Mission habitée vers Mars

Véhicule pressurisé, habitat et vaisseau de retour (scénario NASA)

La mission spatiale habitée vers Mars est un des objectifs à long terme fixés à l'astronautique depuis ses débuts. Initialement thème de science-fiction, il est devenu pour certains, à la suite du débarquement de l'homme sur la Lune en 1969, la prochaine étape de la conquête spatiale. Mais la réussite de ce projet demande des moyens financiers encore bien supérieurs à ceux du programme Apollo, lui-même lancé grâce à un concours de circonstances particulièrement favorable (Guerre froide, embellie économique).

Un vol habité vers Mars est également un défi technique et humain sans commune mesure avec une expédition lunaire : taille des vaisseaux, système de support-vie fonctionnant en circuit fermé sur de longues durées (900 jours), fiabilité des équipements qui ne peuvent être réparés ou dont la redondance ne peut être systématiquement assurée, problèmes psychologiques d'un équipage confiné dans un espace restreint dans un contexte particulièrement stressant, problèmes physiologiques découlant de l'absence de gravité sur des périodes prolongées ainsi que l'effet des rayonnements sur l'organisme.

Depuis le début des années 1960 différentes études sur le sujet ont été réalisées et ont exploré les scénarios et les solutions techniques. Plusieurs points sont particulièrement débattus : trajectoire en opposition ou en conjonction, recours à la propulsion nucléaire, taille de l'équipage, méthode d'atterrissage sur Mars, production du carburant du voyage de retour in situ, mission légère contre mission lourde. Les avant-projets les plus aboutis émanent de la NASA, forte de son rôle de pionnier et agence spatiale civile la mieux dotée, mais également de groupes de passionnés regroupés dans des associations comme la Mars Society.

Il existe par ailleurs un débat de fond sur la justification d'un tel projet qui doit mobiliser des ressources qui peuvent être utilisées pour traiter des urgences plus terrestres. Le succès des missions robotisées sur Mars démontre la validité de cette approche pour explorer la planète. Grâce à ceux-ci, l'homme a découvert que Mars n'offrait pas un environnement particulièrement accueillant. L'étude in situ de la géologie de la planète et le mythe de la frontière, pourtant très vivace aux États-Unis, pourraient avoir du mal à convaincre les décideurs de franchir le pas. Il n'existe plus en 2011, au sein des agences spatiales, de projets même long terme de mission habitée vers Mars  : le programme Constellation, lancé par la NASA en 2004 , prévoyait le retour de l'homme sur la Lune vers 2020 pour des séjours de longue durée, qui étaient présentés comme une étape préparatoire aux missions vers Mars aux alentours de 2037; mais il a été annulé en 2011.

Objectifs d'une mission habitée vers Mars

Prospection géologique dans un canyon martien

• Science : conduire des recherches qui ne peuvent être menées par des robots d'exploration sur les thèmes suivants :
  • Rechercher la présence de vie passée ou actuelle, en étudier les caractéristiques
  • Étudier la géologie et la géophysique de la planète pour mieux comprendre sa genèse, l'évolution de son climat avec des retombées sur notre compréhension de la formation et de l'évolution de la Terre.
  • Rechercher la présence d'eau
• Réaliser des progrès techniques grâce aux défis soulevés par le projet
• Fédérer les nations autour d'un projet international
• Poser les jalons d'une présence permanente sur Mars

Les différentes phases d'une mission type vers Mars

Diagramme des variations de vitesse (Delta-v) en km/s nécessaires pour effectuer les déplacements entre les orbites terrestres, lunaires et martiennes

Le déroulement d'une mission habitée vers Mars comprend les étapes suivantes (en ne rentrant pas dans les raffinements des scénarios qui prévoient de pré positionner des vaisseaux) :

• le ou les vaisseaux sont lancés en orbite basse terrestre. Un arrêt en orbite basse terrestre est effectué pour optimiser la trajectoire vers Mars et éventuellement assembler les vaisseaux si ceux-ci ont été lancés en pièces détachées pour des raisons liées aux capacités des lanceurs ;
• le vaisseau est injecté sur une trajectoire vers Mars : on allume brièvement les moteurs de manière à quitter le puits de gravité terrestre. Depuis une orbite basse terrestre il faut au minimum accélérer le vaisseau de 3,8 km/s (pour réduire la durée du trajet on peut donner plus de vitesse au vaisseau mais il faut pouvoir décélérer à l'arrivée) soit :
  • 3,22 km/s pour atteindre la vitesse de libération,
  • 0,6 km/s supplémentaire pour parvenir jusqu'au point de transfert entre la Terre et Mars ;
• le trajet Terre-Mars est effectué sur l'inertie acquise avec éventuellement des corrections d'orientation qui consomment une quantité de carburant non significative. Selon que l'on souhaite optimiser ou non la durée du voyage, celle-ci est généralement comprise entre 180 jours et 260 jours ;
• le vaisseau se met en orbite basse martienne en décélérant de 2,3 km/s. Dans certains scénarios, le vaisseau qui assure la trajectoire interplanétaire Terre-Mars aller-retour est laissé en orbite par l'équipage qui utilise un autre vaisseau pour descendre sur Mars ;
• le vaisseau se pose sur Mars ce qui nécessite de faire chuter sa vitesse de 4,1 km/s en utilisant si possible uniquement des techniques passives exploitant la présence d'une atmosphère martienne (freinage aérodynamique, parachute) pour ne pas avoir à transporter de carburant à cet effet. Le module lunaire Apollo qui a dû atterrir sur la Lune en utilisant des fusées en l'absence d'atmosphère capable de le freiner consacre 50 % de sa masse (8 tonnes sur 16) en carburant pour décélérer de seulement 1,6 km/s ;
• l'équipage séjourne selon les scénarios de 30 à 550 jours sur Mars ;
• l'équipage quitte le sol martien à bord d'un étage de remontée qui doit atteindre une vitesse de 4,1 km/s pour se placer en orbite basse ;
• si le scénario le prévoit, l'équipage se transborde sur un vaisseau dédié au retour qui accélère de 2,3 km/s au minimum pour rejoindre l'orbite terrestre ;
• le trajet de retour dure selon les scénarios de 180 à 430 jours ;
• arrivé près de l'orbite terrestre l'équipage se transfère sur le vaisseau (Orion dans le scénario de la NASA) qui assure la rentrée atmosphérique (décélération d'au moins 11 km/s qui peut être obtenu sans consommation de carburant grâce à la densité de l'atmosphère terrestre) et le retour à Terre.

Dans le scénario préconisé par la NASA 4 vaisseaux sont nécessaires :

• un vaisseau dédié au transfert Terre-Mars et retour de l'équipage ;
• un vaisseau qui sert d'habitat à l'équipage sur Mars ;
• un vaisseau qui permet de remonter l'équipage du sol martien jusqu'en orbite terrestre ;
• un petit vaisseau avec lequel l'équipage arrivé à proximité de la Terre revient sur le sol terrestre.

Les paramètres structurants de la mission

Le choix de la durée et de la trajectoire vers Mars

Exemple de scénario de conjonction

La durée d'une mission habitée est un des sujets les plus débattus. Cette durée est déterminée par la trajectoire Terre-Mars retenue et de manière marginale par la quantité de carburant emporté. Le choix de celle-ci répond à plusieurs contraintes économiques et scientifiques :

• il est nécessaire de consommer le moins de carburant possible pour effectuer le trajet Terre-Mars. Chaque kg de carburant placé en orbite terrestre a un coût prohibitif ;
• le séjour de l'équipage dans l'espace interplanétaire doit être réduit au maximum : un séjour prolongé augmente les risques d'exposition aux radiations. Si le vaisseau ne comporte pas de dispositif de gravité artificielle, le risque de décalcification est important ;
• la durée de séjour sur le sol martien doit être suffisante pour que des travaux scientifiques approfondis puissent être réalisés ;
• la durée totale de la mission a un impact sur la quantité de ravitaillement à emporter.

