C'est dommage que Mars soit un endroit si intéressant, car c'est en fait l'un des endroits les plus difficiles à visiter du système solaire, surtout si vous voulez apporter beaucoup de bagages. Cette planète est un cimetière de missions qui n’ont pas tout à fait réussi.
Alors que nos ambitions grandissent et que nous pensons à explorer Mars avec les humains - peut-être même les futurs colons - nous devrons résoudre l'un des plus gros problèmes de l'exploration spatiale.
Atterrir avec succès de lourdes charges utiles à la surface de Mars est vraiment très difficile à faire.
Il y a un tas de défis avec Mars, y compris son manque de magnétosphère protectrice et sa gravité de surface inférieure. Mais l'un des plus importants est sa mince atmosphère de dioxyde de carbone.
Si vous vous teniez à la surface de Mars sans combinaison spatiale, vous geler à mort et asphyxier par manque d'oxygène. Mais vous ressentirez également moins de 1% de la pression atmosphérique dont vous jouissez ici sur Terre.
Et il s'avère que cette atmosphère mince rend incroyablement difficile le transport en toute sécurité d'importantes charges utiles à la surface de la planète rouge. En fait, seulement 53% des missions vers Mars ont effectivement fonctionné correctement.
Parlons donc de la façon dont les missions sur 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 se rapprochent. ExoMars a volé en 2016, InSight en 2018 et le rover Mars 2020 volera aussi en 2020.
Les missions suivent une trajectoire de transfert interplanétaire conçue pour y arriver le plus rapidement ou avec le moins de carburant.
Alors que le vaisseau spatial pénètre dans l'atmosphère de Mars, il fait des dizaines de milliers de kilomètres par heure. Il doit en quelque sorte perdre toute cette vitesse avant d'atterrir doucement à la surface de la planète rouge.
Ici sur Terre, vous pouvez utiliser l'atmosphère épaisse d'Earthican pour ralentir votre descente, saignant 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, où ils ont des atmosphères épaisses.
La Lune, sans aucune atmosphère, est relativement simple à atterrir également. Sans aucune atmosphère, pas besoin de 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.
Retour sur Mars, avec un vaisseau spatial fonçant dans sa mince atmosphère à plus de 20 000 kilomètres à l'heure.
La curiosité est la limite
Traditionnellement, les missions ont commencé leur descente avec une coque aérodynamique 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, soit 2200 livres.
Quand il est entré dans l'atmosphère martienne, il parcourait 5,9 kilomètres par seconde, soit 22 000 kilomètres à l'heure.
Curiosity avait la plus grande coque aérodynamique jamais envoyée sur Mars, mesurant 4,5 mètres de diamètre. Cet énorme aérosol a été incliné à un angle, permettant au vaisseau spatial de manoeuvrer alors qu'il frappe la mince atmosphère de Mars, visant une zone d'atterrissage spécifique.
À environ 131 kilomètres d'altitude, le vaisseau spatial commencerait à tirer des propulseurs pour ajuster parfaitement la trajectoire à l'approche de la surface de Mars.
À environ 80 secondes de vol dans l'atmosphère, les températures sur l'écran thermique ont atteint 2 100 degrés Celsius. Afin de ne pas fondre, l'écran thermique a utilisé un matériau spécial appelé Ablator de carbone imprégné de phénol, ou PICA. Soit dit en passant, le même matériau que SpaceX utilise pour ses capsules Dragon.
Une fois qu'il a ralenti sa vitesse pour descendre 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 ralentissant encore plus.
Les suspensions 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.
Il a ensuite largué son parachute et utilisé des moteurs-fusées pour ralentir encore plus sa descente. Quand il était assez proche, Curiosity a déployé une grue céleste qui a abaissé doucement le rover à la surface.
Ceci est la version rapide. Si vous voulez un aperçu complet de ce que Curiosity a traversé en atterrissant sur Mars, je vous recommande fortement de consulter "La conception et l'ingénierie de la curiosité" d'Emily Lakdawalla.
La curiosité ne pesait qu'une tonne.
Aller plus lourd n’est pas à l’échelle
Vous voulez faire la même chose avec des charges utiles plus lourdes? Je suis sûr que vous imaginez de plus grandes bombes aériennes, de plus grands parachutes, de plus grandes grues aériennes.
En théorie, le vaisseau spatial SpaceX enverra 100 tonnes de colons et leurs affaires à la surface de Mars.
Voici le problème. Les méthodes de décélération dans l'atmosphère martienne ne se développent pas très bien.
Commençons par les parachutes. Pour être honnête, à 1 tonne, la curiosité est à peu près aussi lourde que vous pouvez obtenir en utilisant un parachute. Plus lourd et il n'y a tout simplement aucun matériau que les ingénieurs peuvent utiliser pour gérer la charge de décélération.
