Mission habitée vers Mars

Quelques équipements d'une mission sur Mars : véhicule pressurisé, habitat et vaisseau de retour (scénario NASA).
Le vaisseau utilisé par l'équipage pour se diriger vers Mars (scénario NASA 2009).

La réalisation d'une mission spatiale habitée vers Mars constitue 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 de 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, utilisation de l'aérocapture pour se freiner à l'arrivée sur Mars, méthode d'atterrissage sur Mars, production du carburant du voyage de retour in situ, nombre et tonnage des engins spatiaux à lancer. Les avant-projets les plus aboutis émanent de la NASA, forte de son rôle de pionnier et agence spatiale civile la mieux dotée, qui affine une solution lourde (Mars Design Reference Architecture) nécessitant de placer entre 850 et 1 250 tonnes en orbite terrestre basse via une dizaine de lancements, mais également de groupes de passionnés regroupés dans des associations comme la Mars Society qui préconisent une solution moins coûteuse – Mars Direct – ne nécessitant que deux lancements. Tous ces scénarios nécessitent que des technologies clés soient développées et testées notamment l'aérocapture, la dépose de masses élevées sur le sol martien et l'extraction des ressources à partir de l'atmosphère ou du sol martiens.

Il existe par ailleurs un débat de fond sur la justification d'un tel projet qui doit mobiliser des ressources financières énormes et présente des risques importants alors que 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 par des astronautes et le mythe de la frontière, très vivace aux États-Unis, ne parviennent pas à convaincre les décideurs de franchir le pas. La NASA développe deux engins – le lanceur lourd SLS et le vaisseau spatial interplanétaire Orion – qui pourraient participer à une mission martienne. Mais, depuis l'abandon du programme Constellation, il n'existe pas en 2015, au sein des agences spatiales de projets même long terme de mission habitée vers Mars qui aient reçu un commencement de mise en œuvre.

Objectifs d'une mission habitée vers Mars

Mars cible privilégiée de l'exploration spatiale

Prospection géologique dans un canyon martien

Dans le domaine de l'exploration spatiale, Mars tient une place à part parmi les planètes du système solaire. Bien qu'elle soit plus éloignée du Soleil que la Terre (ensoleillement deux fois plus faible) et beaucoup plus petite que celle-ci (moitié du diamètre), Mars est la planète dont les caractéristiques sont les plus proches. La probabilité d'y découvrir des formes de vie présentes ou passées y est la plus importante. Mars est aujourd'hui une planète froide, sèche et presque dépourvue d'atmosphère, mais dans un lointain passé elle a été chaude et l'eau a coulé à sa surface. Plus éloignée de la Terre que Vénus, elle se situe néanmoins à une distance qui permet à un vaisseau spatial de l'atteindre entre 6 et 9 mois en suivant une trajectoire économisant la consommation d'ergols. L'eau ne coule plus à la surface, mais elle est abondante dans les calottes polaires et dans les zones ombragées des cratères situés à des latitudes même très basses. Les principaux éléments chimiques nécessaires à l'installation d'une colonie (oxygène, azote, hydrogène, carbone) sont présents soit dans l'atmosphère soit dans le sol de la planète.

L'apport de l'homme

Les agences spatiales lancent régulièrement des engins spatiaux automatisés ayant pour objectif l'étude scientifiques de Mars. Plus de quarante sondes spatiales, orbiteurs, atterrisseurs et rovers, ont été envoyées vers Mars depuis le début des années 1960. Après un hiatus de près de 15 ans, il se lance depuis 1996 au moins une nouvelle sonde spatiale à chaque ouverture de la fenêtre de lancement vers Mars soit tous les 26 mois. Cet afflux d'engins, équipés d'instruments scientifiques de plus en plus sophistiqués et adaptables, ont permis de recueillir énormément de données et d'effectuer de nombreuses découvertes. Malgré les progrès dans le domaine de l'électronique et de l'informatique utilisées par ces engins robotisés, l'envoi d'un équipage sur le sol martien présente plusieurs avantages importants[1] :

Les objectifs d'une mission spatiale martienne

Les objectifs scientifiques sont les premiers avancés pour justifier l'envoi d'astronautes sur le sol martien. La désignation de ces objectifs dépend des moyens qui seront accordés aux équipages : nombre et durée des sorties extravéhiculaires, capacité des véhicules, équipements d'analyse disponibles sur place, équipements de mesure (stations météo, ...), capacité de la foreuse, énergie disponible, implication des rovers robotisés, .... La priorité sera donnée aux recherches qui ne peuvent être menées par des robots d'exploration. Trois domaines scientifiques sont concernés :

Sur le long terme, dans le cadre de bases permanentes, tous les domaines scientifiques sont concernés, en particulier celui de la biologie.

Compte tenu du cout énorme d'une mission martienne, il est très probable que les motivations politiques et sociétales joueront un rôle encore plus important que les objectifs scientifiques dans la décision de lancer le projet. Le seul programme spatial de cette envergure, le programme Apollo, a été lancé pour contrer l'influence de l'Union soviétique qui dominait à l'époque les États-Unis dans l'exploration spatiale dans un contexte de Guerre Froide entre les deux pays. Parmi les motivations non scientifiques on peut citer :

Complexité d'une mission martienne

L'envoi d'un équipage à la surface d'un autre objet céleste constitue une prouesse bien illustrée par la complexité et le coût du programme Apollo (environ 170 milliards de dollars US) qui reste la seule tentative effectuée dans ce domaine. Depuis cette époque les progrès techniques dans le domaine spatial sont restés relativement limités hormis en électronique. Notamment aucune percée décisive n'a été effectuée dans le domaine de la propulsion spatiale ce qu'illustre la mise en œuvre sur des lanceurs récents de moteurs mis au point dans les années 1960. Or l'envoi d'hommes vers Mars constitue un objectif beaucoup plus complexe que l'atterrissage d'un équipage sur la Lune.