Le choix de la trajectoire est contraint par les règles de la mécanique spatiale :

• Mars se déplace sur une orbite située à l'extérieur de celle de la Terre et sur le même plan que celle-ci. Sa distance avec la Terre varie fortement : lorsqu'elle se situe derrière le Soleil vu de la Terre, elle se trouve à 400 millions de km (plus de mille fois la distance Terre-Lune parcourue en 3 jours par les astronautes du programme Apollo), tandis qu'elle n'est éloignée que de 56 millions de km lorsqu'elle occupe la position relative opposée ;
• les deux planètes se déplacent à des vitesses considérables sur leur orbite (près de 30 km/s pour la Terre, 21km/s pour Mars). Cette vitesse est communiquée au vaisseau lorsqu'il décolle de la Terre. Ceci rend impossible avec les capacités des fusées actuelles d'effectuer une route directe vers Mars qui nécessiterait d'annuler en partie l'énorme vitesse acquise au départ ;
• la trajectoire qui consomme le moins de carburant consiste à lancer le vaisseau sur une orbite elliptique qui tangente l'orbite terrienne au départ et l'orbite martienne à son arrivée (orbite de Hohmann). Cette trajectoire ne peut être parcourue dans un temps raisonnable que lorsque les positions relatives de la Terre et de Mars sont dans une configuration particulière. Il s'écoule près de 2 ans entre deux configurations favorables. Le temps mis par un vaisseau pour parcourir le trajet Terre-Mars dans la configuration la plus favorable tout en réduisant la consommation de carburant au minimum est de 258 jours. En dépensant relativement peu de carburant on peut faire chuter cette durée à 180 jours.

Compte tenu de toutes ces contraintes les différentes études menées ont abouti à 2 familles de scénarios :

Le scénario de conjonction 

L'équipage décolle au moment le plus favorable et atterrit sur la planète Mars au bout de 180 jours de voyage. Il séjourne 550 jours sur le sol martien jusqu'à l'ouverture de la fenêtre de lancement la plus favorable. Le trajet de retour dure également 180 jours. La durée totale de la mission est de 910 jours.

Le scénario d'opposition 

Le trajet aller se déroule dans les mêmes conditions que l'autre scénario. La durée du séjour sur Mars est réduite au maximum compatible avec l'atteinte d'objectifs scientifiques soit environ 30 jours. Le trajet de retour s'effectue dans une configuration beaucoup plus défavorable : il dure 430 jours et nécessite de bénéficier de l'assistance gravitationnelle de Vénus. Le seul avantage de cette mission est de réduire sa durée totale à 640 jours ce qui limite dans l'esprit de ses auteurs le temps d'exposition aux rayonnements.

Le coût du kilo amené sur Mars

Sept fusées Ares V (à gauche) et 1 Ares I sont utilisées pour « hisser » la mission martienne en orbite terrestre dans le scénario de la NASA 2009

Le coût du kilo amené sur Mars est la contrainte principale qui dicte le scénario d'une mission habitée sur Mars. Selon les chiffres fournis par la NASA^[1] la masse utile qui doit être posée sur Mars est de 80 tonnes (hors étage de descente qui n'a plus d'utilité une fois sur le sol martien) répartis entre 2 modules :

• l'habitat martien ;
• l'étage permettant de remonter en orbite à la fin du séjour.

Le scénario de la NASA, qui repose sur plusieurs solutions techniques futuristes permettant d'optimiser la masse à mettre en orbite, prévoit de lancer 25 000 tonnes depuis le sol terrestre (masse approximative de 7 Ares V et 1 Ares I avec des incertitudes sur la masse du lanceur Ares V), pour disposer de 1 024 tonnes en orbite basse terrestre et aboutir à 80 tonnes sur Mars. Or, avec les lanceurs actuels le lancement en orbite basse terrestre d'une tonne coûte entre 10 et 20 millions de $. Selon ce tarif le seul lancement de l'expédition martienne coûterait entre 10 et 20 milliards de $ (le prix devrait être plus bas avec une Ares V). De plus, poser une tonne de plus sur Mars nécessite de lancer 12 tonnes de plus en orbite basse en appliquant le ratio utilisé par la NASA.

En conséquence tous les scénarios de mission habitée pour Mars limitent au strict minimum la masse à poser sur Mars et tentent d'améliorer le ratio entre la masse lancée en orbite basse terrestre et celle posée sur Mars. Le ratio appliqué par la NASA est déjà le fruit de cette optimisation :

• le transit entre la Terre et Mars est effectué avec des moteurs nucléaires dont l'efficacité est 2 fois supérieure à celle des moteurs-fusées ayant recours à une propulsion chimique classique. Si on utilisait celle-ci il faudrait augmenter de plusieurs centaines de tonnes la masse à placer en orbite basse terrestre ;
• la mise en orbite martienne se fait grâce à l'aérofreinage réduisant sans doute d'une centaine de tonnes la masse de carburant à embarquer ;
• la descente vers Mars des 2 lourds modules repose essentiellement sur le freinage atmosphérique dont la faisabilité reste à démontrer ;
• le carburant de l'étage de remontée est en partie produit in situ diminuant de 20 tonnes environ la masse à descendre sur Mars.

Tous ces choix, dont la faisabilité technique reste à démontrer, permettent de diviser à peu près par 2 la masse à envoyer en orbite basse dans le scénario retenu par la NASA.

La composition de l'équipage

Le facteur psychologique est un risque important dans une mission martienne :

• le stress est intense :
  • les risques sont très importants et presque permanents (panne d'un système vital) ,
  • une fois que le vaisseau a quitté l'orbite terrestre l'équipage est livré à lui-même : si l'expédition n'est pas sur le chemin du retour un abandon en cours de mission ne permettrait de revenir dans le cas plus favorable (expédition en orbite martienne ou au sol au moment le plus favorable des positions Terre Mars) qu'au bout de 6 mois (avec transit accéléré) et dans le cas le plus défavorable qu'au bout de 3 ans.
• le dialogue avec des interlocuteurs sur Terre en temps réel devient impossible : le délai de communication est de quelques minutes à 20 minutes selon les positions respectives de la Terre et de Mars^[2] sans compter le phénomène de black out une fois l'expédition sur Mars lorsque la planète s'interpose entre la Terre et celle-ci (sauf à disposer d'un couteux réseau de télécommunications par satellite);
• l'équipage est confiné pour une période exceptionnellement longue (910 jours dans le scénario de conjonction) dans un espace très restreint.

Les membres d'équipage doivent être très soigneusement sélectionnés à la fois en fonction de leur aptitude à résoudre des problèmes, mais aussi à adopter le bon comportement en situation critique ou conflictuelle. L'expérience des missions de longue durée à bord des stations spatiales a démontré que malgré le recours à des critères psychologiques pour la sélection des astronautes des conflits pouvaient survenir. Les critères de sélection pour une mission martienne restent difficiles à établir. Il y a par ailleurs débat sur la nécessité ou non de sélectionner un équipage mixte et multiculturel (russe/américain,...).

Un dépistage approfondi de problèmes médicaux potentiels, pouvant aller jusqu'à un examen génétique, est réalisé car le risque d'apparition d'une maladie est élevé compte tenu de la longueur de la mission.

Selon les scénarios résultant des études connues, l'équipage comporte de 4 (Zubrin) à 6 (Scénario de références NASA) personnes. La limite supérieure est déterminée par le surcroit de masse que nécessite un équipier supplémentaire. Le nombre minimum découle de la somme des tâches à réaliser et des spécialités à maitriser. Compte tenu du nombre de paramètres de la mission aujourd'hui non définis ces chiffres sont aujourd'hui purement indicatifs. Selon la NASA les spécialités suivantes devront être maitrisées par au moins une personne et constituer une spécialisation secondaire pour d'autres personnes : chirurgien/médecin, géologue, biologiste, mécanicien, électricien/électronicien, commandement. Zubrin recommande un équipage de 2 mécaniciens (la survie de la mission dépend de la capacité de l'équipage à venir à bout des pannes), un géologue et un biogéochimiste. Zubrin fait l'impasse sur des spécialistes pratiquant exclusivement la médecine, le pilotage ou uniquement dédiée au commandement de l'expédition^[3],[4].

