait de repartir avec des vaisseaux beaucoup plus gros qui n'avaient pas à s'affranchir de la gravité terrestre. Mais l'utilisation de la Lune comme avant poste avait un coût : 100 milliards de dollars ! Il faut donc abandonner l'étape lunaire. Abandonné lui aussi, l'assemblage des vaisseaux en orbite terrestre. Le problème de l'utilité de la Station Spatiale Internationale dans les voyages vers Mars se pose alors. On comprend que certaines personnes ayant des intérêts assez forts dans la Station Spatiale ne soient pas enchantées de la voir disparaître ainsi des plans de missions habitées vers Mars.

Le coût de la mission est encore abaissé par une standardisation maximale. Le même type de module est utilisé pour le trajet entre la Terre et Mars et comme espace habitable une fois sur place. Un même lanceur doit acheminer le fret et les hommes. Il est en effet inutile de gaspiller de l'argent dans la mise en œuvre de technologies différentes au sein d'un même projet. Rappelons que dans le programme SEI, les vaisseaux spatiaux utilisés à destination de la Lune et de Mars étaient différents, tout comme les technologies de propulsion ou les différents véhicules d'excursion.

Enfin, une mission martienne qui n'a aucun autre but que d'enfoncer un drapeau dans le sol ne sert à rien. Dans le programme SEI, le voyage vers Mars durait environ 1,5 ans (600 jours) alors que le séjour à la surface de la planète rouge se comptait en jours (30 au total). Un explorateur ne passait donc que 5 % de la durée totale de la mission sur Mars. Imaginons maintenant qu'au moment de l'atterrissage, les conditions météorologiques soient défavorables. Il faut alors se rendre à l'évidence : l'atterrissage n'est pas possible. Et comme la durée accordée à l'exploration de Mars est minime, il est bien possible que l'équipage soit obligé de repartir sans avoir touché une seule fois le sol martien ! Mars Direct dure environ 900 jours, plus précisement 360 pour le voyage aller-retour et 550 sur Mars. L'homme passe donc une année et demie sur Mars ! Un séjour qui promet de nombreuses découvertes et qui rentabilise complètement les sommes investies dans un tel projet.

La mission du programme SEI et Mars Direct sont également différentes sur un point : la configuration des planètes dans le profil de la mission. La mission SEI profitait d'une configuration d'opposition, et la mission était donc plus courte que celle de Mars Direct (qui profite d'une situation de conjonction). Une durée de séjour moins importante dans l'espace semble diminuer les risques encourus par l'équipage (rayons cosmiques, éruption solaire). Mais ce que l'on oublie couramment, c'est qu'un lancement en opposition oblige le vaisseau à se rapprocher du Soleil et à effectuer un petit détour par le système solaire interne (un survol de vénus est même prévu pour profiter de son assistance gravitationnelle). C'est le genre de détour qui n'est pas vraiment sans risque pour l'équipage ! Pour plaisanter, les navigateurs surnomment d'ailleurs le survol de Vénus "fryby" à la place de "flyby", indiquant ainsi que les membres d'équipage risquent bien de sortir rôti de leur petite croisière vénusienne. De plus, comme l'équipage d'une mission type SEI passe presque tout son temps dans l'espace, les risques sont en fait plus grand, contrairement aux apparences. Mars Direct dure peut être plus longtemps (300 jours de plus en moyenne), mais l'équipage reste quand même une année et demie sur Mars !

Un des principaux points forts du scénario de Zubrin est basé sur la fabrication in-situ d'eau, d'air et de carburant à partir des ressources martiennes (sol, atmosphère). L'autonomie de la base martienne serait totale, puisque l'équipage fabriquerait également sa propre nourriture (dans des serres par exemple).

Enfin, Zubrin propose à la fin de son ouvrage que la mission Mars Direct soit réalisée non pas par une organisation gouvernementale comme la NASA, mais par des industries privées. Et ce pour réduire les dépenses et les gaspillages inévitables lors de la mise en œuvre de pratiques gouvernementales. Les Etats-Unis offriraient un super prix de 20 milliards de dollars à l'organisme privé qui réussirait l'atterrissage sur Mars d'un équipage en le ramenant vivant après la mission. Des prix supplémentaires sont offerts pour le franchissement d'étapes clés (atterrissage d'un ERV, fabrication d'une certaine quantité de carburant à la surface de Mars, etc). Un organisme privé, avec une gestion très stricte des coûts et du temps, pourrait réaliser une partie du projet (ou tenter le super prix) en empochant un bénéfice non négligeable. En conclusion, Mars Direct ne coûte pas cher, utilise des technologies actuelles et n'est pas dépendante de technologies qui restent du domaine de l'imaginaire. C'est un scénario qui permettrait de gagner 20 ans dans l'histoire de l'exploration de la planète Mars !

Mars Direct en détails

Un vaisseau automatique est lancé en premier, par une fusée de la classe Saturne V ou Energia. Il comprend un module de retour à deux étages (ERV, Earth Return Vehicle) dont les moteurs fonctionnent en utilisant le mélange méthane/oxygène, une usine chimique destinée à la fabrication du carburant, 6 tonnes d'hydrogène, un petit réacteur nucléaire pour la production d'énergie (de 50 kW à 100 kW) qui sera déposé loin de la base par un petit camion télécommandé et deux robots explorateurs. Les petits robots explorateurs serviront à caractériser complètement le site d'atterrissage avant l'arrivée de l'équipage, qui arrivera alors en terrain connu. Parmi le matériel déposé à la surface de Mars, on trouvera aussi une balise radio analogue au dispositif ILS qui sert d'aide à l'atterrissage aux avions sur les aéroports civils et militaires. Le vaisseau transportant l'équipage sera donc finement guidé vers le site d'atterrissage.

Des compresseurs de l'usine chimique vont d'abord pomper le CO2 de l'atmosphère martienne (qui constitue 95 % de l'atmosphère martienne). Le CO2 va réagir dans un réacteur de Sabatier avec l'hydrogène importé de la Terre pour donner naissance à du méthane et de l'eau, en présence d'un catalyseur (nickel/graphite). L'eau sera ensuite électrolysée pour redonner de l'hydrogène (qui pourra ainsi resservir) et de l'oxygène. Après 10 mois de fonctionnement, les six tonnes d'hydrogène auront donné naissance à 107 tonnes de propergols (méthane/oxygène). La réaction de Sabatier fournit cependant plus de méthane que d'oxygène. Une petite quantité d'oxygène supplémentaire sera produite par la réduction du CO2 atmosphérique (Le CO2 est réduit en donnant du monoxyde de carbone CO et de l'oxygène). Sur les 107 tonnes obtenues, 96 seront réservées à l'ERV et le reste servira à alimenter les moteurs chimiques à haute performance des rovers pressurisés et non pressurisé qui arriveront sur Mars avec l'équipage. Celui ci ne partira d'ailleurs vers Mars que s'il est certain de trouver à son arrivée du carburant en quantité pour le voyage de retour. C'est là un point important de la mission Mars Direct.