Complexité d'une mission martienne : comparaison avec une mission Apollo
Caractéristique de la mission Mission Apollo Mission martienne Impact
Durée de la mission 12 jours 640 jours ou 910 jours
(scénario d'opposition ou de conjonction)
- Nécessité d'un volume habitable important
- Protection contre les radiations
- Gestion des effets de l'impesanteur
- Masse des consommables (eau, oxygène, nourriture)
- Impact du confinement
Délai nécessaire pour un retour sur Terre 3 jours au minimum 6 mois et jusqu'à 2 ans - Fiabilisation pour éviter une défaillance matérielle fatale à cette distance de la Terre
- Urgence médicale devra être traitée par l'équipage
Atterrissage/Décollage Lune ou Mars Pas d'atmosphère / gravité faible Présence d'une atmosphère ténue et peu épaisse / gravité relativement forte - Les techniques éprouvées ne permettent de poser qu'une à deux tonnes sur le sol martien
- Le décollage depuis le sol de Mars nécessite de disposer in situ d'un lanceur de grande taille
Télécommunications Temps d'acheminement environ 1 seconde, liaison permanente Temps d'acheminement 3 à 20 minutes, Liaison discontinue - Sensation d'isolement
- Pas d'assistance en temps réel depuis la Terre
Masse placée en orbite basse terrestre /
posée sur le sol Lune/Mars
118 tonnes /
7 t.
400 à 1000 tonnes / 60 à 80 tonnes - Coût
- Complexité (lancements multiples)

Les différentes phases d'une mission 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) :

Dans le dernier scénario détaillé de la NASA en 2009 une mission martienne nécessite le développement de quatre vaisseaux qui sont assemblés en orbite et sont lancés vers Mars en 3 vols distincts :

Choix structurants de la mission

Plusieurs paramètres ont un impact décisif sur la mission, en particulier la durée du séjour sur le sol martien (scénario de conjonction ou opposition), le cadencement des vols (pré-déploiement ou lancements simultanés, le système de propulsion interplanétaire (chimique, nucléaire thermique, nucléaire électrique, ...), le type d'insertion en orbite martienne (aérocapture ou freinage propulsif), les modalités de descente sur le sol martien, le nombre d'astronautes, typiquement entre 3 et 6, et enfin l'exploitation de ressources locales, ou pas, pour la production des ergols permettant le retour en orbite Martienne.

Durée du séjour sur Mars : scénarios de conjonction ou d'opposition

La trajectoire retenue a un impact direct sur la durée de la mission, sur le système de propulsion interplanétaire et sur la quantité de carburant emportée. Ce choix répond à plusieurs contraintes économiques et scientifiques :

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

Déroulement des scénarios d'opposition et de conjonction : 1 : Lancement de l'équipage, 2 : Atterrissage sur Mars, 3 : Décollage du sol de Mars, 4 Assistance gravitationnelle de Vénus (scénario d'opposition uniquement), 5 Retour sur Terre.

Compte tenu de toutes ces contraintes il existe deux scénarios de mission :

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 minimisée tout en restant 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 scénario de conjonction a largement la préférence des scientifiques. Le scénario d'opposition qui ne permet qu'un séjour d'environ 30 jours sur le sol martien ne permet pas de réaliser l'exploration de l'ensemble de la zone pouvant être atteinte grâce aux systèmes de mobilité mise à disposition de l'équipage. Ce scénario limite la possibilité de recueillir des échantillons de sol prélevés à grande profondeur grâce à la foreuse. La brièveté du séjour ne permet pas de réorienter les recherches en fonction des découvertes ou d'optimiser de manière itérative les échantillons de sol et de roche collectés. À l'opposé les deux seuls inconvénients sont une exposition plus longue des astronautes aux rayons cosmiques et un cout légèrement supérieur[2].

Les systèmes de propulsion

La capacité d'un vaisseau dans l'espace à modifier sa trajectoire est conditionnée par la masse d'ergols qu'il emporte et qui est utilisée par ses moteurs-fusées à chaque fois qu'il faut accélérer mais également décélérer. Les changements de vitesse requis pour une mission sur Mars avec retour de l'équipage sur Terre sont très importants. Or avec une propulsion chimique classique il faut sacrifier pratiquement 50% de la masse sous forme d'ergols pour modifier la vitesse de 2 km/s. Pour cette raison le scénario de la NASA faisant appel uniquement à des techniques de propulsion classiques nécessite de placer en orbite basse terrestre 1 250 tonnes afin de disposer sur le sol martien de 100 tonnes d'équipement (Le rover Curiosity déposé sur le sol martien et qui a une masse d'une tonne a du être lancé par une version de la fusée Atlas V (541) capable de mettre près de 18 tonnes en orbite terrestre basse). Les scénarios développés dans les différentes études de mission spatiale vers Mars proposent différentes techniques pour réduire la masse à placer en orbite :