Paysage martien : panorama réalisé par la sonde martienne Spirit

Les risques physiologiques

Durant le voyage entre la Terre et Mars (aller et retour) d'une durée comprise entre 360 jours (scénario de conjonction) et 610 jours (scénario d'opposition) l'équipage se trouve exposé à 3 phénomènes qui peuvent affecter sa santé : les éruptions solaires, les rayons cosmiques et l'impesanteur^[5].

Les éruptions solaires

Les éruptions solaires sont des pics d'activité du Soleil qui projettent des protons dotés d'une grande énergie. L'activité du Soleil connait des cycles de 11-12 ans durant lesquels l'activité solaire croît puis décroît. Durant les phases de grande activité, les éruptions solaires sont à la fois plus nombreuses et envoient des particules plus énergétiques. Les doses reçues par un équipage non protégé sont susceptibles de déclencher des cancers. Les éruptions solaires les plus violentes qui ont pu être étudiées représentaient une dose de 38 rems. Selon R. Zubrin, si l'équipage est prévenu à l'avance (les éruptions solaires font l'objet d'observations qui permettent une certaine anticipation), celui-ci peut limiter la dose reçue en moyenne à 5,5 rem au cours du transit aller et retour, en se réfugiant dans une zone du vaisseau protégée par des équipements s'interposant avec l'extérieur. S'il n'a pas le temps de s'y réfugier la dose reçue est triplée. Ces doses sont considérées par l'auteur comme relativement négligeables.

Les rayons cosmiques

Les rayons cosmiques sont des particules à très haute énergie constituées principalement de protons en provenance surtout de l'espace interstellaire et intergalactique. Le flux est continu sans pic prévisible. Aucun blindage ne peut arrêter ce type de particule. Selon R Zubrin la quantité reçue par l'équipage au cours du transit aller-retour est de 32 Rems. Les conséquences du bombardement des cellules par des particules à très haute énergie sont aujourd'hui complètement inconnues car le phénomène n'a jusqu'à présent pas été reproduit sur Terre et les seules expériences existantes sont celles très brèves des astronautes qui se sont rendus sur la Lune et ont franchi les ceintures de Van Allen qui protègent l'orbite basse terrestre et la Terre elle-même des rayons cosmiques^[6].

L'exposition à l'impesanteur

Durant le trajet aller-retour Terre-Mars la gravité est par défaut nulle dans le vaisseau transportant l'équipage. L'apesanteur sur des périodes prolongées provoque des décalcifications, qui rendent les os cassants et une atrophie des muscles y compris ceux du cœur. D'après l'expérience acquise grâce aux séjours prolongés d'astronautes dans les stations spatiales, ceux-ci ne récupèrent pas complètement après leur retour sur Terre. Ce phénomène peut être combattu en créant une pesanteur artificielle.

Pour créer celle-ci la solution la plus simple consiste à mettre le vaisseau en rotation autour de son axe principal (les parois latérales deviennent alors de plancher). L'inconvénient de cette solution est que le faible diamètre de la station engendre des effets très perturbants : différence de gravité entre la tête et les pieds, force de Coriolis rendant les déplacements difficiles^[7]. R Zubrin, entre autres, propose dans Mars Direct de tirer un câble entre un étage de fusée vide et l'habitat et de mettre l'ensemble en rotation lente recréant une gravité artificielle dans le vaisseau par le biais de la force centrifuge générée^[8].

La création d'une gravité artificielle engendre une complexité accrue du système de transport entre la Terre et Mars dès lors que l'on souhaite créer un champ de gravité non perturbant. Les expériences accumulées grâce aux stations spatiales montrent que l'homme semble s'accommoder de la gravité artificielle sur de longues périodiques même si cela suscite des dommages irréparables. La NASA, compte tenu de la relative brièveté du transit Terre-Mars n'a pas prévu de créer un champ de gravité artificiel.

Le déroulement détaillé de la mission

Le trajet Terre-Mars

Véhicule de transit Terre-Mars ici en orbite basse autour de Mars peu avant le rendez-vous avec le véhicule remontant les astronautes du sol martien (NASA)

La propulsion

Le transit entre la Terre et Mars consomme beaucoup de carburant pour accélérer et décélérer à l'aller les vaisseaux nécessaires à l'expédition et lancer le vaisseau de retour jusqu'à l'orbite terrestre. La recherche d'une propulsion plus efficace peut faire gagner des centaines de tonnes sur la masse à placer en orbite basse terrestre. Parmi les technologies envisagées la propulsion nucléaire thermique permet théoriquement un gain important tout en étant relativement réaliste. Cette technologie est celle retenue dans le scénario de référence de la NASA ("DRA 5.0"). L'impulsion spécifique de ce type de propulsion (900 s.) est le double des meilleurs systèmes de propulsion chimiques utilisés aujourd'hui (couple hydrogène/oxygène) ce qui signifie que si la masse à vide est identique pour les 2 types de propulsion, il faut embarquer 2 fois moins de carburant pour produire la même poussée. Des expériences très avancées ont été menées dans les années 1960-1970 autour du moteur NERVA mais il reste à réduire la masse du moteur actuellement très pénalisante. D'autres techniques prometteuses sont en cours d'étude, comme le propulseur VASIMR, mais leur mise en œuvre sur des étages de grande taille n'est à priori envisageable qu'à très long terme.

Le vaisseau utilisé pour le transit de l'équipage

Le vaisseau utilisé par l'équipage pour le transit entre la Terre et Mars doit permettre la survie de celui-ci sur une longue période (jusqu'à 900 jours en cas de problème à l'arrivée en orbite martienne dans certains scénarios) en toute autonomie.

L'insertion en orbite autour de Mars

L'aérocapture nécessite de frôler de très près la planète sous un angle très précis sous peine soit de perdre le vaisseau soit de repartir vers la Terre

Dans la plupart des scénarios le vaisseau transportant l'équipage ou le fret ne se pose pas directement sur Mars mais se place d'abord sur une orbite basse autour de la planète :

• cette manœuvre garantit un atterrissage plus précis sur Mars : la mise en orbite permet de déclencher la rentrée dans l'atmosphère martienne avec un risque d'erreur de position à l'atterrissage plus faible ;
• lorsque le scénario prévoit un vaisseau uniquement dédié au transport de l'équipage entre la Terre et Mars, le transfert des astronautes entre les deux véhicules a lieu sur l'orbite martienne.

Pour se placer en orbite basse le vaisseau doit réduire sa vitesse au minimum de 2,4 km/s (plus si la durée du transit est inférieure à 260 jours ce qui impose une vitesse d'arrivée supérieure dans la banlieue de Mars). Le recours à la technique de l'aérocapture^{[N 1]} est une alternative à l'utilisation des moteurs qui consomment un carburant précieux : quand il arrive à proximité de Mars, le vaisseau longe la planète à une altitude suffisamment basse pour que la densité de l'atmosphère martienne exerce une pression aérodynamique qui le ralentisse suffisamment pour le placer en orbite autour de la planète. C'est une technique très délicate qui nécessite une navigation très précise pour ne pas soumettre le vaisseau à une agression thermique trop importante, qui pourrait entraîner la perte du vaisseau ou au contraire ne pas ralentir suffisamment ce qui renverrait le vaisseau sur une trajectoire de retour ou une orbite de très grande excentricité. Une contrainte supplémentaire est que la décélération doit être supportable par l'équipage (limite fixée à 5 g par la NASA).

