Curiosité passant dans l'atmosphère martienne. Crédit :NASA/JPL
C'est dommage que Mars soit un endroit si intéressant, car c'est en fait l'un des endroits les plus difficiles à visiter dans le système solaire, surtout si vous voulez emporter beaucoup de bagages. Cette planète est un cimetière de missions qui n'ont pas tout à fait réussi.
Au fur et à mesure que nos ambitions grandissent, et nous pensons à explorer Mars avec des humains - peut-être même de futurs colons - nous allons devoir résoudre l'un des plus gros problèmes de l'exploration spatiale :réussir à faire atterrir de lourdes charges utiles à la surface de Mars est vraiment, vraiment difficile à faire.
Il y a un tas de défis avec Mars, y compris son absence de magnétosphère protectrice et sa gravité à la surface inférieure. Mais l'un des plus importants est sa fine atmosphère de dioxyde de carbone. Si vous vous teniez à la surface de Mars sans combinaison spatiale, vous mourriez de froid et vous vous asphyxieriez par manque d'oxygène. Mais vous feriez également l'expérience de moins de 1% de la pression atmosphérique que vous appréciez ici sur Terre.
Et il s'avère, cette atmosphère mince rend incroyablement difficile l'acheminement en toute sécurité de charges utiles importantes à la surface de la planète rouge. En réalité, seulement 53% des missions vers Mars se sont réellement déroulées correctement. Parlons donc de la façon dont les missions vers Mars ont fonctionné dans le passé, et je vais vous montrer quel est le problème.
Atterrir sur Mars est le pire
Historiquement, les missions vers Mars sont lancées depuis la Terre pendant les fenêtres de vol qui s'ouvrent tous les deux ans environ lorsque la Terre et Mars sont plus proches. ExoMars a volé en 2016, InSight en 2018, et le rover Mars 2020 s'envolera, bien, 2020.
Les missions suivent une trajectoire de transfert interplanétaire conçue pour soit y arriver le plus rapidement, ou avec le moins de carburant.
Alors que le vaisseau spatial pénètre dans l'atmosphère de Mars, il roule à des dizaines de milliers de kilomètres à l'heure. En quelque sorte, il doit perdre toute cette vitesse avant d'atterrir doucement sur la surface de la planète rouge.
Ici sur Terre, vous pouvez utiliser l'atmosphère terrienne épaisse pour ralentir votre descente, purger votre vitesse avec un bouclier thermique. Les tuiles de la navette spatiale ont été conçues pour absorber la chaleur de rentrée, alors que l'orbiteur de 77 tonnes est passé de 28, 000 km/h à zéro.
Une technique similaire pourrait être utilisée sur Vénus ou Titan, qui ont des atmosphères épaisses.
La lune, sans aucune atmosphère, est relativement simple à atterrir, également. Sans aucune atmosphère, il n'y a pas besoin d'un bouclier thermique; vous utilisez simplement la propulsion pour ralentir votre orbite et atterrir à la surface. Tant que vous apportez suffisamment de propulseur, vous pouvez coller l'atterrissage.
De retour sur Mars, avec un vaisseau spatial fonçant dans sa mince atmosphère à plus de 20, 000 kilomètres par heure.
Vue d'artiste de l'InSight Lander commençant son entrée, phase de descente et d'atterrissage (EDL) vers Mars. Crédit :NASA
La curiosité est la limite
Traditionnellement, les missions ont commencé leur descente avec un aéroshell pour supprimer une partie de la vitesse du vaisseau spatial. La mission la plus lourde jamais envoyée sur Mars était Curiosity, qui pesait 1 tonne métrique, ou 2, 200 livres.
Quand il est entré dans l'atmosphère martienne, il roulait à 5,9 kilomètres par seconde, ou 22, 000 kilomètres à l'heure.
Curiosity avait le plus gros aéroshell jamais envoyé sur Mars, mesurant 4,5 mètres de diamètre. Cet énorme aéroshell était incliné à un angle, permettant au vaisseau spatial de manœuvrer lorsqu'il heurte la mince atmosphère de Mars, visant une zone d'atterrissage spécifique.
A environ 131 kilomètres d'altitude, le vaisseau spatial commencerait à tirer des propulseurs pour ajuster la trajectoire à l'approche de la surface de Mars.