Deux ans après, une deuxième fusée décolle, emportant avec elle une équipe de quatre personnes (deux mécaniciens et deux bio-géochimistes, pas de véritable médecin ni de commandant !), un module d'habitation, un rover pressurisé pour les excursions longue distance et un deuxième rover plus petit et non pressurisé pour les déplacements plus courts. Les moteurs des rovers fonctionne, nous l'avons déjà vu, en brûlant du méthane et de l'oxygène. Le rover pressurisé peut emporter avec lui 600 kg de propergols, ce qui lui donne une autonomie de 1000 km. Il sera également capable de fournir une puissance électrique de 50 kW à des nombreuses expérimentations (dispositif de forage, four de laboratoire mobile) qui consomment de fortes quantités de courant. En tout, les 11 tonnes de propergol permettront de parcourir 16 000 km.

Une fois libérée de l'attraction terrestre, le module d'habitation qui héberge aussi l'équipage pendant le voyage est connecté par un câble de 1500 mètres au dernier étage du lanceur. L'ensemble est mis en rotation (1 tour / minute) pour simuler la gravité martienne. Des petites fusées d'appoints identiques à celles qui équipent différentes sondes serviront pour les manœuvres de correction de trajectoire.

Une fois à proximité de Mars, le module d'habitation se libère de son encombrant contrepoids et descend vers la surface martienne. L'atterrissage doit avoir lieu le plus près possible du campement installé par le premier lanceur. Mais si l'atterrissage est raté, le rover pressurisé avec son autonomie importante permettra de rejoindre le camp de base et son précieux ERV. Dans le pire des cas, si la distance entre l'ERV et le site d'atterrissage est trop importante, c'est un second ERV, lancé en même temps que les astronautes, qui assurera leur survie. Pour rejoindre la Terre, il faudra cependant attendre qu'il remplisse ses réservoirs. C'est pourquoi les astronautes disposeront d'une réserve de provisions suffisante pour tenir trois ans à la surface de Mars.

Après 550 jours (le temps pour les planètes de se replacer dans des conditions favorables à un lancement), l'équipage décolle de Mars à bord du module de retour. Cette fois, le voyage retour ne dure que 6 mois. Alors qu'un équipage quitte la surface de Mars, un autre s'apprête à prendre la relève.

Tous les deux ans, une autre fusée part vers Mars avec un module d'habitation occupé par un équipage de 4 astronautes (qui se posera à proximité d'un ERV dont les réservoirs sont remplis) et un nouvel ERV vide qui atterrira plusieurs centaines de kilomètres plus loin, ouvrant ainsi un nouveau site. Deux ans après, notre ERV aura rempli ses réservoirs de propergol et sera prêt à accueillir un autre équipage de 4 personnes. Ainsi, tous les deux ans, l'homme pourra explorer une nouvelle région de la planète rouge. Il est également possible qu'un module d'habitation se pose près d'une base existante. Dans ce cas, les modules d'habitations seront reliés ensemble et une base martienne se constituera peu à peu. D'années en années, elle grossira en englobant de nouveaux modules d'habitations et finira peut être par ressembler à une véritable ville !

Mars Semi Direct

Les idées de Robert Zubrin sont tellement bonnes qu'elles ont été en parties reprises par la NASA. Un deuxième scénario tiré de Mars Direct a alors vu le jour. Nommé Mars Semi Direct, il a servi de base à la création de la mission de référence de la NASA (Design Reference Mission Study), qui n'a plus grand chose à voir avec le projet SEI. Comme la mission de référence est présentée à part, nous allons nous consacrer ici à Mars Semi Direct.

Dans Mars Semi Direct, la taille de l'équipage augmente et passe de 4 à 6 personnes (ce qui nécessite un lanceur plus lourd). Ensuite, Mars Semi Direct permet de lever un problème important de Mars Direct : la fabrication de carburant à la surface de Mars. Si la première fusée lance vers Mars un module d'habitation identique à celui de Mars Direct, le deuxième tir propulse par contre un orbiteur (qui servira pour le voyage de retour) et un véhicule de remontée (MAV) dont les réservoirs sont vides. L'équipage ne partira donc pas directement de la surface martienne pour rejoindre la Terre (d'où le nom de la mission), mais devra dans un premier temps rejoindre l'orbite basse grâce au MAV, avant de rentrer définitivement chez lui avec l'orbiteur. Le véhicule de remonté (MAV) ne consommera pas beaucoup de propergol, car il doit uniquement rejoindre l'orbite basse. Son carburant est la encore fabriqué sur Mars, mais en bien plus petite quantité que pour Mars Direct (36 tonnes au lieu de 107 tonnes). Admettons maintenant que la technologie de fabrication in-situ de carburant à partir de l'atmosphère martienne ne soit pas valable. Il faudra alors redéfinir entièrement la mission Mars Direct, ce qui n'est pas le cas avec Mars Semi-Direct. On se contentera d'envoyer le MAV avec ses réservoirs pleins (et là, plus de problèmes possibles, sauf en cas de fuite!), quitte à lancer non pas deux mais trois fusées si la capacité d'emport est limitée : une fusée emporte le MAV, une autre l'ERV et la troisième le module d'habitation. Par contre, le rendez vous en orbite martienne qu'impose Mars Semi Direct est une étape cruciale, absente du scénario original de Zubrin.

Mars étape par étape !

Nous allons terminer cette page en jetant un coup d'œil à un autre type de mission habitée vers Mars, qui, contrairement à Mars Direct, fonctionne par étape. L'une des principales leçons du programme Apollo a été de se rendre compte qu'une fois l'objectif d'un projet accompli, son budget est sévèrement diminué, pour finir par être complètement coupé. Après Apollo 11, l'attention et l'intérêt du public pour l'exploration de la lune ont brusquement baissé. Apollo 17 a été la dernière mission vers la Lune, alors qu'il restait trois véhicules complets et prêts à être lancés. Il est hors de question qu'il en soit de même pour l'exploration de Mars, et que le programme martien ne soit rien d'autre qu'une mission "3F" (Flag, Fooprint et Forget It) : on plante un drapeau (souriez pour la photo), on laisse quelques empreintes et on repart bien vite en oubliant de rester ! Certains scientifiques ont donc proposé de découper une mission habitée vers Mars en plusieurs étapes, de manière à éviter les déboires finaux d'Apollo. La première étape consiste (comme Apollo 8) en un survol de Mars par un vaisseau habité. Ce sera peut être l'occasion de ramener des photos aussi spectaculaires que le fameux lever de Terre vu depuis l'orbite lunaire. Pour la deuxième et troisième étape, on atterri sur Deimos puis sur Phobos. On pourra la aussi obtenir de superbes clichés du globe martien vu depuis ses satellites ! Il sera également possible de contrôler depuis les lunes des robots d'exploration martiens, avec un temps de réponse inférieur à une seconde (0,2 secondes pour Deimos), sans commune mesure avec les temps de réponse obtenus depuis la Terre. De plus, seul des robots se déplaceront sur Mars, ce qui évitera une contamination de l'environnement martien par les membres de l'équipage (on comprend l'importance de ce point pour les recherches en exobiologie). Et tout cela sans compter que les lunes de Mars ont un intérêt exceptionnel du point de vue scientifique.