Les calculs effectués pour un vaisseau de 100 tonnes déployant sur son avant un bouclier de 15 mètres de diamètre permettent de déterminer que l'entrée doit se faire dans un couloir de quelques degrés de large si le vaisseau navigue à la vitesse minimale de transfert Terre Mars; la largeur du couloir tombe sous les 1° (ce qui est la limite de la précision obtenue pour les sondes martiennes envoyées jusqu'à présent) si le vaisseau arrive à 9 km/s^[9]. Le problème est rendu plus complexe par les variations de densité de l'atmosphère martienne : celle-ci est influencée à la fois par les saisons et les tempêtes de poussière. Ces dernières peuvent multiplier par 10 la pression aérodynamique exercée sur le vaisseau durant ses passages à basse altitude. Aujourd'hui le phénomène est mal modélisé et donc difficile à anticiper^[10].

L'atterrissage sur Mars

La descente sur le sol martien : 6 minutes de terreur

L'atterrissage sur Mars (Entry, Descent and Landing EDL) est une phase cruciale. Les solutions techniques qui pourront être mises en œuvre ont des répercussions majeures sur les capacités et le coût d'une mission martienne. Quel que soit le scénario, il est nécessaire de faire atterrir des vaisseaux dont la masse est comprise entre 40 et 100 tonnes (de 20 à 50 fois celle du plus gros robot ayant atterri sur Mars jusqu'à présent) avec, dans le scénario de la NASA, une précision de quelques dizaines de mètres (précision 1000 fois supérieure à ce qui a été atteint jusqu'à présent)^[11].

Descendre sur le sol nécessite de faire tomber à 0 la vitesse horizontale du vaisseau. À l'arrivée sur Mars (lorsque le vaisseau s'est mis en orbite basse) cette vitesse est d'environ 4,1 km/s (1,6 km/s pour la Lune et 8 km/s pour la Terre). Pour annuler cette vitesse il existe deux méthodes : utiliser les forces de trainée comme pour l'aérocapture c'est-à-dire le frottement de l'atmosphère. C'est ce que font les vaisseaux habités qui reviennent sur Terre en décélérant légèrement ce qui fait décroitre leur orbite de manière à entamer le processus. L'atmosphère fait alors tout le travail et la seule pénalité en poids est constituée par la masse du bouclier thermique qui protège le vaisseau de l'élévation de température très forte durant la phase de freinage (la masse de ce bouclier peut être néanmoins significative). Lorsqu'une planète est dépourvue d'atmosphère comme sur la Lune on annule la vitesse en ayant recours à la poussée de moteurs-fusées. Mais cette solution est extrêmement coûteuse car elle nécessite de consacrer une grande partie de la masse du vaisseau au carburant utilisé. La masse qui doit être sacrifiée est proportionnelle à la gravité de la planète : poser sur la Lune le module Apollo sacrifie ainsi la moitié du poids du vaisseau au profit du carburant avec une vitesse à annuler 3 fois plus faible que sur Mars.

La densité très faible de l'atmosphère de Mars (1 % de celle de la Terre) la place, pour le scénario de descente, dans une situation intermédiaire entre la Terre et la Lune . Le robot Mars Science Laboratory, qui doit atterrir sur Mars en 2012, est obligé de recourir à des moteurs pour se freiner à partir de l'altitude de 1 500 mètres. Le problème devient d'autant plus aigu que la charge à poser est lourde or les vaisseaux martiens du scénario de référence de la NASA ont une masse comprise entre 45 et 65 tonnes. Le deuxième problème soulevé par la faiblesse de la trainée atmosphérique sur Mars est que la vitesse ne devient inférieure à Mach 1 que lorsque le vaisseau est très près du sol : le vaisseau et son équipage disposent de très peu de temps pour modifier le site d'atterrissage si la trajectoire du vaisseau l'amène sur une zone parsemée d'obstacles ou le conduit à une trop grande distance du lieu visé. De plus cette contrainte interdit l'atterrissage sur des zones situées à des altitudes trop élevées (soit près de 50 % de la superficie de Mars)^[12].

Des recherches sont menées à la NASA pour améliorer l'efficacité du freinage dans une atmosphère peu dense. Différentes techniques sont à l'étude^[13] :

• bouclier thermique gonflable offrant une surface de freinage beaucoup plus importante dans la phase haute de la descente^{[N 2],[14]} ;
• structure en forme d'anneau gonflable en remorque du vaisseau à la manière d'une ancre flottante durant la phase haute du vol ;
• ballute (croisement entre un parachute et un ballon) déployé avant l'entrée dans l'atmosphère martienne et travaillant également à la manière d'une ancre flottante ;
• parachute de très grande dimension (près de 90 mètres de diamètre pour un module pesant 50 tonnes) déployé alors que le vaisseau est à vitesse hypersonique ;

Durant la phase finale un étage grue à la manière du robot Mars Science Laboratory peut être utilisé pour obtenir une vitesse verticale quasi nulle à l'atterrissage.

Si on a recours à la méthode coûteuse consistant à utiliser des moteurs-fusées sur une partie significative du vol (pour produire une décélération comprise entre 0,9 et 1,4 km/s, 20 à 30 % de la masse du vaisseau est sacrifiée au profit du carburant selon l'étude de Braun et Manning), sa mise en œuvre est difficile car, à vitesse hypersonique, l'éjection des gaz des moteurs perturbe l'écoulement aérodynamique^[12].

Le séjour sur Mars

Deux habitats martiens (source NASA)

Production d'électricité par un générateur nucléaire (source NASA)

Exemple de rover pressurisé (source NASA V5)

Exemple d'explorations vers des sites géologiques majeures menées en rayonnant à partir de l'habitat installé dans un grand cratère (source NASA V5)

Banc d'essai d'une mini-usine de production d'oxygène et d'eau à partir d'hydrogène et de CO² (NASA).

Le décollage de Mars (source NASA)

Le site est choisi en fonction de son intérêt géologique tout en permettant un atterrissage facile.

Les conditions de vie sur Mars

L'équipage doit s'accommoder de conditions naturelles hostiles pour l'homme :

• la pression atmosphérique est égale à 1 % de celle de la Terre et nécessite que l'astronaute soit revêtu d'une combinaison spatiale pressurisée sous peine d'une mort quasi instantanée par décompression. L'atmosphère ténue est composée à hauteur de 98 % de dioxyde de carbone (CO₂) ;
• la température au plus fort de l'été martien est de 10 °C en début d'après-midi et de -80 °C la nuit ;
• la faiblesse du champ magnétique et la faible densité de l'atmosphère laissent passer une grande partie des rayons cosmiques et des particules émises par les éruptions solaires.

La gravité sur Mars est égale à 37,5 % de celle de la Terre, ce qui permet de soulever des charges relativement massives, mais nécessite d'alléger les combinaisons spatiales existantes qui sur la Lune étaient acceptables avec une gravité égale à ~1/6^e de g.

Les équipements

Pour son séjour sur Mars l'équipage dispose des équipements suivants :

L'habitat 

L'habitat comporte un sas pour les sorties sur le sol martien. Dans certains scénarios, dont celui de la NASA, une annexe gonflable (donc légère à transporter) permet d'accroitre le volume disponible. L'habitat doit disposer de ravitaillement, de l'eau et de l'oxygène nécessaires pour un séjour de 500 jours. Il n'est pas envisageable à ce stade de produire des fruits ou des légumes sur place. Le rapport de la NASA recommande que chaque membre de l'équipage dispose d'un espace personnel qui comprenne outre son lit un espace qu'il peut personnaliser, un bureau, un ordinateur ainsi qu'une armoire de rangement des affaires personnelles. L'espace doit être aménagé non seulement de manière à ce qu'il puisse se reposer mais également se détendre et mener des activités personnelles. Pour permettre à chaque astronaute de disposer d'un espace d'intimité tout en limitant le risque d'une tendance à l'isolement, le rapport préconise des chambres pour 2 dotées d'une cloison amovible permettant de couper à la demande la pièce en 2^[15]. On connait mal l'effet de la gravité réduite de Mars (0,38 g) sur de longues périodes et les recherches dans ce domaine doivent être poursuivies. Il est certain que l'habitat devra fournir à l'équipage des équipements d'exercice physique permettant de combattre les effets de la faible pesanteur. Tirant les leçons des installations dans la station spatiale la NASA recommande que ces équipements comportent un côté ludique pour ne pas entrainer de lassitude et qu'ils soient installés dans une pièce bien aérée et à l'écart des principaux axes de circulation de l'habitat^[16].