Phases propulsives d'une mission martienne et solutions techniques pour abaisser la masse des ergols
Position du vaisseau Phase de propulsion Delta-V requis Technique permettant de réduire la masse emportée Commentaire
Orbite basse terrestre Injection sur une trajectoire vers Mars 3,7 à 4,1 km/s (1) Pas de consensus.Cela dépend de nombreux paramètres : aérocapture pour l'arrivée ou pas, vaisseau cargo ou habité, charge utile, etc.
Arrivée à proximité de Mars Insertion en orbite martienne 0,8 à 1,8 km/s (1) Aérocapture Si l'aérocapture n'est pas utilisée, il faut freiner avec un système de propulsion.
En orbite basse autour de Mars Descente sur le sol martien 0,6 à 0,8 km/s - La décélération est réalisée en grande partie grâce à la trainée atmosphérique. La propulsion est nécessaire pour permettre un atterrissage de précision et en douceur ainsi que compenser la faible épaisseur de l'atmosphère.
Sur le sol de Mars Insertion en orbite martienne environ 4 km/s Production à partir de l'atmosphère martienne de l'oxygène utilisé par l'étage de remontée (ISRU)
En orbite autour de Mars Insertion sur une trajectoire vers la Terre 1,6 km/s Propulsion nucléaire
Arrivée à proximité de la Terre Descente sur le sol terrestre 0 km/s - La décélération (11 à 12 km/s) est complètement réalisée grâce à la trainée atmosphérique
(1)Dépend de la date et la durée programmée du transit

Pré déploiement ou lancements simultanés

Dans tous les scénarios l'envoi d'une mission vers Mars nécessite plusieurs vols distincts correspondant à autant d'équipements lourds à convoyer. De manière relativement standard il faut deux vols cargos (sans équipage) pour amener à la surface de Mars d'une part l'habitat, d'autre part la fusée chargée de remonter l'équipage en orbite à la fin de la mission. Un troisième vol réalise le convoyage de l'équipage entre la Terre et Mars (aller et retour) dans un habitat destiné à rester en orbite. Deux scénarios sont possibles pour la planification de ces vols[2]:

Le scénario du pré-déploiement est généralement préféré. Les raisons avancées par exemple par le groupe de travail de la NASA qui a élaboré le scénario de référence de l'agence spatiale américaine sont les suivantes :

Aérocapture et aérofreinage

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).

L'aérofreinage est une option intermédiaire qui consiste à passer plus haut dans l'atmosphère martienne, ce qui conduit à une orbite allongée en sortie et nécessite un freinage propulsif complémentaire et plusieurs autres passages pour atteindre l'orbite finale recherchée.

Utilisation des ressources martiennes

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

Le dernier scénario de la NASA comme celui de la Mars Society prévoient la production de consommables à partir des ressources disponibles sur Mars. L'utilisation des ressources in situ (en anglais ISRU) permet de réduire de manière importante la masse à déposer sur Mars. Les produits fabriqués seraient en premier lieu une partie de l'eau et de l'oxygène consommées par les astronautes et en second lieu le carburant utilisé pour remonter de la surface de Mars jusqu'à l'orbite basse. Selon R. Zubrin en utilisant la réaction de Sabatier (CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O) suivie d'une électrolyse (2H2O → 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. Les équipements produisant ces consommables seraient prépositionnés plusieurs mois avant l'arrivée de l'équipage à la fois pour permettre de s'assurer de leur bon fonctionnement et produire à l'avance les consommables nécessaires[3].

Taille et composition de l'équipage

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

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 par exemple).

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 3 à 6 (4 pour Zubrin, 6 pour le scénario de référence de la NASA) personnes. La limite supérieure est déterminée par le surcroit de masse que nécessite un équipier supplémentaire. Le nombre minimum découle de la gestion des risques (double redondance), 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 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[5],[6].

Paysage martien : les contreforts du mont Sharp photographié par la sonde martienne Curiosity.

Budget

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

En raison de la complexité d'une mission martienne habitée, les développements, tests et qualifications d'un grand nombre de systèmes coûteront plusieurs dizaines, voire centaines de milliards d'Euros. Une fois ces systèmes qualifiés, le coût du kilogramme amené sur Mars sera encore relativement élevé. Selon le scénario et les chiffres fournis par la NASA[7] 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 :

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 sept lanceurs Ares V et un lanceur 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 dollars. Selon ce tarif, le seul lancement de l'expédition martienne coûterait entre 10 et 20 milliards de dollars (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, la plupart des 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.

Les risques

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[8].

Éruptions solaires

Article détaillé : Éruption solaire.

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 (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.

Rayons cosmiques

Article détaillé : Rayon cosmique.

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[9].

Comparaison des doses reçues durant une mission habitée vers Mars et des doses reçues sur Terre et en orbite basse (données de Mars fournies par MSL/Curiosity).

L'instrument RAD installé à bord du rover Curiosity a mesuré en 2012/2013 le rayonnement cosmique subi durant le transit entre la Terre et Mars et lors du séjour sur Mars sur une période d'environ 300 jours. RAD a mesuré les deux sources de rayonnement ionisant : celui d'origine solaire qui fluctue en fonction d'un cycle de 11 ans avec des éruptions solaires qui peuvent être violentes et celui d’origine galactique beaucoup plus énergétique. La période durant laquelle les mesures ont été effectuées correspond au pic du cycle de 11 ans de l'activité solaire. Toutefois le pic de ce cycle (le cycle 24) est particulièrement peu accentué[10].