Après environ 80 secondes de vol dans l'atmosphère, les températures sur le bouclier thermique sont montées à 2, 100 degrés Celsius. Pour éviter de fondre, le bouclier thermique a été fabriqué avec un matériau spécial appelé ablateur de carbone imprégné de phénolique, ou PICA, le même matériau que SpaceX utilise pour ses Dragon Capsules.
Une fois qu'il a ralenti sa vitesse à moins de Mach 2,2, le vaisseau spatial a déployé le plus grand parachute jamais construit pour une mission vers Mars – 16 mètres de diamètre. Ce parachute pourrait générer 29, 000 kilogrammes de force de traînée, le ralentir encore plus.
Illustration de la grue aérienne de Curiosity, en le plaçant doucement sur Mars. Crédit :NASA/JPL
Les suspentes étaient en Technora et Kevlar, qui sont à peu près les matériaux les plus solides et les plus résistants à la chaleur que nous connaissons.
Puis il a largué son parachute et a utilisé des moteurs de fusée pour ralentir encore plus sa descente. Quand il était assez proche, Curiosity a déployé une grue aérienne qui a abaissé doucement le rover vers la surface.
Ceci est la version rapide. Si vous voulez un aperçu complet de ce que Curiosity a vécu lors de son atterrissage sur Mars, Je vous recommande fortement de consulter Emily Lakdawalla La conception et l'ingénierie de la curiosité .
Aller plus lourd n'évolue pas
Vous voulez faire la même chose avec des charges utiles plus lourdes ? Je suis sûr que vous imaginez de plus gros aéroshells, plus gros parachutes, de plus grandes grues aériennes. En théorie, le SpaceX Starship enverra 100 tonnes de colons et leurs affaires à la surface de Mars.
Voici le problème. Les méthodes de décélération dans l'atmosphère martienne n'évoluent pas très bien.
Illustration d'artiste du vaisseau spatial SpaceX. Crédit :SpaceX
D'abord, commençons par les parachutes. Pour être honnête, à 1 tonne, La curiosité est à peu près aussi lourde que ce que vous pouvez obtenir en utilisant un parachute. Plus lourd, et il n'y a tout simplement pas de matériaux que les ingénieurs peuvent utiliser pour supporter la charge de décélération.
Il y a quelques mois, Les ingénieurs de la NASA ont célébré le test réussi de l'expérience de recherche avancée sur l'inflation des parachutes supersoniques, ou ASPIRE. C'est le parachute qui sera utilisé pour la mission du rover Mars 2020.
Ils ont mis le parachute fait de tissus composites avancés comme le nylon, Technora et Kevlar, sur une fusée-sonde et l'a lancée à une altitude de 37 kilomètres, imitant les conditions que le vaisseau spatial connaîtra à son arrivée sur Mars.
Le parachute déployé en une fraction de seconde, et lorsqu'il est complètement gonflé, expérimenté 32, 000 kilogrammes de force. Si vous étiez à bord à ce moment-là, vous subiriez 3,6 fois plus de force que de vous écraser contre un mur à 100 km/h en portant votre ceinture de sécurité. En d'autres termes, tu ne survivrais pas.
Si le vaisseau spatial était plus lourd, le parachute devrait être fait de tissus composites impossibles. Et oubliez les passagers.
La NASA a testé des idées pour faire atterrir des charges utiles allant jusqu'à 3 tonnes sur Mars. Une idée s'appelle le décélérateur supersonique à basse densité, ou LDSD. L'idée est d'utiliser un décélérateur aérodynamique beaucoup plus grand qui se gonflerait autour du vaisseau spatial comme un château gonflable lorsqu'il entre dans la gravité martienne.
La charge utile ASPIRE se sépare de son booster. Crédit :NASA/JPL/Caltech
En 2015, La NASA a en fait testé cette technologie, transportant un véhicule prototype sur un ballon à une altitude de 36 kilomètres. Le véhicule a alors tiré sa fusée solide, le portant à une altitude de 55 kilomètres.
Alors qu'il montait en flèche, il a gonflé son décélérateur aérodynamique gonflable supersonique à un diamètre de six mètres (ou 20 pieds), ce qui l'a ensuite ralenti jusqu'à Mach 2,4. Malheureusement, son parachute ne s'est pas déployé correctement, alors il s'est écrasé dans l'océan Pacifique.