Les véhicules 

Selon les scénarios l'équipage dispose d'un ou plusieurs véhicules qui permet(tent) d'accroitre son rayon d'exploration. Celui-ci peut être non pressurisé et léger comme le rover lunaire ou pressurisé avec une plus grande autonomie. L'équipage du véhicule non pressurisé l'utilise avec sa combinaison spatiale. Ce type de véhicule peut disposer de réservoirs permettant de refaire le plein de consommables (énergie, eau, oxygène). Le véhicule dispose d'un système de navigation et de télécommunications; il permet de transporter les outils et les échantillons. Le matériel de forage peut être transporté dans une remorque dédiée. Le véhicule pressurisé permet d'accroître considérablement le rayon d'action et la durée des expéditions. Toutefois, dans le scénario de la NASA, s'il n'existe qu'un seul véhicule de ce type la distance maximale franchissable est la même que celle d'un rover non pressurisé pour des raisons de sécurité^[17].

La production d'énergie 

Une petite centrale nucléaire doit être envisagée car les panneaux solaires risquent de ne pas fournir assez de puissance électrique sur cette planète plus éloignée du Soleil que la Terre et sujette à de longues tempêtes de poussière.

L'utilisation des ressources locales

Le dernier scénario de la NASA comme celui de la Mars Society prévoient la production de consommables à partir des ressources disponibles sur Mars. Cette solution permet de réduire de manière importante la masse à déposer sur Mars. Les produits fabriqués seraient en premier lieu le carburant utilisé pour remonter de la surface de Mars jusqu'à l'orbite basse mais également de produire une partie de l'eau et de l'oxygène consommé par les astronautes. Selon R. Zubrin en utilisant la réaction de Sabatier ( CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O ) suivie d'une électrolyse (H₂O → 2H₂ + O₂) permettrait en utilisant 6 tonnes d'hydrogène emporté sur place avec du dioxyde de carbone de l'atmosphère de Mars de créer sur une durée de 10 mois jusqu'à 112 tonnes d'un mélange de méthane et d'oxygène utilisé comme ergols par le moteur-fusée^[18].

Les activités sur le sol martien

Après l'atterrissage, l'équipage, s'il a subi une longue période d'impesanteur durant son transit entre la Terre et Mars, ne sera pas disponible pour des tâches critiques avant plusieurs jours sinon plusieurs semaines^{[N 3]}.

Mise en place des installations sur le sol martien

L'habitat, qui durant la phase d'atterrissage utilisait ses réserves d'énergie internes limitées pour des questions de poids, doit être rapidement branché sur une source d'énergie externe : panneaux solaires (à déployer) ou générateur nucléaire. Le système de dissipation de chaleur est mis en place ainsi que les antennes de télécommunications permettant des communications à haut débit avec la Terre ainsi que les modules, véhicules et satellites situés sur Mars. Le système de support-vie en circuit fermé est éventuellement remis en marche ou sinon contrôlé. Dès qu'il en a la capacité, l'équipage devra effectuer des sorties extravéhiculaires pour déployer les premières expériences à proximité de l'habitat, mettre en ordre de marche les véhicules transportés, sortir les équipements des soutes du vaisseau. Si un habitat gonflable existe, il est installé et connecté au reste de l'habitat^[19].

Les explorations sur le terrain

La première activité est la géologie de terrain : l'œil et la capacité de synthèse de l'homme permettent de détecter des indices qu'un robot ne saurait trouver. L'homme peut rapidement choisir la méthode d'exploration en fonction de ce qu'il voit et mettre en œuvre les outils adaptés. Une partie de l'exploration pourra être confiée à des robots qui seront guidés par téléopération par les astronautes par exemple pour étendre la zone explorée au-delà des limites imposées par les règles de sécurité ou pour faire un premier repérage des lieux. Les échantillons recueillis pourront faire l'objet d'une première analyse dans un laboratoire sur place en particulier pour identifier le type de roche, sa texture, ses composants et la présence d'indices de vie (fossiles, structures). Le laboratoire permettra d'étudier les caractéristiques volatiles ou transitoires des échantillons qui ne pourront être observés à l'issue du retour sur Terre.

La présence d'hommes sur place permet également d'effectuer des mesures géophysiques et météorologiques : observation détaillée des tempêtes de poussière, sondages sismiques et radar pour étudier les structures souterraines, en particulier rechercher la présence d'eau. La présence de l'homme permet de positionner les instruments de mesure et de les calibrer avec précision. Des sondages souterrains à grande profondeur peuvent être menés pour accéder aux couches contenant de l'eau à l'état stable, pour rechercher dans les carottes de dépôts sédimentaires la présence d'une vie extraterrestre ou des caractéristiques particulières comme les dépôts hydrothermaux. Des fusées-sondes et des ballons peuvent être lancés pour étudier l'atmosphère.

Enfin des expériences peuvent être menées pour tester l'utilisation de Mars par l'homme comme par exemple la réalisation de plantations sur le sol martien. Des études médicales sont conduites sur les astronautes pour analyser l'adaptation de l'homme à l'environnement martien tant sur le plan de sa santé que de ses capacités^[20].

L'exploration de multiples sites dans un grand rayon autour de l'habitat est une condition essentielle à la réussite scientifique de l'expédition. La NASA, dans son scénario de référence, prévoit des explorations menées dans un rayon de 100 km : il est prévu de réaliser durant ces expéditions des forages jusqu'à une profondeur de 100 mètres^[21]. Les expéditions à grande distance sont préparées pour optimiser le temps passé sur place : étude des relevés satellitaires, envoi de robots téléopérés pour trouver la meilleure voie d'accès et faire une première évaluation de l'intérêt présenté par un site. La disponibilité de véhicules est essentielle ainsi que celle d'un système de navigation permettant à l'astronaute de se repérer. La combinaison spatiale doit fournir à l'astronaute une liberté de mouvement suffisante pour lui permettre de réaliser sans effort ses tâches. Le rayon d'action de l'équipage est déterminé par celui des véhicules mis en œuvre mais également par la capacité et la disponibilité d'un véhicule de secours qui devra pouvoir récupérer une expédition en difficulté paralysée par une défaillance de son matériel ou un accident. Si aucun véhicule de secours n'est prévu, la limite des déplacements est fixée par la capacité des astronautes à retourner à pied à l'habitat^{[N 4]}. Les expéditions comprennent toujours au moins 2 astronautes et des équipiers sont disponibles dans l'habitat pour assurer une veille radio permanente et participer à une expédition de secours. Les expéditions doivent être planifiées en fonction des saisons. Il n'est pas recommandé d'effectuer une sortie de nuit ou durant une tempête de poussières. Les outils (en particulier les outils de forage), les véhicules et les combinaisons spatiales doivent pouvoir être réparés sur place lorsque la panne n'est pas trop complexe. Pour accroitre le rayon d'action des expéditions un avant-poste peut être installé au cœur d'une zone à explorer, permettant aux astronautes d'enlever leur combinaison spatiale, de s'y reposer, de refaire le plein de consommables. Cet avant-poste peut être constitué par un rover pressurisé ou un habitat gonflable^[22].