La surface de la planète est beaucoup moins bien protégée du rayonnement cosmique que celle de la Terre car Mars n'a pas de champ magnétique pour repousser les particules ionisantes. De plus, son atmosphère, beaucoup plus ténue, représente moins de 1% de celle de la Terre. Le rayonnement d'origine galactique est constitué de particules (ions, électrons) ayant une énergie comprise entre 10 mégaélectron-volt et plus de 10 gigaélectron-volt qui peuvent pénétrer de plusieurs mètres dans le sol martien tandis que les particules d'origine solaire dont l'énergie est inférieure à 150 MeV sont généralement bloquées par la surface. Sauf épisode solaire violent le rayonnement solaire perd même l'essentiel de son énergie en traversant l'atmosphère martienne qui représente une colonne de gaz de 20 g/cm². Les mesures effectuées indiquent à la surface de Mars une dose de rayonnement d'origine galactique de 210 ± 40 microgray par jour avec des variations découlant de la saison et du cycle jour/nuit. Dans l'espace, durant le transit entre la Terre et Mars, le rayonnement est beaucoup plus intense (480 ± 8 microgray) car le vaisseau n'est protégé ni par le sol de la planète, qui bloque plus de 50% des particules, ni par l'atmosphère. Le rayonnement d'origine solaire mesuré à la surface durant les pics d'activité représente environ 50 micrograys. D'après ces données, les astronautes d'une mission habitée vers Mars respectant le scénario de référence de la NASA (transit de 180 jours et séjour de 500 jours) subiraient une dose équivalente (pondérée en fonction de l'énergie des particules) totale d'environ 1,01 Sievert, dont 320 millisieverts durant leur séjour sur Mars et deux fois 331 millisieverts durant les voyages aller et retour. À titre de référence la dose annuelle moyenne de rayonnement naturel reçue à la surface de la Terre est de 2,5 millisieverts, celle reçue par un astronaute de la station spatiale internationale durant son séjour habituel de 6 mois est de 75 millisieverts[10].

Exposition à l'impesanteur

Article détaillé : Impesanteur.

Durant le trajet aller-retour Terre-Mars, la pesanteur est par défaut nulle dans le vaisseau transportant l'équipage. L'impesanteur sur des périodes prolongées provoque des décalcifications, qui rendent les os fragiles 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 immédiatement après leur retour sur Terre. Ce phénomène peut être éliminé en créant une gravité artificielle.

Pour créer celle-ci, la solution la plus simple consiste à embarquer une petite centrifugeuse à bras court (solution préconisée par l'ESA et le CNES) et à obliger les astronautes à une exploitation régulière.

Une autre solution consiste à mettre le vaisseau en rotation autour de son axe principal (les parois latérales deviennent alors le 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 (gradient de gravité), force de Coriolis rendant les déplacements difficiles[11]. 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[12].

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 l'absence de pesanteur sur de longues périodes 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.

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)

Le transit entre la Terre et Mars

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 ont été menées dans les années 1960-1970 autour du moteur NERVA, qui démontre la faisabilité, mais il existe cependant des inconvénients majeurs : la masse du moteur est pénalisante, les réservoirs d'hydrogène, très volumineux, complexifient une éventuelle aérocapture, il faut augmenter la protection contre les radiations et enfin il faut démarrer le réacteur nucléaire à plus haute altitude pour des raisons de sécurité. 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 envisageable qu'à très long terme.

Le vaisseau utilisé pour le transit de l'équipage entre la Terre et Mars

Vue d'artiste d'un habitat spatial utilisé pour le transit Terre Mars (NASA 2014)
Une des configurations envisagées pour le transit de l'équipage vers Mars : 5 modules sont utilisés: un module de propulsion, un module servant d'habitat, un tunnel/sas, un module de stockage et un vaisseau Orion utilisé pour la navette de l'équipage entre la Terre et l'orbite basse. Les modules amenés à la surface de Mars sont lancés dans le cadre d'autres vols.

Le vaisseau utilisé par l'équipage pour le transit entre la Terre et Mars (module MTH ou 'Mars Transit Habitat pour la NASA) 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. Deux architectures peuvent être envisagées :

Le premier scénario retenu par le projet Mars Direct permet d'économiser théoriquement sur la masse lancée en orbite et simplifier le transport des équipements à destination de Mars. Dans ce cas l'habitat utilisé pour le retour est lancé par la fusée qui décolle du sol martien. Ce scénario a toutefois plusieurs conséquences difficiles à gérer. Les équipements de l'habitat devront être conçus à la fois pour fonctionner en gravité nulle et martienne : cette contrainte complexifie la conception des systèmes de support de vie, des toilettes et et de tous les équipements ayant recours à des fluides. Par ailleurs la masse d'un habitat à usage mixte est nettement plus élevée que celle d'un habitat spécialisé. Elle pourrait dépasser ce qu'on est capable d'injecter vers Mars ou de faire atterrir sur le sol martien. Enfin l'équipage n'a pas les mêmes attentes vis-à-vis d'un habitat en gravité nulle et martienne : sur Mars le besoin porte sur la surface de plancher disponible alors que dans l'espace c'est le volume qui est privilégié. Une solution pourrait consister à monter les aménagements intérieurs sur des glissières qui permettraient leur déplacement pour faciliter leur accès une fois au sol et modifier la surface de plancher[13].

Le scénario de référence de la NASA préconise le recours à un habitat spécialisé assurant la navette Terre-Mars aller-retour. Pour une mission d'une durée de 1000 jours avec un équipage de 6 personnes ses principales caractéristiques seraient les suivantes[14] :

Différentes pistes sont étudiées pour réduire la masse : réduction du volume habitable de 25 à 23 m3 par personne, suppression des sorties extravéhiculaires (risqué sauf à disposer de robots très sophistiqués dont la technique reste à développer), externalisation du module de propulsion, réduction des consommables[15]...

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
Article détaillé : Aérocapture.

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 :

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).

L'insertion en orbite martienne peut se faire selon 3 options : aérocapture, aérofreinage ou freinage propulsif. C'est un paramètre structurant de la mission, car le choix retenu peut conduire à une réduction non négligeable de la quantité d'ergols à emporter, donc de la taille des vaisseaux et de la complexité d'un éventuel assemblage en orbite terrestre.

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[16]. 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[17].

De manière générale, l'aérocapture est l'option privilégiée à condition que le vaisseau arrivant ne soit pas de taille trop importante, de forme trop complexe ou de vitesse trop élevée.