Ensuite, direction Mars ! Le premier atterrissage aurait lieu au niveau des pôles (présence de glace et ensoleillement permanent en été, en dépit de températures très basses), puis au niveau d'une région plus tempéré. A ce moment, on pourrait penser que les missions martiennes sont belles et bien finies, mais il reste encore une étape, qui sert surtout à remotiver les foules, dont l'intérêt pourrait avoir diminué avec le premier pas de l'homme sur Mars. Il s'agit d'atterrir à proximité de Valles Marineris, le magnifique système de canyons martiens. Avec cette dernière étape, ce sera la fin du programme d'exploration martien. Mais, en étant un peu optimiste et pour peu que l'on découvre au cours de ces missions de nombreuses ressources à la surface de la planète (métaux rares, eau), la colonisation pourra avoir lieu, et l'homme restera de manière permanente sur cette future Terre.

Je ne sais pas personnellement quand aura lieu la première rencontre historique entre le pied de l'homme et la surface rouillée de notre voisine. Les plus optimistes s'entendent sur une mission habitée dans les années 2010 ou 2020. D'autres ne voient pas l'homme sur Mars avant le milieu du 21ème siècle, et encore. Je n'ai pas de date précise à avancer. Mais une chose est sûre : le plus tôt sera le mieux.

COMPRENDRE LES ORBITES

Tous les corps du système solaire sont gouvernés par les lois immuables de la mécanique céleste.

Les satellites, qu'ils soient artificiels ou naturels, obéissent aux lois de l'attraction universelle, comme la loi de Newton qui décrit l'attraction potentielle à laquelle est soumis un corps ou les trois lois de Kepler qui décrivent les caractéristiques des orbites. Pour plus de facilité, le texte qui suit fera surtout référence à un satellite artificiel orbitant autour de la planète Mars (Mars Global Surveyor), mais les règles énoncées restent bien entendu valables pour le mouvement de la Lune autour de notre planète ou le mouvement de la Terre par rapport au Soleil.

La première loi de Kepler stipule que la trajectoire suivie par un corps orbitant autour d'un astre (par exemple une sonde tournant autour de Mars) est une ellipse, dont l'un des foyers est situé au centre de cet astre.

La deuxième loi de Kepler, que l'on nomme également loi des aires, affirme que la ligne reliant une sonde et le centre de Mars balaie des aires égales en des temps égaux. Cette loi à une conséquence particulièrement importante : lorsqu'une sonde s'approche d'une planète, elle va se déplacer vite sur son orbite que lorsqu'elle s'en éloigne. Cette loi permet également de comprendre pourquoi l'été dans l'hémisphère sud de Mars est plus court que l'été dans l'hémisphère nord. L'orbite de Mars autour du Soleil est fortement excentrique. Pendant l'été austral, Mars est proche de son périgée. La planète se déplace assez vite que l'été ne dure pas longtemps. Au contraire, lorsque l'été arrive dans l'hémisphère nord, la planète Mars est à son apogée, le point de l'orbite le plus éloigné du Soleil. L'été boréal dure donc plus longtemps, car Mars se déplace moins vite sur son orbite (pour plus de détails, voir le chapitre consacré au cycle des saisons). Notez que la vitesse d'un satellite autour de Mars n'est jamais constante, à l'exception bien sur des orbites circulaires.

La troisième et dernière loi de Kepler permet de déterminer la distance relative d'une planète autour du Soleil en utilisant sa période de révolution : pour toutes les planètes du système solaire, le rapport T2/A3 est une constante (T représente la période orbitale et A le demi-grand axe de l'ellipse), dont la valeur est indépendante de la masse de la planète choisie (il s'agit en fait d'une simplification : étant donné que la masse du soleil dépasse largement celle des planètes du système solaire, on néglige la masse de ces dernières; dans le cas d'une sonde en orbite autour d'un astre attracteur, la constante dépend bien sûr directement de la masse de celui-ci). Formulée autrement, la troisième loi de Kepler indique que le carré du temps mis par une sonde pour boucler une révolution autour de Mars est proportionnel  au cube du demi-grand axe de son orbite.


Anomalie vraie (q) : Ce paramètre permet de définir la position d'un point quelconque sur une orbite (par exemple la position d'un satellite). Il s'agit de l'angle exprimé en degrés formé par le périapse, le centre de Mars et le point de l'orbite occupé par le satellite. Une autre manière de connaître la position d'un satellite consiste à mesurer le temps t écoulé depuis son passage au niveau d'un point de référence comme le périapse.

Apoapse : Point de l'orbite le plus éloigné de la surface de Mars. La hauteur de l'apoapse est plus souvent donné depuis la surface de la planète que depuis son centre (Ra, voir schéma à droite). Le terme apoapse s'utilise lorsque la nature du corps central n'est pas précisée. Lorsque l'orbite est terrestre, on emploie le terme apogée. De la même manière, si l'orbite s'effectue autour du Soleil, on utilisera le terme aphélie et le terme apoastre pour une orbite située autour d'une étoile autre que le Soleil.

Ascension droite du nœud ascendant (W) : Cette valeur permet de situer le plan de l'orbite par rapport aux coordonnés astronomiques. L'ascension droite du nœud ascendant représente l'angle entre le point vernal et la ligne des nœuds, compté de 0° à 360 ° (du point vernal vers le nœud ascendant, dans le sens de rotation de la planète, que l'on nomme également sens direct). En bref, W décrit la position de la ligne des nœuds par rapport à une valeur de référence (le point vernal).

L'orientation du plan orbital peut s'effectuer naturellement sous l'effet du renflement équatorial de Mars (ce mécanisme est désigné sous le nom de précession nodale). La précession nodale est souvent utilisée pour changer le paramètre W, car la modification de l'ascension droite du nœud ascendant nécessite sinon une forte dépense d'énergie (allumage des moteurs). La rotation du plan de l'orbite est d'autant plus importante que l'orbite est proche de la planète et que son inclinaison est éloignée de 90°. Le plan tourne dans le sens direct (le sens de rotation de la planète) si l'inclinaison est supérieure à 90°, ou dans le sens inverse (rétrograde) si l'inclinaison est inférieure à 90°. Elle est normalement nulle pour une orbite polaire qui passe par les pôles (inclinaison égale à 90°).

Argument du périapse (w) : Distance angulaire entre le nœud ascendant et le point de passage au périapse, compté de 0° à 360 ° (du nœud ascendant vers le périapse) dans le sens de révolution du satellite. Cette valeur indique l'orientation du grand axe dans le plan de l'orbite. Elle permet également de déterminer la latitude du passage au périapse. Par exemple, au début de la phase de freinage atmosphérique, l'argument du périapse était de 148,88 °, ce qui correspondait à une latitude nord de 31,56 ° pour le périapse (180 ° - 148,44°).

La valeur de l'argument du périapse peut subir une altération naturelle suite à l'action du renflement équatorial de la planète Mars. Pour modifier artificiellement ce paramètre d'une valeur égale à D(w), il faut appliquer une poussée D(v) au point de l'orbite ou le rayon fait un angle de D(w)/2 avec le grand axe de l'orbite, en direction du centre de Mars.