Le travail en laboratoire

La vie dans l'habitat

L'entretien et le dépannage des installations

Les préparatifs de retour

Le décollage

Plusieurs scénarios sont possibles. Dans les scénarios dit "direct" (Zubrin), l'habitat posé sur Mars sert également pour le retour vers la Terre. Il faut donc que soit placé sous ce dernier un système de propulsion et de grands réservoirs d'ergols. Il peut s'agir de tout ou partie du système de propulsion utilisé pour l'atterrissage. L'alternative consiste à disposer au préalable le véhicule de retour en orbite martienne et à utiliser une petite fusée avec un petit module dédié pour faire remonter les astronautes en orbite. Il faut alors établir la jonction avec le véhicule de retour. Ce dernier scénario est proposé dans la mission de référence de la NASA. Le scénario du retour direct a l'avantage d'être simple, mais nécessite de faire décoller un vaisseau lourd. Le scénario avec rendez-vous en orbite nécessite un vaisseau moins lourd. Néanmoins, de telles manœuvres astronautiques comportent un certain risque : il ne faut pas que le rendez-vous soit manqué, sinon c'est la mort assurée pour tous les astronautes.

Les scénarios de mission vers Mars en compétition

Deux scénarios de mission habitée vers Mars ont été, à ce jour, particulièrement détaillés : le scénario de la NASA « Design reference mission » conçu à la fin des années 1990 et qui subit des améliorations constantes et le scénario de la Mars Society « Mars Direct ».

Le scénario de référence de la NASA (V5 2009)

Le scénario de référence de la NASA (2009) pour une mission vers Mars (2009) : scénario de conjonction, 7 fusées Ares V et 1 Ares I, propulsion nucléaire, fabrication de carburant sur place, pré positionnement de vaisseaux.

Vaisseau de transit entre Mars et la Terre (NASA 2009)

Module de remontée (NASA 2009)

Lever de soleil sur un canyon martien (source NASA)

Depuis 1988 (NASA Case studies) la NASA affine un scénario de mission habitée vers Mars.

Historique du scénario de mission habitée martienne à la NASA

Les origines : la NASA Space Exploration Initiative (1989)

En réponse à une demande du président des États-Unis, la NASA réalisa une étude sur les projets d'exploration habitée de la Lune et de Mars qui devaient prendre la suite de la Station spatiale internationale. Le rapport qui en résulta appelé le 90-day study^[23], proposait un plan à long terme consistant à compléter la station spatiale internationale jugée une étape incontournable puis de retourner sur la Lune pour y établir une base permanente et enfin envoyer des hommes sur Mars. Ce rapport fut largement critiqué comme trop ambitieux et trop coûteux et tous les fonds destinés à l'exploration habitée au-delà de l'orbite terrestre furent supprimés par le Congrès^[24].

NASA Design reference mission (fin 1990)

À la fin des années 1990 la NASA définit plusieurs scénarios d'exploration habitée de Mars. L'un des plus remarquables, souvent cité, est le Design reference mission 3.0 (DRM 3.0). L'étude a été réalisée par l'équipe d'exploration de Mars du Centre Spatial Johnson (JSC). Des personnes représentant les différents centres de recherche de la NASA ont défini un scénario de référence d'exploration par l'homme de Mars. Le plan décrit les premières missions sur Mars en développant les concepts utilisés et les technologies mises en œuvre. Cette étude repose sur des études précédentes principalement sur les travaux du Groupe de Synthèse (1991) et de Zubrin (1991) pour l'utilisation de carburants produits à partir de l'atmosphère martienne. L'objectif principal de cette étude était de stimuler la réflexion et la découverte d'approches alternatives pouvant améliorer la faisabilité ainsi que réduire les risques et les coûts.

NASA Design reference mission 5.0 (2007)

La NASA a décrit les derniers détails du scénario de mission habitée vers Mars dans ce document. Ce document a été actualisé en janvier 2009^[25].

Le scénario de référence V5 de 2009

La dernière version a été produite en février 2009 (Mars Design Reference Architecture 5.0 )^[26]. Le scénario utilise les 2 lanceurs en développement dans le cadre du programme Constellation - l'Ares I conçu pour lancer des vaisseaux habités et l'Ares V capable de mettre 188 tonnes de charge utile en orbite basse - ainsi que le vaisseau habité Orion.

Les choix d'architecture

Les choix d'architecture les plus structurants sont les suivants :

• le scénario d'opposition est rejeté car son intérêt scientifique est trop limité ;
• les 3 étages NTR, utilisés pour lancer les différents modules sur le trajet Terre-Mars, ont une propulsion nucléaire ce qui permet à poids égal de doubler leur puissance par rapport au recours à une propulsion classique (impulsion spécifique de 900 secondes). Pour la propulsion de l'habitat de transit (MTV) qui contient l'équipage, un réservoir s'interpose entre l'étage nucléaire et l'habitat ;
• pour se mettre en orbite autour de Mars les 3 vaisseaux utilisent la technique de l'aérocapture. Cette solution est une alternative à un recours aux moteurs qui consomment un carburant précieux ;
• l'atterrissage sur Mars (Entry Descent and Landing EDL) est considéré comme la phase la plus périlleuse de la mission. Le rapport recommande l'utilisation du freinage atmosphérique pour les cargos et le recours aux fusées pour l'habitat martien qui transporte l'équipage avec des phases d'expérimentation préalable. Ce choix n'est peut être pas compatible avec la contrainte de poids ;
• l'étude envisage l'utilisation des coiffes d'Ares comme bouclier thermique durant la rentrée des modules dans l'atmosphère martienne ;
• 30 % du carburant (oxygène) de l'étage de remontée martien est généré par extraction de l'atmosphère martienne ;
• l'énergie sur le sol martien est fourni par un réacteur nucléaire de 30 kW installé à environ 1 km de l'habitat ;
• le rapport préconise la mise à disposition d'un véhicule pressurisé de petite taille permettant d'effectuer des excursions jusqu'à 100 km de l'habitat (disqualifie l'habitat mobile) ;
• pas de gravité artificielle à bord du véhicule de transit Terre Mars.

Déroulement de la mission de référence NASA

Les principales caractéristiques du scénario sont les suivantes (schéma ci-contre) :

• choix du scénario de conjonction avec un séjour sur Mars de 500 jours et des trajets Terre-Mars de 180 jours ;
• pré positionnement de l'habitat martien (Surface Habitat SHAB) et de l'étage de remontée (Descent / Ascent Vehicle DAV) qui décollent de la Terre 24 mois avant le départ de l'équipage :
  • le lancement en orbite basse terrestre de ces deux modules est réalisé par 4 fusées Ares V : 1 pour chacun des vaisseaux et 1 pour chaque étage propulsif (NTR Vehicle) qui doit envoyer les deux vaisseaux vers Mars. Chaque vaisseau est assemblé avec son étage propulsif en orbite par arrimage automatique,
  • arrivée sur l'orbite martienne le vaisseau d'habitation martienne se met en attente de l'équipage, tandis que le vaisseau de remontée se pose sur le sol martien. Après l'atterrissage il se met à extraire de l'oxygène de l'atmosphère martienne pour produire un des ergols utilisé comme carburant pour la remontée en orbite mais également des consommables au bénéfice de l'équipage (production d'oxygène et eau) ;
• l'équipage (6 personnes) décolle 24 mois après le premier lancement à bord d'un vaisseau Orion lancé par une Ares I. Simultanément trois Ares V lancent en orbite basse respectivement un étage de propulsion (moteur+réservoir), un réservoir et l'habitat qui doit héberger l'équipage durant le trajet Terre Mars aller et retour (Transit Habitat). Les trois modules sont assemblés pour former le vaisseau qui effectuera l'aller retour (Mars Transit Vehicle MTV). L'équipage amarre son vaisseau Orion à l'ensemble et embarque dans l'habitat ;
• l'ensemble est injecté sur une trajectoire martienne en utilisant le propergol contenu dans le réservoir sans moteurs. Celui-ci est alors largué ;
• le vaisseau ralentit pour se mettre en orbite autour de Mars. Contrairement aux modules cargos envoyés 2 ans auparavant, il n'utilise pas la technique de l'aérocapture qui permet d'économiser les ergols;
• en orbite martienne l'équipage embarque dans un petit vaisseau (non décrit) qui lui permet de rejoindre l'habitat martien pré-positionné en orbite martienne 24 mois auparavant ;
• l'habitat martien descend sur le sol martien ;
• l'équipage séjourne sur le sol martien durant 500 jours ;
• à la fin de son séjour il utilise le véhicule de remontée qui a fabriqué automatiquement une partie de son carburant pour remonter en orbite martienne ;
• après une manœuvre de rendez-vous il embarque dans le vaisseau qui effectue le trajet Terre Mars (MTV). Celui quitte l'orbite martienne en puisant dans son deuxième réservoir (celui situé dans l'étage doté de moteurs (NTR Vehicle). Arrivé près de l'orbite terrestre, l'équipage embarque dans le vaisseau Orion et effectue sa rentrée dans l'atmosphère.