L'atterrissage sur Mars

Article détaillé : Rentrée atmosphérique.
La descente sur le sol martien : 6 minutes de terreur
Trois architectures envisagées pour la descente sur le sol martien (source NASA 2014)

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 30 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 plusieurs centaines de fois supérieure à celle atteinte jusqu'à présent)[18].

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 a atterri sur Mars en 2012, fut 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)[19].

Des recherches sont menées à la NASA pour améliorer l'efficacité du freinage dans une atmosphère peu dense. Différentes techniques sont à l'étude[20] :

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[19].

Le séjour sur Mars

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 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 ~1/6e de g.

Les équipements

Pour son séjour sur Mars l'équipage utilise plusieurs types d'équipement : un habitat dans lequel il vit lorsqu'il n'effectue pas des sorties extravéhiculaires, des rovers pressurisés ou non pour lui permettre d'explorer une région plus vaste avec une meilleure productivité, une centrale électrique pour produire l'énergie et, de manière optionnelle, des instruments scientifiques (centrale météorologique, laboratoire), des équipements pour permettre l'utilisation des ressources in situ (production d'oxygène ou d'eau à partir de l'atmosphère), une foreuse pour ramener des carottes du sol, des rovers robotisés télécommandés....

Estimations de la masse et des types d'équipement amenés sur le sol martien (Scénario NASA 2014)[22]
Équipage de 6 personnes
Atterrisseur avec une capacité de 40 t.
Équipage de 4 personnes
Atterrisseur avec une capacité de 20 t.
Équipement Nombre Masse unitaire Nombre Masse unitaire
Consommables - 7 940 kg - 7 940 kg
Matériel scientifique - 1 200 kg - 1 200 kg
Rovers robotiques 2 200 kg 2 200 kg
Foreuse 1 250 kg 1 250 kg
Rover non pressurisé 1 200 kg 1 200 kg
Rovers pressurisés 2 7 500 kg 2 7 500 kg
Système transfert carburant - - 2 400 kg
Habitat 1 24 560 kg 1 19 870 kg
Centrale électrique 2 7 800 kg 2 7 800 kg
ISRU 1 1 230 kg 2 1 230 kg
Lanceur/capsule retour en orbite (à vide) 1 9 à 12 t. 1 9 à 12 t.
Ergols - 8 à 10 t. - 8 à 10 t.
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[23]. 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[24].

Les véhicules

L'utilisation de véhicules motorisés sur le sol martien se justifie pour plusieurs raisons. La recherche d'un site d'atterrissage favorable et donc plat risque d'imposer un lieu d'installation éloigné des sites intéressants sur le plan scientifique mais caractérisés le plus souvent par des reliefs ou des escarpements. D'autre part au cours d'un séjour de 18 mois, il est probable que tous les sites à portée de marche auront été explorés même si le nombre de sorties extravéhiculaires restera limité. Enfin un véhicule permet de réduire le temps passé à se rendre sur un site donc améliorer la productivité des travaux scientifiques et également de réduire les consommables utilisés en limitant l'effort physique imposé aux astronautes. Dans le cadre du programme Apollo il a été mesuré que l'utilisation du rover se traduisait par un gain significatif à partir d'une distance de 100 mètres[25].

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 spéciale. Le véhicule pressurisé permet d'accroître considérablement le rayon d'action et la durée des expéditions. Deux rovers du même type sont préconisés dans les scénarios de la NASA pour permettre à un véhicule d'être dépanné par le véhicule jumeau[26].

La quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner un rover est une contrainte importante pour les rovers pressurisés qui seraient motorisés avec des moteurs électriques fonctionnant sur batteries. Ainsi selon la NASA un rover de taille moyenne (7 x 4 m) pouvant emporter deux personnes pour des explorations d'une durée semaine en parcourant 100 km en toute autonomie (masse 7,5 tonnes) doit disposer de 2,5 tonnes de batteries et de 400 m2 de panneaux solaires (installés à l'arrêt) s'il roule à 3 km/h de moyenne. En abaissant la vitesse de déplacement à 0,5 km/h et en utilisant en complément des générateurs à radioistope la surface des panneaux solaires pourraient être abaissées à 40 m2 et la masse des batteries à 300 kg[27].

Exemple de rover pressurisé de taille moyenne pour 2 personnes permettant une excursion de 100 km (source NASA 2014)
La production d'énergie

Le système de production d'énergie joue un rôle central dans la mission martienne. Il permet de faire fonctionner les équipements de type ISRU qui produit le carburant utilisé par la fusée permettant aux astronautes de redécoller, réchauffer et faire fonctionner l'habitat, charger les différents équipements (foreuse, rover). La puissance électrique nécessaire est évaluée à 92 kW en pointe pour l'ISRU et à environ 15 kW pour les usages quotidiens lorsque l'équipage est au sol. Deux sources d'énergie sont envisagées : une petite centrale nucléaire ou le recours à des panneaux solaires[28].

Plusieurs facteurs ont une incidence significative sur le puissance électrique fournie par des panneaux solaires. L'ensoleillement de Mars du fait de l'éloignement de la planète par rapport au Soleil est deux fois plus faible que sur Terre. Le rayonnement solaire est par ailleurs filtré en permanence par la poussière présente dans l'atmosphère martienne qui se densifie durant les longues tempêtes. Cette poussière se dépose sur les panneaux solaires tout au long du séjour sur le sol martien réduisant leur efficacité. Enfin la latitude du site d'atterrissage a une influence importante sur le rendement des panneaux[28].

Les trois sources d'énergie envisagées par la NASA pour une mission sur le sol martien (source DRA 5.0)

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].