Crépusculaire : type d'orbite héliosynchrone ou l'heure de passage du satellite au niveau des nœuds s'effectue soit au crépuscule (par exemple 18 heures pour le nœud ascendant), soit à l'aube (par exemple 6 heures pour le nœud descendant). La ligne des nœuds est toujours perpendiculaire à la direction du Soleil. Le satellite est donc toujours éclairé par le Soleil et les panneaux solaires reçoivent de l'énergie en permanence, ce qui permet d'alimenter des instruments très consommateurs en énergie comme les radars. Un satellite qui suit une orbite crépusculaire peut cependant connaître de courtes éclipses à chaque révolution au cours de certaines périodes de l'année.

demi-grand (a) : Il s'agit du grand axe de l'ellipse divisé par deux. Il correspond à la distance séparant le centre de l'ellipse de l'une de ses extrémités. Cette valeur permet de décrire la forme d'une orbite.

demi-petit (b) : Il s'agit du petit axe de l'ellipse divisé par deux. Il correspond à la distance séparant le centre de l'ellipse de l'une de ses petites extrémités. Cette valeur permet de décrire la forme d'une orbite.

Ellipse : L'ellipse est une figure fondamentale en astronomie. La première loi de Kepler stipule que toutes les planètes se déplacent autour du Soleil en suivant une ellipse. Une ellipse est une figure qui peut être obtenue par l'intersection d'un plan avec un cône circulaire, le plan coupant complètement le cône. C'est aussi l'ensemble des points dont la somme des distances à deux points fixes (les foyers de l'ellipse, F1 et F2) est une constante. L'un des foyers d'une orbite est occupé par l'astre qui exerce la force de gravitation (la planète Mars est ainsi située sur l'un des deux foyers de l'orbite suivie par Mars Global Surveyor). Le grand axe, qui joint les deux plus grandes extrémités de l'ellipse et qui passe par les deux foyers, est un axe de symétrie. Le petit axe, perpendiculaire au grand axe et passant par le milieu des foyers, est également un axe de symétrie. Le cercle est une ellipse bien particulière : les deux foyers sont confondus et la longueur du grand axe est égale à celle du petit axe.


Excentricité (e): C'est la distance entre les foyers de l'ellipse divisée par le grand axe de l'ellipse. L'excentricité peut aussi se calculer par le rapport (Ra - Rp) / (Ra + Rp), ou Ra est la hauteur de l'apoapse depuis le centre de la planète et Rp la hauteur du périapse depuis le centre de la planète. Un cercle a une excentricité égale à zéro.

Freinage atmosphérique : Méthode permettant d'abaisser l'altitude de l'apoapse sans modifier la valeur du périapse, ce qui conduit à terme à une circularisation de l'orbite à la hauteur du périapse. Un dossier complet est consacré au freinage atmosphérique.

Géostationnaire : Orbite assurant à un satellite une immobilité relative au-dessus d'une région donnée. Cette orbite très particulière a été décrite pour la première fois par Arthur C. Clarke, auteur de science fiction bien connu. Pour la Terre, l'orbite géostationnaire se situe à une distance de 36 000 km. Pour Mars, cette orbite est située à environ 17 000 km. C'est l'orbite de prédilection pour les satellites de télécommunication.

Héliocentrique : Orbite décrite autour du Soleil.

Héliosynchrone : Cette orbite particulière se caractérise par le fait qu'elle conserve un angle constant avec la direction Mars - Soleil. L'obtention d'une orbite héliosynchrone est possible en imprimant au plan de l'orbite une précession nodale de 360° par an, qui compense en quelque sorte le déplacement de Mars autour du Soleil. La précession nodale est obtenue par le choix d'une inclinaison rétrograde dont la valeur va dépendre de l'altitude de l'orbite du satellite. Une orbite héliosynchrone permet de s'assurer que le satellite survolera toujours à la même heure solaire locale une région quelconque de la planète. Comme l'illumination des terrains survolés est toujours la même, on peut comparer avec facilité différentes photographies prises à des époques différentes, sans se soucier des différences qui auraient pu apparaître avec des conditions d'éclairages variables (Soleil bas sur l'horizon pour une photographie, Soleil au zénith pour une autre). L'éclairage ne varie qu'avec les saisons. L'orbite héliosynchrone permet également un survol de presque toutes les régions d'une planète, car elle est quasi polaire. C'est une orbite de prédilection pour les satellites d'observations qui doivent réaliser une cartographie de la surface et de l'atmosphère. Les orbites héliosynchrones sont définies par l'heure locale du passage du satellite au niveau du nœud descendant. La sonde Mars Global Surveyor suit une orbite de ce type et passe de l'hémisphère nord à l'hémisphère nord à 2:00 AM (elle effectue donc sa trajectoire descendante en pleine nuit).

Inclinaison (i): Distance angulaire entre le plan de l'orbite et le plan de l'équateur martien. En d'autres termes, c'est l'inclinaison de l'orbite par rapport à l'équateur martien. Une inclinaison de 0° caractérise une orbite équatoriale. Une inclinaison de 90° indique une orbite passant par les pôles. Une orbite possédant une inclinaison inférieure à 90° est qualifié de directe. Lorsque l'inclinaison dépasse 90°, l'orbite est définie comme étant rétrograde, car la sonde tourne alors dans le sens inverse de la rotation de la planète (voir schéma à droite). La valeur de l'inclinaison varie entre 0° et 180°.

Pour modifier l'inclinaison D(i) de l'orbite d'un satellite, il faut appliquer une poussée D(v) à un angle égal à 90° + D(i)/2 avec la direction du satellite lorsque celui-ci passe à l'un des nœuds (descendant ou ascendant) de son orbite.

Ligne des nœuds (NN'): Ligne qui relie le nœud ascendant et le nœud descendant.

Nœuds : Les nœuds sont les points d'intersections de l'orbite avec l'équateur martien.

Nœud ascendant (N): Le nœud ascendant est le point ou la sonde croise l'équateur martien en passant de l'hémisphère sud à l'hémisphère nord, c'est à dire en montant vers le nord (voir schéma à droite).

Nœud descendant (N'): Le nœud descendant est le point ou la sonde croise l'équateur martien en passant de l'hémisphère nord vers l'hémisphère sud, c'est à dire en descendant vers le sud.

Périapse : Point de l'orbite le plus proche de la surface de Mars. La hauteur du périapse est plus souvent mesurée depuis la surface de la planète que depuis son centre (Rp, voir schéma à droite). Le terme périapse s'utilise lorsque la nature du corps central n'est pas précisée. Lorsque l'orbite est terrestre, on emploie le terme périgée. De la même manière, si l'orbite s'effectue autour du Soleil, on utilisera le terme périhélie et le terme périastre pour une orbite située autour d'une étoile autre que le Soleil.

Période de révolution : Temps mis par la sonde pour parcourir une orbite complète autour de la planète Mars.

Point vernal (g): Le plan de l'équateur terrestre coupe le plan de l'écliptique selon une ligne qui passe par le centre de la Terre. On appelle cette ligne la ligne des équinoxes. La direction de cette ligne au moment de l'équinoxe de printemps (qui a lieu le 21 mars) désigne à l'infini le point vernal g. Cette direction est fixe dans le système solaire et elle fait office de référence pour le calcul des coordonnées astronomiques. Notez que dans la réalité, cette direction n'est pas aussi fixe par rapport aux étoiles que l'on pourrait le souhaiter. Un lent mouvement de précession lui fait accomplir un tour complet en 27 800 ans.