Il y a quelques mois, les ingénieurs de la NASA ont célébré le test réussi de l'expérience avancée de recherche sur l'inflation des parachutes supersoniques, ou ASPIRE. C'est le parachute qui sera utilisé pour la mission du rover Mars 2020.
Ils ont placé le parachute en tissus composites avancés, comme le nylon, le Technora et le Kevlar, sur une fusée-sonde et l'ont lancé 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 complètement gonflé, a subi 32 000 kilogrammes de force. Si vous étiez à bord à l'époque, vous ressentiriez 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, vous ne survivriez pas.
Si l'engin spatial était plus lourd, il devrait être fait de tissus composites impossibles. Et oubliez les passagers.
La NASA a essayé différentes idées pour débarquer des charges utiles plus lourdes sur Mars, comme, jusqu'à 3 tonnes.
Une idée est appelée 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 pénètre dans la gravité martienne.
En 2015, la NASA a effectivement testé cette technologie, transportant un prototype de véhicule sur un ballon à une altitude de 36 kilomètres. Le véhicule a ensuite 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 6 mètres (ou 20 pieds), ce qui l'a ensuite ralenti à Mach 2,4. Malheureusement, son parachute n'a pas pu se déployer correctement, il s'est donc écrasé dans l'océan Pacifique.
C’est un progrès. S'ils peuvent réellement travailler sur l'ingénierie et la physique, nous pourrions un jour voir un engin spatial de 3 tonnes atterrir à la surface de Mars. Trois tonnes entières.
Plus de propulsion, moins de fret
L'idée suivante pour intensifier un atterrissage sur Mars est d'utiliser plus de propulsion. En théorie, vous pouvez simplement transporter plus de carburant, tirer vos roquettes lorsque vous arrivez sur Mars et annuler toute cette vitesse. Le problème, bien sûr, est que plus vous devez transporter de masse pour ralentir, moins vous pouvez réellement atterrir à la surface de Mars.
Le vaisseau spatial SpaceX devrait utiliser un atterrissage propulsif pour descendre 100 tonnes à la surface de Mars. Parce qu'il emprunte un chemin plus direct et plus rapide, le Starship frappera l'atmosphère martienne à une vitesse supérieure à 8,5 km / s, puis utilisera des forces aérodynamiques pour ralentir son entrée.
Il n’a pas besoin d’aller aussi vite, bien sûr. Le vaisseau spatial pourrait utiliser l'aérofreinage, passant plusieurs fois dans la haute atmosphère pour saigner la vitesse. En fait, c'est la méthode que les vaisseaux spatiaux orbitaux allant vers Mars utilisent.
Mais alors, les passagers à bord devraient passer des semaines pour que le vaisseau spatial ralentisse et passe en orbite autour de Mars, puis pour descendre à travers 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 feront s'échapper du méthane pour garder le côté au vent du vaisseau spatial frais.
Une fois qu'il aura perdu suffisamment de vitesse, il tournera, tirera ses moteurs Raptor et atterrira doucement sur la surface de Mars.
Viser le sol, tirer vers le haut à la dernière minute
Chaque kilogramme de carburant que l'engin 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 d'atterrir facilement de lourdes charges utiles à la surface de Mars. Les gens plus intelligents que moi pensent que c'est à peu près impossible sans utiliser d'énormes quantités de propulseur.
Cela dit, Elon Musk pense qu'il y a un moyen. Et avant de réduire ses idées, regardons les propulseurs à deux côtés de la fusée Falcon Heavy atterrir parfaitement ensemble.
Et ne faites pas attention à ce qui est arrivé au booster central.
Une nouvelle étude du Département d'aérospatiale de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign propose que les missions vers Mars puissent profiter de l'atmosphère plus épaisse qui est plus proche de la surface de Mars.
Dans leur article intitulé "Options de trajectoire d'entrée pour les véhicules à haut coefficient balistique sur Mars", les chercheurs proposent que les vaisseaux spatiaux volant vers Mars n'aient pas besoin d'être si pressés pour se débarrasser de leur vitesse.
Alors que le vaisseau spatial hurle à travers l'atmosphère, il sera toujours en mesure de générer beaucoup de portance aérodynamique, qui pourrait être utilisé pour le diriger dans l'atmosphère.
Ils ont effectué les calculs et ont constaté que l'angle idéal était de pointer le vaisseau spatial directement vers le bas et de plonger vers la surface. Ensuite, au dernier moment possible, tirez vers le haut à l'aide de 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.
Cela semble, 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 que les gens attendent, mais j'ai hâte de voir les idées qui seront testées dans les années à venir.
Un grand merci à Nancy Atkinson qui couvert ce sujet ici sur Space Magazine il y a plus d'une décennie et m'a inspiré à travailler sur cette vidéo.