Trois stratégies d'exploration
La stratégie du "banlieusard" (NASA 2014)

La NASA a étudié trois stratégies d'exploration de Mars par une mission habitée qui se différencient à la fois par l'étendue de la zone explorée et l'importance des sorties extravéhiculaires réalisées par l'équipage[29] :

Dans la stratégie d'exploration de la "maison mobile", l'équipage n'a pas d'habitat fixe mais se déplace, vit et travaille à bord de deux gros rovers pressurisés.
Montage 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[30].

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

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[31].

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[32]. 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[33].

Véhicule pressurisé, habitat et vaisseau de retour (scénario NASA)
Le travail en laboratoire
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La vie dans l'habitat
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L'entretien et le dépannage des installations
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Préparatifs de retour
Le décollage de Mars (source NASA)
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Le retour sur Terre

Pour revenir sur Terre, l'équipage doit s'arracher à la pesanteur martienne puis être injecté sur une trajectoire de retour vers notre planète. Plusieurs scénarios sont possibles. Dans le scénario dit "direct", le vaisseau qui décolle de la surface Mars est également utilisé pour le retour vers la Terre. Cela impose d'une part un vaisseau équipé pour permettre le séjour de l'équipage durant les 6 mois du voyage de retour et capable d'effectuer une rentrée atmosphérique à grande vitesse dans l'atmosphère terrestre et d'autre part un lanceur suffisamment puissant pour propulser ce vaisseau en échappant à l'attraction de Mars. Ce scénario est celui de Mars Direct mais son manque de réalisme (la masse a lancer était trop importante) l'a généralement fait abandonner au profit du scénario Mars Semi-direct. Dans celui-ci qui est aussi celui préconisé par la NASA, le vaisseau lancé depuis la surface de Mars joue uniquement un rôle de taxi et vient s'amarrer au vaisseau placé en orbite autour de Mars et chargé de ramener l'équipage sur Terre. Dans le scénario de référence de la NASA il s'agit d'un vaisseau ayant effectué le trajet aller tandis que dans le scénario semi-direct il s'agit d'un vaisseau lancé uniquement pour assurer le retour de l'équipage. Le rendez-vous entre les deux vaisseaux constitue une des phases les plus risquées de la mission.

Dans les deux scénarios évoqués plus haut, la fusée qui décolle de Mars utilise des ergols en partie produits sur place grâce à à la petite usine chimique extrayant l'oxygène de l'atmosphère martienne depuis l'atterrissage de l'engin sur Mars soit pratiquement 4 ans. La NASA a étudié plusieurs architectures[34] :

Exemple de fusée à deux étages (2 réservoirs sont largables) utilisée par un équipage de 6 personnes pour quitter le sol martien (source NASA 2014)

Projets de mission vers Mars étudiés

Les missions habitées vers Mars ont fait l'objet d'un très grand nombre d'études. Un document de la NASA de 2001 recensait ainsi près de 1000 projets plus ou moins détaillés produits depuis 1950 au sein de l'agence spatiale américaine ou dans d'autres institutions[35].

Deux scénarios de mission habitée vers Mars ont été, à ce jour, particulièrement détaillés sur le plan technique : le scénario de la NASA Design reference mission dont la première version remonte à la fin des années 1990 a été régulièrement raffiné depuis. La version actuelle (5.0) est celui d'une mission lourde qui nécessite de placer en orbite terrestre basse entre 850 et 1 250 tonnes de charge utile grâce au lancement d'une dizaine de fusées SLS. Le scénario de l'association Mars Society regroupant des passionnés et créée par un professionnel du spatial Robert Zubrin préconise le scénario « Mars Direct » qui vise à réduire sensiblement les couts en limitant à deux ou trois (Mars Semi-Direct) le nombre de lancements nécessaires grâce notamment à l'utilisation de modules polyvalents, à la réduction de la taille de l'équipage et un calcul au plus juste des aménagements.

Comparaison des scénarios de la NASA (Mars DRM 5.0) et Mars Direct
Caractéristique Scénario NASA Scénario Mars Direct
Taille de l'équipage 6 4
Durée de la mission 900 jours dont 540 sur Mars (scénario de conjonction)
Nombre de lancements Une dizaine 2
Assemble en orbite terrestre basse Oui Non
Masse en orbite terrestre basse environ 1 000 tonnes environ 240 tonnes
Masse sur le sol martien environ 80 tonnes
Vaisseau utilisé pour le transfert d'équipage en orbite terrestre Orion HAB
Habitat utilisé pour le transit Terre Mars MTV HAB
Habitat utilisé sur le sol martien HAB HAB
Fusée utilisée pour la remontée MAV ERV
Habitat utilisé pour le transit Mars Terre MTV ERV
Vaisseau utilisé pour le retour d'équipage sur Terre Orion ERV
Type de propulsion Terre-Mars Nucléaire thermique(Etage NTR) Chimique
Gravité artificielle durant le transit Non Oui
Technique utilisée pour la mise en orbite autour de Mars Aérocapture/Propulsion Aérocapture
Production d'énergie sur Mars Réacteur nucléaire Réacteur nucléaire
Rover jusqu'à 5 rovers dont 2 robotisés et 2 pressurisés Un petit rover pressurisé
Technique utilisée pour la descente sur le sol de Mars A l'étude Non précisée
Recours aux ressources locales pour les ergols de la fusée lancée depuis Mars Oui Oui

En 2015 la NASA a publié un rapport sur la stratégie envisagée pour aboutir à une mission habitée sur le sol martien durant la décennie 2030. Ce document, peu précis sur les moyens techniques mis en œuvre pour les missions martiennes proprement dites, détaille les objectifs à remplir progressivement et les missions préalables qui incluent des vols circumlunaires, la capture d'un astéroïde et un atterrissage sur le satellite martien Phobos. Le lanceur lourd SLS et le vaisseau spatial interplanétaire Orion, en cours de développement en 2015, y jouent un rôle central.