Rayon à l'apoapse (ra) : Distance séparant l'apogée de l'un des foyers de l'orbite (en général le foyer occupé par le centre du corps principal). Cette valeur permet de décrire la forme d'une orbite.

Rayon au péripase (rp): Distance séparant le périapse de l'un des foyers de l'orbite (en général le foyer occupé par le centre du corps principal). Cette valeur permet de décrire la forme d'une orbite. Pour modifier d'une valeur D(rp) le rayon au périapse, on applique une poussée D(v) lors du passage à l'apoapse dans la direction du satellite si l'on veut augmenter le rayon et dans la distance opposée si on veut au contraire resserrer l'orbite.

Paramètres fondamentaux d'une orbite : a : demi-grand axe. b : demi-petit axe. Ra : distance de l'apoapse au centre de Mars. Rp : distance du périapse au centre de Mars. L'excentricité de l'orbite est égale à : (Ra - Rp) / (Ra + Rp). Si Ra = Rp, l'excentricité est égale à zéro et l'orbite est circulaire (Crédit photo : droits réservés).

Représentation de l'orbite de Mars Global Surveyor pendant la phase de freinage atmosphérique. On voit nettement la différence entre le périapse et l'apoapse. Après l'aérofreinage, l'orbite est devenue circulaire et l'altitude de l'apoapse est égale à celle du périapse. L'argument du périastre est également indiqué sur le schéma (Crédit photo : droits réservés).

L'orbite de Mars Global Surveyor est presque polaire. L'inclinaison (i), c'est à dire l'angle entre le plan de l'orbite et l'équateur martien, avoisine ici les 90 ° (Crédit photo : droits réservés).

Le nœud ascendant de l'orbite est le point de l'orbite qui croise l'équateur martien, lorsque la sonde monte vers le pôle nord (Crédit photo : droits réservés).

Une orbite héliosynchrone se caractérise par le fait que l'angle formé entre le plan de l'orbite et la direction Mars - Soleil reste constant tout au long de l'année (Crédit photo : © Philippe Labrot, d'après un schéma de l'atlas de géographie de l'espace de Fernand Verger).

TRAJECTOIRES

Cela fait plusieurs années que cette idée trotte dans votre tête, mais cette fois ci c'est décidé, vous allez partir en vacances sur la planète Mars, ou plus simplement, vous voulez lancer une modeste sonde spatiale pour vous rendre compte par vous-même de la hauteur des volcans martiens. Seulement voila, ce n'est pas faute d'avoir cherché, mais vous n'avez trouvé aucun guide touristique qui explique en détails comment vous rendre là bas. Quand faut-il partir, quelle fusée choisir, vos questions sont restées sans réponses. Ayant moi-même rencontré ces problèmes de base, j'ai décidé de créer cette page qui vous expliquera en long, en large et en travers la méthode à suivre pour atteindre la planète de vos rêves.

Une boite de vitesse à trois positions

La première préoccupation de tout vaisseau spatial qui voudra se diriger vers la planète rouge sera d'échapper à la force d'attraction qui émane du puits de gravité terrestre. Pour voyager dans le système solaire et suivant les objectifs à atteindre, on a définit 3 vitesses différentes que l'on nomme vitesses cosmiques.

La première vitesse cosmique (7,9 km/s) définit la vitesse qu'il faut atteindre pour pouvoir se placer en orbite autour de la Terre. Si la vitesse d'une sonde est inférieure à cette vitesse, l'engin suit une trajectoire balistique en décrivant une belle courbe mais finira toujours par retomber un peu plus loin. Par contre, si la première vitesse cosmique est dépassée, la satellisation autour de la Terre est effectuée et la sonde ne cessera de tourner autour de notre planète en suivant une orbite circulaire.

La deuxième vitesse cosmique (11,2 km/s) représente la vitesse limite permettant de s'évader définitivement de l'influence gravitationnelle de la Terre. Cette vitesse est également connue sous le nom de vitesse de libération. Si vous réglez la vitesse du vaisseau entre la première et la deuxième vitesse cosmique, vous tournerez toujours autour de la Terre, mais en suivant une orbite non plus circulaire mais elliptique (si la vitesse de l'engin spatial est égale à 11,2 km/s, la trajectoire qu'il suivra sera une parabole). D'un autre côté, si un vaisseau lancé depuis la Terre possède une vitesse supérieure à 11,2 km/s, il s'échappe de l'influence terrestre sur une orbite hyperbolique.

Enfin, si vous avez vraiment besoin de changement, vous pouvez lancer votre vaisseau à une vitesse supérieure à la troisième vitesse cosmique. A ce moment là, vous avez assez d'énergie pour sortir complètement du système solaire et partir pour un petit voyage vers les étoiles. Mais ce cas un peu extrême ne va pas nous intéresser ici.

Quitter la Terre

Pour quitter la Terre et partir en direction de Mars, il faut donc donner à votre vaisseau une impulsion telle qu'il puisse dépasser la deuxième vitesse cosmique (Ve). Mais n'allez pas croire que seul le lanceur participe à l'impulsion initiale donnée à une sonde. Les engins spatiaux lancés à destination des autres planètes profitent avant tout de la vitesse de révolution de la Terre autour du Soleil et non pas de la vitesse fournie par le fonctionnement de leur moteur. Notre planète avance en effet sur son orbite à une vitesse d'environ 108 000 km/h ! Il serait dommage de ne pas profiter un peu de cette formidable poussée que procure le mouvement de la Terre.

La vitesse d'une sonde injectée sur une orbite héliocentrique représente donc la somme vectorielle de la vitesse de la Terre autour du soleil (Vt, 29,8 km/s ou 108 000 km/h) et d'une partie de la vitesse (Vr) que le lanceur a communiqué à la sonde. La vitesse Vr est appelée vitesse résiduelle. Elle correspond en gros à la différence entre la deuxième vitesse cosmique et la vitesse fournie par le lanceur. Après avoir payé les 11,2 km/s nécessaires pour échapper à l'attraction de la Terre, la vitesse restante est entièrement à la disposition de la sonde pour son voyage Terre - Mars.

Maintenant que vous connaissez la vitesse à atteindre pour partir vers Mars, il ne faut parler un peu de la direction ! Pour atteindre la planète rouge qui fait partie du système solaire externe, il faut partir dans la même direction que celle que la Terre suit sur son orbite. Par contre, pour atteindre une planète du système solaire interne (c'est à dire une planète située entre la Terre et le Soleil, comme Vénus), il faut penser à partir dans la direction opposée à celle du déplacement de la Terre.

Voyage en classe économique : l'orbite de transfert de Hohmann

En résumé, on peut donc penser que pour s'offrir une croisière martienne, il n'y a qu'à propulser dans la bonne direction un engin spatial à une vitesse suffisante pour que celui ci s'échappe de l'influence terrestre. Une fois dans l'espace, le vaisseau affine son orientation, allume son propre moteur et commence son voyage. Le hic, c'est qu'un voyage classique dure de nombreux mois. Comme les distractions sont rares dans l'espace et que les étoiles se ressemblent toutes lorsqu'elles sont vues à travers un hublot, le voyage risque vite de tourner au cauchemar, tant il sera ennuyeux. Mais qu'importe ! Pour aller un peu plus vite et réduire la durée du trajet à quelques semaines, la sonde n'aurait qu'a être équipé d'un moteur puissant dotés de réservoirs de carburant conséquents...