Le scénario de la Mars Society : Mars Direct

Le scénario de Mars Direct a été conçu pour démontrer qu'une mission habitée vers Mars pouvait être réalisée pour un coût relativement réduit (par rapport aux scénarios établis par la NASA) en utilisant les technologies et une grande partie des engins existants.

• Le véhicule qui doit assurer le retour de l'équipage depuis le sol martien (ERV) est lancé en premier. Il emporte le générateur de carburant, l'hydrogène nécessaire pour produire le carburant in situ et un petit réacteur nucléaire qui doit être utilisé sur place comme source d'énergie. L'ERV est lancé au moment le plus propice et atteint Mars après 8 mois de transit effectué à la vitesse la plus économe en énergie. Le lanceur utilisé au départ de la Terre est une fusée de la puissance de la Saturn V. La mise en orbite autour de Mars se fait par aérofreinage et l'arrivée sur le sol martien utilise le freinage aérodynamique, puis des parachutes et enfin dans la phase finale des moteurs-fusées.

• L'habitat martien (Hab) qui sert également de véhicule pour le transit aller Terre-Mars est lancé 26 mois plus tard, lorsque la fenêtre optimale pour le voyage vers Mars s'ouvre à nouveau. Il transporte à son bord les 4 astronautes de la mission martienne et un véhicule pressurisé. Le temps de trajet est plus court (6 mois) grâce à une vitesse de déplacement plus élevée. Durant le trajet une pesanteur artificielle est créée en mettant en rotation l'ensemble constitué du réservoir vide de la fusée utilisé pour acquérir la vitesse permettant de s'échapper de l'attraction terrestre et le reste du vaisseau. La masse de l'habitat qui offre environ 100 m² de surface habitable avec le ravitaillement pour 3 ans et le support-vie qui recycle l'eau et l'oxygène est d'environ 25 tonnes.

• Au voisinage de Mars, l'étage supérieur devenu inutile est largué et l'habitat après s'être inséré en orbite effectue une rentrée de précision dans l'atmosphère martienne en utilisant les mêmes dispositifs que l'ERV. Si le vaisseau se pose à moins de 1000 km de l'ERV, l'équipage rallie le véhicule de retour à la fin de son séjour en utilisant le véhicule pressurisé.

Une fois sur Mars, l'équipe passe 18 mois sur la surface effectuant des recherches scientifiques. A l'issue de son séjour, l'équipage utilise l'ERV pour quitter le sol martien puis effectuer le trajet Mars Terre.

Le cout de Mars Direct était à l'époque de sa définition estimé à 20 milliards de dollars, en y incluant les coûts de développement soit 30 à 35 milliards de dollars actuels.

Historique des autres études de mission habitée vers Mars

Depuis les débuts de l'astronautique, un grand nombre de scénarios de missions ont été proposés^[27].

Le projet de Wernher von Braun (de 1947 à la fin années 60)

Première version (1952) 

Wernher von Braun est le premier à faire une étude technique détaillée d'une mission vers Mars^[27],[28]. Les détails sont publiés dans son livre Das Marsprojekt (1952) traduit en anglais en 1962^[29] et dans différentes autres publications^[30] et présentés dans le magazine Collier à travers une série d'articles à compter de mars 1952. Une variante du concept de mission proposé par Von Braun est popularisée en anglais dans l'ouvrage The Conquest of Space de Willy Ley (1949), avec des illustrations de Chesley Bonestell. Le projet de Von Braun consistait à envoyer près d'un millier de fusées à trois étages qui mettaient en orbite les éléments de la mission vers Mars; ceux-ci étaient assemblés depuis une station spatiale en orbite terrestre^[28],[31]. La mission elle-même comportait une flotte de 10 vaisseaux chacun emportant 70 personnes et 3 avions qui devaient se poser horizontalement sur le sol martien (à l'époque on pensait que l'atmosphère martienne était beaucoup plus dense qu'elle ne l'est en réalité).

La version de 1956 

Dans une vision révisée du projet martien publiée en 1956 sous le titre The Exploration of Mars par Von Braun et Willy Ley, la taille de la mission était réduite, ne nécessitant plus que 400 lancements utilisés pour construire 2 vaisseaux emportant toujours un avion^[32]. Dans la version postérieure du projet, popularisée par la série de film « Man in Space » de Disney^[33] les vaisseaux avaient recours à la propulsion nucléaire et ionique pour les trajets interplanétaires.

Mise en œuvre de la propulsion nucléaire (1969) 

À la suite du succès du Programme Apollo, Von Braun se fit l'avocat d'une mission habitée martienne qui devait être l'objectif du programme des missions habitées de la NASA^[34]. Dans le scénario proposé des lanceurs Saturn V étaient utilisés pour mettre en orbite des étages à propulsion nucléaire (NERVA) : ceux-ci étaient utilisés pour propulser deux vaisseaux avec des équipages de 6 hommes. La mission devait être lancée au début des années 1980. La proposition fut étudiée par le président Richard Nixon et repoussée en faveur de la navette spatiale.

Les projets soviétiques des années 1960

Le vaisseau soviétique interplanétaire TMK-MAVR (vue d'artiste)

Le vaisseau lourd habité interplanétaire (connu par les russes sous l'acronyme TMK) était un vaisseau d'exploration proposé dans les années 1960 conçu pour effectuer un survol de Mars et Vénus sans atterrir. Le vaisseau devait être lancé en 1971 et effectuer une mission d'une durée de 3 ans. Au cours du survol de Mars des sondes devaient être larguées. Le projet TMK se voulait une réponse aux vols lunaires américains. Le projet ne fut jamais réalisé entre autres parce qu'il utilisait le lanceur N1 qui ne réussit jamais à voler.

États-Unis : Case for Mars et Mars Direct (1981–1996)

Case for Mars (1981–1996) 

À la suite du succès des sondes martiennes Viking, une série de conférences furent données entre 1981 et 1996 sous le titre The Case for Mars à l'Université du Colorado à Boulder. Ces conférences défendaient le principe de l'exploration de Mars par des missions habitées en présentant les concepts et les technologies nécessaires et étaient suivis d'ateliers de travail destinés à détailler le déroulement des missions. L'un des concepts de base était la réutilisation des ressources martiennes pour fabriquer le carburant nécessaire au voyage de retour. L'étude fut publiée dans une série de volumes^[35],[36] publiés par l'American Astronautical Society. Des conférences ultérieures présentèrent un certain nombre de concepts alternatifs dont celui de « Mars Direct » préconisé par Robert Zubrin et David Baker; les « Footsteps to Mars » proposition de Geoffrey A. Landis^[37], qui proposait de réaliser des missions intermédiaires avant d'atterrir sur Mars, dont celle de poser un équipage sur Phobos et le Great Exploration proposé par le Lawrence Livermore National Laboratory entre autres.