En 2016, Elon Musk a présenté son projet de mission habitée vers Mars lors d'une conférence au Mexique[36].

La stratégie martienne de la NASA en 2015

Le lanceur lourd SLS dont le premier vol est prévu en 2018 joue un rôle central dans le programme martien de la NASA à l'étude en 2015 (vue d'artiste de la version la plus puissante).

Contexte : l'arrêt du programme Constellation et le choix du "Flexible path"

En 2010 l'arrêt pour des raisons budgétaire du programme Constellation, dont l'objectif était de ramener l'homme sur le sol lunaire, semble annoncer le repli du programme spatial habité américain sur l'orbite terrestre basse. Toutefois la même année, la NASA décide de poursuivre le développement d'un lanceur lourd SLS et du vaisseau spatial interplanétaire Orion. Ces engins spatiaux doivent être utilisés pour réaliser des missions interplanétaires d'une complexité croissante dans le but ultime de déposer des hommes sur Mars. La stratégie ainsi définie, baptisée "Flexible Path" est beaucoup plus progressive que ce qui a été envisagé dans les projets martiens antérieurs. Avant de poser l'homme sur Mars, il est prévu de mener des missions autour de la Lune, sur des astéroïdes proches puis sur la lune martienne Phobos pour mettre au point les matériels et gagner en expérience. Les premières missions de SLS et Orion à destination de l'espace cislunaire sont progressivement définies au cours des années suivantes. Toutefois la stratégie d'exploration du système martien reste vague.

Les missions intermédiaires : atterrissage d'un équipage à la surface d'un astéroïde et de Phobos

Deux types de mission destinées à préparer la mission martienne sont envisagées dans le cadre du Flexible Path[37] :

La NASA précise les étapes devant conduire à une mission martienne (octobre 2015)

En octobre 2015, la NASA publie un rapport intitulé "NASA's Journey to Mars, Pioneering Next Steps in Space Exploration" ("Mission vers Mars de la NASA, les prochaines étapes pionnières de l'exploration spatiale") qui définit les principaux objectifs et concepts de mission envisagés pour aboutir à l'envoi d'un équipage sur le sol martien. Le document met en avant une approche graduée qui intègre les missions déjà décidées et les choix d'architecture effectués autour du lanceur lourd SLS et du vaisseau spatial interplanétaire Orion. Il ne détaille pas les moyens mis en œuvre pour atteindre et séjourner à la surface de Mars et n'aborde pas la question du financement de ce programme martien. Trois phases sont identifiées[38] :

Pour parvenir à effectuer la mission martienne, la NASA a identifié dans son rapport une série de décisions à prendre en incluant celles déjà prises[38] :

Décisions clés dans la perspective d'une mission martienne (rapport de la NASA d'octobre 2015)
Échéance Décision prise / à prendre
Décisions prises Prolonger la vie opérationnelle de la Station spatiale internationale jusqu'en 2024
Développer des versions plus puis puissantes du lanceur SLS : étage "Exploration Upper Stage" puis propulseurs d'appoint plus puissants
Définir un scénario de base pour une mission de capture d'astéroïde
Choix du scénario de pré-déploiement des vaisseaux cargo et des infrastructures
Décisions à prendre dans les années à venir Développer une combinaison spatiale pour les sorties extravéhiculaires depuis le vaisseau spatial Orion
Définir la capacité de l'habitat utilisé dans l'espace interplanétaire
Sélectionner le système de propulsion utilisé pour les déplacements dans l'espace interplanétaire
Identifier les missions robotiques martiennes à lancer après Mars 2020 pour préparer une mission avec équipage sur le sol martien
Définir les missions futures qui peuvent être envisagées dans l'espace cislunaire
Décisions à prendre durant la prochaine décennie Définir les missions de la phase 3 (Phobos, Mars, ...)
Définir le rôle des technologies ISRU dans la logistique des missions martiennes
Concevoir les habitats déposés à la surface de Mars
Développer le système de production d'énergie utilisé à la surface de Mars

Esquisse d'un calendrier des missions

Le lanceur lourd SLS joue un rôle clé dans la réalisation du programme martien. Dans le cadre d'un rapport produit fin juillet 2015 (“Evolvable Mars Campaign: Status Update to SLS Evolvability TIM”) la NASA présente un calendrier des missions successives du lanceur qui donnent un aperçu de la manière dont l'agence spatiale prévoit de procéder pour parvenir à poser un équipage sur le sol martien. Trois versions du lanceur SLS, de puissance croissante, doivent être utilisées : bloc I (capacité : 70 tonnes en orbite terrestre basse), bloc IB (105 t.) et bloc II (130 t.).