Malheureusement, les réserves de carburant d'une sonde sont forcément limitées à cause du poids et les lanceurs actuels, aussi puissants soient-ils, ne peuvent tout simplement pas lancer des dizaines et des dizaines de tonnes vers une autre planète. Sans compter que tout supplément de poids dans une mission à un coût absolument rédhibitoire. Il a donc fallu trouver une solution économique pour le lancement des sondes.

Pour effectuer un voyage qui soit le plus économique possible en direction de Mars, un vaisseau spatial doit suivre une trajectoire elliptique dont l'une des extrémités touche la Terre et l'autre Mars. En d'autres termes, le vaisseau est placé sur une orbite solaire dont le périhélie (le point de l'orbite le plus proche du Soleil ) est occupé par la Terre et dont l'aphélie (le point de l'orbite le plus éloigné du Soleil) est occupé par Mars.

Ce type de trajectoire permet de transférer un objet entre deux planètes avec une dépense énergétique minimale. Elle a été découverte par un ingénieur allemand en 1925 (Walter Hohmann). C'est pourquoi on l'appelle souvent trajectoire de transfert de Hohmann. Si l'on considère que les orbites martiennes et terrestres sont parfaitement circulaires (ce qui n'est en fait pas le cas), l'orbite de transfert de Hohmann est tangente à l'orbite de la Terre au point de départ et tangente à l'orbite de Mars à l'arrivée. On distingue de plus deux types de trajectoires. Si une sonde emprunte une orbite de transfert qui dessine un angle inférieur à 180° autour du soleil, on qualifie cette trajectoire de type I. Par contre, si la sonde suit une trajectoire de plus de 180° autour du soleil, l'orbite est dite de type II.

Les fenêtres de tir : quand faut-il partir ?

Ce paragraphe va nous permettre d'illustrer l'une des plus belles originalités des voyages interplanétaires. Lorsque vous vous déplacez sur la Terre, vous suivez en général une trajectoire qui vous amène droit vers votre destination, une destination qui demeure dans la même position relative vis à vis de votre point de départ. Ce n'est pas du tout le cas pour les sondes interplanétaires. La trajectoire que l'on imprime à un vaisseau spatial pointe dans une direction qui est totalement inoccupée au moment du départ. Ce n'est qu'au terme du voyage que le point d'arrivée sera occupé par la planète que l'on désire atteindre. C'est cette mobilité de la cible à atteindre et la ronde perpétuelle des planètes autour du soleil qui explique que les lancements ne peuvent avoir lieu qu'à l'intérieur de périodes bien déterminées dans le temps. On désigne ces périodes propices aux lancements sous le nom de fenêtre de tir.

Une sonde lancée sur une orbite de transfert de Hohmann mettrait 520 jours pour en faire le tour. Comme la Terre est située au périhélie et Mars à l'aphélie, une sonde ne doit parcourir que la moitié de cette orbite pour arriver à destination soit 260 jours. Pendant ce laps de temps, la planète Mars aura parcouru une certaine distance, que l'on peut calculer aisément. Mars boucle un tour en 687 jours (c'est la durée d'une année martienne). Depuis sa position au moment du lancement, la planète aura donc parcouru un angle de 260/687 x 360°, soit 136° autour du soleil. On peut alors calculer la position relative de la Terre et de Mars au rapport au soleil pour que le lancement soit réussi et que le vaisseau arrive à atteindre sa destination : 180° - 136° = 44 °. Ainsi, les lancements ne sont possibles que lorsque la terre est située 44° en arrière de la planète Mars. Cette condition n'apparaît que tous les 26 mois, 50 jours en moyenne avant les oppositions (en période d'opposition, Mars est au plus proche de la Terre et l'angle Mars - Soleil - Terre vaut alors 0°).

Seules les sondes lancées à l'intérieur d'une fenêtre de tir ont une chance d'atteindre Mars. Notez que pendant le vol, les planètes vont continuer leur ballet autour du soleil. Pendant les 9 mois nécessaires au parcours de la moitié de l'orbite de transfert, la planète Terre va rattraper Mars et lui passer devant ! Au moment de l'arrivée, notre planète se retrouvera même à 90° devant Mars ! Rien ne sert de courir, il faut partir à point !

Si un vaisseau qui part au moment de l'ouverture d'une fenêtre de tir est assuré d'arriver à destination, la date du départ à l'intérieur de la fenêtre a tout de même une certaine importance. Pour le comprendre, prenons l'exemple de la sonde Mars Climate Orbiter. Sa fenêtre de tir s'ouvrait le 10 décembre et se refermait le 25 décembre. La sonde, après avoir été immobilisée un jour sur son pas de tir, a finalement pu s'envoler le 11 décembre, c'est à dire au début de la période autorisant le lancement. Si le lancement n'avait pu avoir lieu pour différentes raisons (problèmes techniques, mauvaises conditions météorologiques) qu'à la fin de la fenêtre de tir, la vitesse de la sonde aurait été plus élevée lors de son arrivée sur Mars et la période de l'orbite suivie après la manœuvre d'insertion orbitale aurait été d'environ 20 heures, contre 12 heures si la sonde pouvait partir à temps dès le début de l'ouverture de la fenêtre de tir. Quelle que soit la période de l'orbite suivie par la sonde après la manœuvre d'insertion orbitale, celle ci devait être ramenée à 2 heures par aérofreinage. On comprend alors l'importance d'un départ à temps. Un léger retard dans le lancement, et la période de révolution de l'orbite initiale autour de Mars passait de 10 à 20 heures. 8 heures de trop qu'il fallait alors enlever en prolongeant l'aérofreinage et en retardant le moment ou la sonde allait enfin se retrouver sur son orbite finale de cartographie. Notons ici que Mars Climate Orbiter devait également absolument être à poste avant l'arrivée de Mars Polar Lander pour pouvoir supporter cette mission et jouer le rôle de satellite relais. Un allongement de la période d'aérofreinage n'était guère souhaitable dans cette situation. De toute façon, toutes ses considérations ne sont finalement que purement théoriques car la sonde s'est lamentablement crashée lors de la mise en orbite...

Les orbites de la Terre et de Mars ne sont pas parfaitement circulaires, et elles ne sont pas situées dans le même plan. Ainsi, les fenêtres de tir ne sont pas identiques entres elles, certaines étant plus favorables que d'autres. Par exemple, lors d'une opposition périhélique (Mars passe alors au plus près du soleil) , la distance entre Mars et la Terre est bien moins importante que lors d'une opposition aphélique (ou la planète Mars est la plus éloignée du soleil). En opposition périhélique, la distance Terre-Mars est de 56 millions de kilomètres, contre 100 millions dans le pire des cas pour une opposition aphélique. En 2003, Mars va passer à 56 millions de kilomètres de la Terre. Ce sera donc une année exceptionnelle pour lancer des sondes et il n'y a rien d'étonnant à constater que les départs programmés pour cette année seront effectivement très nombreux (voir en particulier le tableau chronologique).