C'est le progrès. S'ils peuvent réellement travailler sur l'ingénierie et la physique, nous pourrions un jour voir un vaisseau spatial de trois tonnes atterrir à la surface de Mars. Trois tonnes entières.
Plus de propulsion, Moins de cargaison
La prochaine idée pour intensifier un atterrissage sur Mars est d'utiliser plus de propulsion. En théorie, vous pouvez simplement transporter plus de carburant, tirez vos roquettes quand vous arrivez sur Mars, et annuler toute cette vitesse. Le problème, bien sûr, c'est que plus il faut de masse pour décélérer, le moins de masse que vous pouvez réellement atterrir sur la surface de Mars.
Le vaisseau spatial SpaceX devrait utiliser un atterrissage propulsif pour faire descendre 100 tonnes à la surface de Mars. Parce que c'est plus direct, chemin plus rapide, le vaisseau spatial frappera l'atmosphère martienne à une vitesse supérieure à 8,5 km/s, puis utilisera des forces aérodynamiques pour ralentir son entrée.
Ça n'a pas besoin d'aller si vite, bien sûr. Le vaisseau pourrait utiliser l'aérofreinage, traversant plusieurs fois la haute atmosphère pour évacuer la vitesse. En réalité, c'est la méthode utilisée par les engins spatiaux orbitaux vers Mars.
Illustration d'artiste du décélérateur supersonique basse densité. Crédit :NASA
Mais ensuite, les passagers à bord devraient passer des semaines pour que le vaisseau spatial ralentisse et se mette en orbite autour de Mars, puis redescendre dans l'atmosphère.
Selon Elon Musk, sa stratégie délicieusement peu intuitive pour gérer toute cette chaleur consiste à construire le vaisseau spatial en acier inoxydable, puis de minuscules trous dans la coque évacueront le méthane pour garder le côté au vent du vaisseau spatial frais.
Une fois qu'il perd suffisamment de vitesse, ça va tourner, tirer ses moteurs Raptor et atterrir doucement sur la surface de Mars.
Visez le sol, Tirez à la dernière minute
Chaque kilogramme de carburant que le vaisseau spatial utilise pour ralentir sa descente à la surface de Mars est un kilogramme de cargaison qu'il ne peut pas transporter à la surface. Je ne suis pas sûr qu'il existe une stratégie viable qui permettra de faire atterrir facilement de lourdes charges utiles à la surface de Mars. Les gens plus intelligents que moi pensent que c'est pratiquement impossible sans utiliser d'énormes quantités de propulseur.
Cela dit, Elon Musk pense qu'il y a un moyen. Et avant d'écarter ses idées, regardons les boosters jumeaux de la fusée Falcon Heavy atterrir parfaitement ensemble. Et ne faites pas attention à ce qui est arrivé au booster central.
Illustration de l'atterrissage du vaisseau spatial SpaceX sur Mars. Crédit :SpaceX
Une nouvelle étude du département d'aérospatiale de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign propose que les missions vers Mars pourraient tirer parti de l'atmosphère plus épaisse qui est plus proche de la surface de Mars.
Dans leur article intitulé "Entry Trajectory Options for High Ballistic Coefficient Vehicles at Mars, " les chercheurs proposent que les engins spatiaux volant vers Mars n'aient pas besoin d'être si pressés pour se débarrasser de leur vitesse.
Alors que le vaisseau spatial hurle dans l'atmosphère, il sera toujours capable de générer beaucoup de portance aérodynamique, qui pourrait être utilisé pour le diriger dans l'atmosphère.
Ils ont effectué les calculs et ont découvert que l'angle idéal était de diriger le vaisseau spatial vers le bas et de plonger vers la surface. Puis, au dernier moment possible, tirez en utilisant la portance aérodynamique pour voler latéralement à travers la partie la plus épaisse de l'atmosphère.
Cela augmente la traînée et vous permet de vous débarrasser de la plus grande quantité de vitesse avant d'allumer vos moteurs de descente et de terminer votre atterrissage motorisé.
Ça sonne, euh, amusant.
Si l'humanité veut construire un avenir viable à la surface de Mars, nous allons devoir résoudre ce problème. Nous allons devoir développer une série de technologies et de techniques qui rendent l'atterrissage sur Mars plus fiable et plus sûr. Je pense que ça va être beaucoup plus difficile que ce à quoi les gens s'attendent, mais j'attends avec impatience les idées qui seront testées dans les années à venir.