Mars Direct (début des années 1990) 

Du fait de la distance entre Mars et la Terre, la mission vers Mars sera beaucoup plus risquée et plus coûteuse que les vols vers la Lune. Le ravitaillement et le carburant doivent être disponibles dans des quantités suffisantes pour un voyage de 2 à 3 ans et le vaisseau doit disposer d'un bouclier au moins partiel permettant de protéger son équipage des éruptions solaires. Un document publié en 1990 par Robert Zubrin and David A. Baker, puis par Martin Marietta proposa de réduire la masse de la mission (et donc son coût) en utilisant les ressources martiennes et en particulier en fabriquant le carburant à partir des gaz contenus dans l'atmosphère martienne^[38],[39]. Cette proposition reprenait un certain nombre de concepts développés dans la série de conférences de Case for Mars. Au cours de la décennie suivante, cette proposition fut développée par Zubrin sous le concept de mission intitulé Mars Direct qu'il exposa dans son livre The Case for Mars (1996) (dans sa version française « Cap sur Mars »). Ce scénario de mission est soutenu par la Mars Society qui considère qu'il s'agit d'un scénario pratique et d'un coût raisonnable.

États-Unis : Vision for Space Exploration (2004)

Le président américain George W. Bush est à l'origine d'un document programme publié le 14 janvier 2004 et intitulé Vision for Space Exploration. Ce document prévoit la mise en place d'un avant poste sur la Lune vers 2020. Des missions préalables durant la décade 2010-2020 doivent permettre la mise au point des techniques nécessaires^[40]. Le 24 septembre 2007 Michael Griffin, alors administrateur de la NASA, a suggéré qu'une mission habitée vers Mars pourrait être lancée vers 2037^[41]. La NASA a également envisagé de lancer des missions vers Mars depuis la Lune^[42]. Cette option n'a toutefois pas été retenue car elle nécessiterait l'installation d'un véritable complexe industriel sur la Lune qui serait difficile à exploiter et à maintenir.

Les programmes russes et européens actuels

Le programme Aurora (début 2000) 

L'Agence spatiale européenne a des projets à long terme d'envoyer une mission habitée vers Mars aux alentours de 2030. Selon le calendrier du projet proposé en 2001 , la mission commencerait par une exploration par des robots, une simulation permettant de valider le capacité à faire vivre des hommes sur Mars puis une mission habitée. Mais les objections de plusieurs des pays membres de l'agence et d'autres raisons ont remis en cause le calendrier avancé.

Les projets russes (actuels) 

Un certain nombre de concepts et de propositions ont été effectués par les scientifiques russes. Les dates pour le lancement se situaient entre 2016 et 2020. Le vaisseau martien devait emporter un équipage de 4 à 5 cosmonautes qui devaient séjourner 2 ans dans l'espace. En 2009, les agences spatiales russe et européenne ont achevé une expérience psychologique faisant partie du programme Mars500 consistant à isoler durant 105 jours un équipage composé de 6 personnes (4 russes, 1 allemand et 1 français) pour simuler une mission martienne^[43]. En février 2010, l'Agence fédérale spatiale russe (Roskosmos) annonce qu'un vol habité vers Mars ne fait pas partie du programme spatial immédiat de la Russie mais précise qu'elle envisage de développer des propulseurs à énergie nucléaire pour rallier Mars rapidement^[44],[45].

Mission conjointe russe et européenne 

Une proposition de mission conjointe de la Russie et de l'Europe faite en 2002 repose sur l'envoi de deux vaisseaux l'un emportant un équipage de 6 personnes, l'autre le ravitaillement de la mission. La mission durerait 440 jours et permettrait à un équipage de 3 personnes d'explorer la surface de Mars durant 2 mois. Le projet entier a été chiffré à 20 milliards de $ dont 30 % apportés par la Russie^[46].

Notes et références

Notes

Références

Sources

• La mission martienne de référence de la NASA dernière version et versions anciennes (consultables en ligne) :
  • (en) NASA, Human Exploration of Mars Reference Mission Design Reference Architecture 5.0, Addendum, 2009 [lire en ligne]
    Dernière version publiée du scénario de référence : détail (juillet 2009)
     
  • (en) NASA, Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0, 2009 [lire en ligne]
    Dernière version publiée du scénario de référence : synthèse (janvier 2009)
     
  • (en) NASA, Human Exploration of Mars: The Reference Mission Design Reference Mission 1.0, 1997 [lire en ligne]
    Le scénario de référence dans sa première version (DRM 1 de 1997)
     
  • (en) NASA, Reference Mission Version 3.0, Addendum to Human Exploration of Mars Design Reference Mission 3.0, 1998 [lire en ligne]
    Le scénario de référence dans la version 3 (DRM 3 de 1998)
     
  • (en) NASA, The Mars Surface Reference Mission: A Description of Human and Robotic Surface Activities, 2001 [lire en ligne]
    Détail des activités à la surface de Mars dans le cadre du scénario de référence (2001)
     
• Les autres études de la NASA (consultables en ligne) :
  • (en) NASA, Mars Surface Radiation Exposure for Solar Maximum Conditions and 1989 Solar Proton Events, 1993 [lire en ligne]
    Etude sur l'exposition aux radiations à la surface de Mars (1993)
     
• Ouvrages émanant de la mouvance de R Zubrin et de la Mars Society :
  • Robert Zubrin, Cap sur Mars, H. Gourseau, 1996 (ISBN 2-904105-09-3).
    Titre original "The case for Mars", exposé du scénario Mars Direct
     
  • Charles Frankel, L'homme sur Mars science ou fiction ?, Dunod - Quai des sciences, 2007 (ISBN 978-2-10-049558-0).
    Ouvrage de semi fiction par un membre français de la Mars Society
     
• Autres études et ouvrages:
  • (en) David S. F. Portree (NASA), Human to Mars Fifty Years of Mission Planning 1950—2000, 2001 [lire en ligne]
    Historique des projets d'exploration habitée de Mars de la NASA
     
  • (en) International Academy of Astronautics (IAA), The next steps in exploring Deep Space, 2004 [lire en ligne]
    Exposé détaillé des objectifs de l'exploration spatiale pour le demi siècle à venir rédigé par un collège d'experts
     
  • (en) R. Braun et R Manning, Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges, 2009 [lire en ligne]
    Description technique du problème soulevé par l'atterrissage sur Mars (EDL) et des solutions par 2 spécialistes
     
  • (en) Edik Seedhouse, Martian Outpost - The challenges of establishing a human settlement on Mars, Springer, 2008 (ISBN 978-0-387-98190-1).
    Exposé détaillé des scénarios de mission habitée vers Mars
     
  • (en) Frédéric W. Taylor, The Scientific Exploration of Mars, Cambridge University Press, 2007 (ISBN 978-0-521-82956-4).
    Connaissances scientifiques sur la planète Mars, historique des découvertes par les missions robotiques, objectifs des futures missions scientifiques et scénario d'une future mission habitée
     .

Voir aussi

Articles connexes

• Exploration de Mars : synthèse sur les sondes spatiales qui ont contribué ou vont contribuer à l'exploration de Mars.
• Mars : description de la planète
• Programme Constellation : le programme spatial américain en cours, dont l'objectif final mais non daté, est l'envoi d'une mission habitée vers Mars
• Mars Direct : le scénario de mission habitée à bas coût développé par Robert Zubrin
• Histoire du vol spatial

Liens externes

• (en) Site Astronautix : Liste des projets de missions habitées vers Mars
• (en) Site Astronautix : L'étude IMIS (Integrated Manned Interplanetary Spacecraft) de 1968
• (fr) Site Nirgal : Mars, le programme d'exploration actuel de la planète avec ses aspects techniques
• (en) Page de RKK ENERGIA sur l'architecture de la mission habitée russe

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