Couper dans les virages

Un vaisseau qui voudrait voler à l'économie peut donc emprunter l'orbite de transfert de Hohmann. Il ne dépensera qu'un minimum d'énergie, mais mettra en moyenne 9 mois pour atteindre sa destination. Une durée qui peut paraître bien longue pour certains impatients.

Il est heureusement possible de doter la sonde d'un minimum de carburant pour son voyage entre la Terre et Mars et de couper sauvagement dans les virages ! En fonction de leur poids et de la quantité de carburant embarquée, les sondes peuvent emprunter des trajectoires plus tendues et plus rapides (6 mois de voyage contre les 9 mois en classe économique). Bien entendu, plus la sonde peut aller vite, plus court est le voyage (au grand maximum, le voyage peut durer seulement 131 jours). L'utilisation de trajectoires sécantes plus courtes et plus rapides augmente également la durée de la fenêtre de lancement, ce qui est un avantage certain.

Malheureusement, une vitesse élevée a deux inconvénients majeurs. Premièrement, il faut une grande quantité de carburant. Et pour transporter tout ce carburant, il faut encore plus de puissance, c'est à dire plus de carburant ! On le voit, il a y ici un beau cercle vicieux. Le deuxième inconvénient concerne le freinage à effectuer une fois à proximité de la planète. Ce n'est pas tout d'aller vite, il faut aussi pouvoir se placer en orbite autour de Mars (ou atterrir à sa surface en douceur). Qui dit insertion en orbite dit forcément ralentissement. Il faut effectivement que la sonde aille suffisamment lentement pour être capturé par le champ de gravité martien, sinon elle continue sur son orbite héliocentrique en laissant la planète derrière elle ! Plus la vitesse à l'arrivée est importante, plus le freinage doit être fort. Ce qui pose problème, car le freinage consomme une très grande quantité de carburant, et cette quantité est forcément limitée. Notez que nous parlons ici du carburant nécessaire pour la mise en orbite et non celui requis pour modifier l'orbite après l'insertion. La technique de l'aérofreinage permet d'économiser du carburant pour la modification de l'orbite, mais seulement après que la sonde se soit placée en orbite. Seule la technique de l'aérocapture pourrait présenter un avantage.

Nous l'avons vu, un vaisseau lancé depuis la Terre bénéficie de la vitesse de celle ci dans l'espace. Une vitesse qui est loin d'être négligeable, puisqu'elle avoisine les 108 000 km/h. C'est cette vitesse incroyable qui permet à la sonde de parcourir en un laps de temps raisonnable les centaines de millions de kilomètres de l'orbite de transfert de Hohmann. Cependant, la planète rouge circule aussi à grande vitesse sur son orbite, même si elle se déplace un peu moins vite que la Terre (ce qui est normal car elle est située plus loin du soleil que notre planète). Sa vitesse est de 87 000 km/h. Une sonde spatiale fonce donc vers Mars comme un bolide à une vitesse égale à la différence des deux planètes, soit environ 20 000 km/h. Pour se placer en orbite, il lui faut ralentir jusqu'à la vitesse limite de 2700 km/h, sinon elle échappera à l'influence de Mars et continuera comme si de rien n'était sur sa lancée. On le voit, le coup de frein à donner est loin d'être banal !

Trucs et astuces

L'effet de fronde : profiter de la vitesse de rotation de la Terre pour le lancement

Voici quelques petites astuces pour aller plus vite sans rien dépenser. C'est bien beau de profiter de la vitesse de la Terre dans sa course autour du soleil, mais on peut aussi profiter de sa rotation ! Comme vous le savez tous, la Terre tourne sur elle-même, mais à des vitesses différentes suivant les endroits ou l'on se trouve. Par exemple, si vous voulez partir depuis le pôle nord, vous ne pourriez pas choisir pire endroit, car la vitesse de rotation est nulle ! Le mieux (et le plus logique pour des vacances), c'est l'équateur. Effectivement un point situé à l'équateur tourne plus vite qu'un point situé à une latitude supérieure. Ainsi, rien qu'en restant sur son pas de tir, le vaisseau se déplace déjà à 1650 km/h par rapport au centre de la Terre. C'est toujours ça de gagné sur les 28 000 km/h nécessaires pour se placer en orbite basse ou les 40 000 km/h nécessaires pour échapper à l'attraction terrestre. Attention cependant : un lancement équatorial n'est requis que pour les orbites faiblement inclinées sur l'écliptique comme celles empruntées par les sondes interplanétaires, il ne présente aucun avantage pour atteindre des orbites polaires !

Comme les principaux sites de lancement sont situés à des latitudes différentes, ils n'offrent pas tous les mêmes performances. Kourou, situé à proximité de l'équateur, occupe une place privilégiée. Cap Canaveral en Floride est en deuxième position dans le classement. On trouve ensuite Baïkonour au Kazakhstan et Plesetsk en Russie. Je présente ici les sites de lancement les plus connus, libre à vous d'en choisir un autre comme Wallops aux Etats-Unis, Kagoshima au Japon, Xichang en Chine ou même la plate-forme italienne de San Marco ! Un lancement dans des conditions optimales (c'est à dire depuis l'équateur) est également possible en même temps qu'une petite croisière en mer grâce à la toute nouvelle plate-forme mobile de lancement SeaLaunch (construite à partir d'une plate-forme pétrolière).

L'assistance gravitationnelle, ou comment utiliser les autres planètes pour accélérer

Il y a également une astuce qui permet à une sonde de modifier gratuitement sa direction, son inclinaison par rapport au plan de l'écliptique et surtout sa vitesse de manière gratuite. Il s'agit de l'assistance gravitationnelle. J'y consacre ici un petit paragraphe car la petite sonde japonaise Nozomi a employé cette technique pour partir vers Mars. Pour profiter de l'assistance gravitationnelle, il faut définir la trajectoire de notre sonde de manière à ce qu'elle vienne à la rencontre d'une planète en arrivant dans son dos. Dans un premier temps, la sonde s'approche de la planète et finit par rentrer dans sa zone d'influence. Le puits gravitationnel attire de plus en plus la sonde qui voit sa vitesse augmenter. Bien entendu, la trajectoire de la sonde a été établie de manière à éviter une collision avec la planète choisie. Notre vaisseau spatial dépasse donc la planète sain et sauf et sort progressivement du puits gravitationnel de celle ci, en perdant petit à petit de la vitesse. A la fin du survol, la sonde a perdu autant de vitesse pendant la phase de sortie qu'elle n'en a gagné pendant la phase d'entrée. Vous êtes sans doute en train de vous demander la finalité de cette manœuvre qui n'a apparemment servi à rien. Pourtant la vitesse de la sonde a considérablement augmenté. Effectivement, lorsque la sonde quitte définitivement l'influence gravitationnelle de la planète à la fin du survol, sa vitesse est égale à la somme vectorielle de sa vitesse initiale et de la vitesse de la planète autour du Soleil, qui est loin d'être négligeable. Notons que cette manœuvre modifie aussi sensiblement la direction de la sonde, qui est courbée par la planète survolée.

Le choix de la fusée

Le choix du lanceur est un élément crucial pour réussir un voyage vers Mars. Il va dépendre d'un certain nombre de paramètres, comme la masse du vaisseau ou de la sonde (qui va conditionner la puissance nécessaire), le type de trajectoire désirée (économique ou rapide) et bien entendu les ressources financières disponibles. Le poids du vaisseau à lancer est un élément qui intervient de manière capitale dans le coût de la mission.

Inutile ici de déblatérer inutilement, il n'y a aucun mal à reprendre les travaux de nos prédécesseurs. Vous pourrez donc trouver de nombreux renseignements en étudiant les lanceurs qui ont réellement été utilisés pour l'exploration spatiale de la planète Mars de 1960 à nos jours et faire votre choix entre des fusées de plusieurs nationalités.

Du côté Russe, le choix se limite à la vénérable R7 Molnya (plutôt vieille mais assez fiable, utilisé pour les premières sondes martiennes soviétiques) et le lanceur Proton (le top du top, ce lanceur a propulsé de nombreuses sondes soviétiques et russes mais il a connu quelquefois, comment dire, des ratés au décollage). Notons que la sonde Mars Express de l'Agence Spatiale Européenne devrait être lancée en 2003 par une fusée soviétique R7 Soyouz dotée d'un troisième étage de type Fregat.

Côté américain, il y a plus de choix : Atlas/Agena (un peu poussif, utilisé pour les premières sondes martiennes de type Mariner dont Mariner 4), Atlas/Centaur (déjà mieux, utilisé entre autre par Mariner 9), Titan III-E (le lanceur des sondes Viking et Mars Observer, attention les yeux, celui ci dépote sec !), Delta II 7925 (très à la mode depuis Pathfinder), Delta II 7425 (le dernier cri, utilisé par Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander).

A noter l'arrivée d'une petite japonaise très sympathique, la M-5, mise en oeuvre pour la sonde Nozomi.

Enfin, dans les années à venir, notre fameux lanceur Ariane 5 va aussi être disponible pour les voyages à destination de la planète




COMMENT ECHAPPER AU PUITS GRAVITATIONNEL

Pour lancer une sonde vers Mars et échapper au puits gravitationnel de la Terre, il faut insuffler à l'engin une vitesse supérieure à la deuxième vitesse cosmique (11,2 km/s). Il faut donc utiliser un lanceur capable de développer suffisamment de poussée pour atteindre cette vitesse, comme la fusée Proton que l'on peut admirer ici en plein décollage et qui a contribué à l'envoi de nombreuses sondes soviétiques vers Mars. L'orbite la plus économique pour atteindre Mars, l'orbite de transfert de Hohmann, permet d'effectuer le voyage en 9 mois. Il est possible d'aller plus vite et de raccourcir la durée du voyage, mais au prix d'une dépense énergétique importante aussi bien pour l'accélération au départ que pour la décélération à l'arrivée, sans parler de l'escalade des coûts de la mission. La vitesse à laquelle une sonde peut se déplacer possède effectivement des limites. La première concerne le lanceur. Les fusées actuelles ont des capacités limitées et certaines vitesses sont absolument impossibles à atteindre avec les technologies dont nous disposons. La deuxième concerne l'énergie à dépenser pour freiner en vue de la mise en orbite ou de l'atterrissage de la sonde. Plus le freinage est important, plus le moteur de la sonde doit être puissant et plus la masse de propergols à brûler doit être élevée (ce qui augmente au final la masse de la sonde, donc la puissance du lanceur à utiliser, donc le coût de la mission). Au- delà d'une certaine vitesse, la puissance qu'il faut délivrer pour le freinage enlève tout avantage au gain de temps obtenu par le surcroît de vitesse de l'engin spatial pendant son voyage Terre - Mars (Crédit photo : International Launch Services).

A cause du changement continuel de position de Mars par rapport à la Terre, les lancements ne peuvent avoir lieu que lors de certaines périodes, que l'on appelle fenêtre de tir. En ce qui concerne Mars, les lancements ne sont possibles que lorsque la planète Terre est située à 44° en arrière par rapport à Mars. Cette situation ne se présente que tous les 26 mois, à proximité des périodes d'opposition. Après le lancement, la vitesse de la sonde sur son orbite héliocentrique de transfert (Vs) est égale à la somme vectorielle de la vitesse de la Terre (Vt) et d'une partie de la vitesse que la sonde a reçu du lanceur (Vr). Pour partir vers le système solaire externe, on lance la sonde dans la direction de la Terre. Pour atteindre une planète du système solaire interne comme Vénus, c'est le contraire. En A, position respective de Mars et de la Terre au moment du lancement. En B, la position respective de Mars et de la Terre lors de l'atterrissage (Crédit photo : © Philippe Labrot).

Lorsqu'une sonde spatiale suit une trajectoire de type I, elle décrit autour du Soleil un arc de moins de 180° (schéma du haut). Au contraire, dans le cas d'une trajectoire de type II (schéma du bas), l'arc dépasse les 180° (Crédit photo : © Philippe Labrot).

La sonde Mars Pathfinder a suivi une trajectoire de type I. Celle-ci était plutôt rapide et la sonde l'a parcouru en sept mois, le lancement ayant eu lieu le 4 décembre 1996 et l'atterrissage le 4 juillet 1997. Lancée après Mars Global Surveyor, la sonde Pathfinder est arrivée bien avant ! En A, la position respective de Mars et de la Terre au moment du lancement. En B, la position respective de Mars et de la Terre lors de l'atterrissage (Crédit photo : © Philippe Labrot).

La fenêtre de tir de la sonde Mars Global Surveyor s'est ouverte le 5 novembre 1997 et s'est refermée 20 jours plus tard, le 25 novembre 1997. La sonde a été lancée sans problème à l'intérieur de cette plage le 7 novembre 1996 depuis Cap Canaveral. Après un voyage de 10 mois et 750 millions de kilomètres au compteur, Mars Global Surveyor est arrivée sur Mars le 12 septembre 1997. La sonde a suivi une trajectoire de type II. Bien que partie avant Mars Pathfinder, elle s'est fait doublée en cours de route et elle est arrivée sur Mars avec un mois de retard par rapport à Pathfinder. La trajectoire suivie par Pathfinder apparaît également sur le schéma (Crédit photo : © Philippe Labrot).

Mars Polar Lander a suivi une belle trajectoire de type II. Lancée le 3 janvier 1999, la sonde devait atterrir sur Mars le 3 décembre 1999, après un assez long voyage de 11 mois. Pendant la première partie de son voyage, Mars Polar Lander s'est porté légèrement vers le Soleil avant de recouper l'orbite terrestre et de partir vers l'extérieur en direction de Mars. A la fin du voyage, la sonde s'est déportée un peu sur le côté extérieur de l'orbite de Mars avant de se rabattre pour la couper à nouveau juste avant l'atterrissage. Ce cheminement compliqué lui a permis d'arriver au-dessus de la bonne région à la bonne date. En A, la position de la Terre au moment du lancement. En B, la position de Mars lors de l'atterrissage (Crédit photo : © Philippe Labrot).