Proposition de calendrier des missions du lanceur SLS (maj juillet 2015)[39]
Date Code mission Lanceur Charge utile Objectif Complément description mission (s)
2018 EM-1SLS bloc I Orion Premier vol d'essai du SLS
Orion testé au-delà de l'orbite basse
Mission à destination de l'espace cislunaire sans équipage
2020 ARRMSLS bloc I Orion , module SEP et système de capture astéroïde Premier test du SEP (module de propulsion électrique) Capture d'astéroïde sans équipage.
2021 EM-2SLS bloc IB Orion Premier vol version IB du SLS
Premier vol Orion avec équipage
Mission cislunaire avec équipage
2022 EM-3SLS bloc IB Orion et module habitat interplanétaire Premier test du module habitat interplanétaire Mission cislunaire avec équipage
2023 EM-4SLS bloc IB Orion et module habitat interplanétaire Mission cislunaire avec équipage
2024 EM-5SLS bloc IB Orion et module habitat interplanétaire Mission cislunaire avec équipage
2025 EM-6/ARM SLS bloc IB Orion, SEP et système de capture astéroïde Capture d'astéroïde avec équipage
2027-2028 EM-7 et 8SLS bloc II Orion et module habitat interplanétaire Mission cislunaire avec équipage
2028 xSLS bloc II Prototype de module de descente martien Validation des techniques d'arrivée sur le sol martien Atterrissage sur Mars d'un module lourd sans équipage
2028-2033 xSLS bloc II Divers Étude in situ de la lune martienne Phobos par un équipage
Mise au point de 7 des 16 composants majeurs nécessaires pour la mission sur Mars.
10 vols SLS (dont 2 avec équipages)
2034-2039 xSLS bloc II Divers Première mission d'un équipage sur le sol de Mars 12 vols SLS
2038-2043 xSLS bloc II Divers Deuxième mission d'un équipage sur le sol de Mars 10 vols SLS

Le scénario de référence de la NASA DRA 5.0 (2009-2015)

Entre 1988 (NASA Case studies) et 2009 la NASA a affiné un scénario de mission habitée vers Mars reposant sur le lancement successifs en orbtite basse terrestre des différents engins spatiaux assemblés en orbite basse terrestre puis dirigés vers Mars. La version 5 de ce scénario est régulièrement actualisée et un addendum a été produit en 2014.

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

Le scénario de référence V5 de 2009

La dernière version a été produite en février 2009 (Mars Design Reference Architecture 5.0 )[40]. 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 préconisations les plus structurantes de l'étude sont les suivantes :

Scénario préconisé par la NASA en 2009 ; recours à la propulsion nucléaire (variante sans aérocapture), 3 vols distincts dont 2 sont effectués 2 ans avant le lancement de l'équipage, vaisseaux assemblés en orbite basse terrestre[41]
Date
lancement
Charges utiles Composants utilisés
pour la propulsion
Masse totale en
orbite basse terrestre
Nombre
lancements
SLS distincts
t-28 mois
(3) Habitat(1) Étage de propulsion nucléaire
(2) Réservoir d'hydrogène fixe
246,2 t. 2,5
t-28 mois
(3) Étage de remontée
Centrale nucléaire
ISRU
(1) Étage de propulsion nucléaire
(2) Réservoir d'hydrogène fixe
246,2 t. 2,5
t
(4) Habitat utilisé pour le transit Terre-Mars
(5) Vaisseau Orion
(6) Système de télécommunication,
cryorefroidisseurs et panneaux solaires
(7) Port d'amarrage pour le vaisseau
décollant de Mars
(1) Étage de propulsion nucléaire
(2) Réservoir d'hydrogène fixe
(3) Réservoir d'hydrogène largable
356,4 t. 4
Déroulement de la mission de référence NASA de 2009

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

La version "austère" de la mission de référence
Schéma du véhicule de descente type dans le scénario "austère" : 1 Bouclier thermique, 2 Protection thermique du système de propulsion, 3 réservoir d'ergols, 4 jambes déployables du train d'atterrissage, 5 moteurs en position déployée, 6 moteurs en position de stockage, 7 bouclier thermique arrière et charge utile.

Le scénario de référence de la NASA repose sur un certain nombre d'innovations techniques dont la mise au point entraine des couts, des risques et des délais importants. Une variante faisant le choix d'une réutilisation beaucoup plus importante des technologies disponibles est proposée en 2009. Les principales caractéristiques de ce scénario sont les suivantes [45]:

Les versions antérieures du scénario de référence

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[46], 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[47].

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. Celui-ci a été actualisé en janvier 2009[48].

Le scénario de la Mars Society : Mars Direct

Vue d'artiste de Mars Direct.
Article détaillé : 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.

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

Le coût 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[49].

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[49],[50]. Les détails sont publiés dans son livre Das Marsprojekt (1952) traduit en anglais en 1962[51] et dans différentes autres publications[52] 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[50],[53]. 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[54]. Dans la version postérieure du projet, popularisée par la série de film « Man in Space » de Disney[55] 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[56]. 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)

Article détaillé : Mars Direct.
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[57],[58] 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[59], 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[60],[61]. 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)

Article principal : Vision for Space Exploration.

Le 14 janvier 2004 un projet d'exploration de la Lune par des missions habitées intitulé Vision for Space Exploration est publié à l'initiative du président américain George W. Bush. Cette proposition de programme spatial prévoit la mise en place d'un avant poste sur la Lune vers 2020. Des missions préalables durant la décennie 2010-2020 doivent permettre la mise au point des techniques nécessaires[62]. Le 24 septembre 2007, Michael Griffin, alors administrateur de la NASA, suggère que dans la continuité de ce projet une mission habitée vers Mars pourrait être lancée vers 2037[63]. La NASA envisage également à l'époque de lancer des missions vers Mars depuis la Lune[64]. Cette option est toutefois écartée car elle nécessite l'installation d'un véritable complexe industriel sur notre satellite qui serait difficile à exploiter et à maintenir. Le programme Constellation, qui doit concrétiser le retour de l'homme sur la Lune est lancé en 2004. Mais le projet souffre de problèmes de financement et d'un manque d'objectifs ambitieux. Dans un contexte de crise économique le président Obama met fin au programme Constellation renvoyant à une échéance très lointaine toute tentative de mission vers Mars[65].

Les programmes russes et européens contemporains

Le programme Aurora (début 2000) 
L'Agence spatiale européenne avait 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 aurait commencé par une exploration avec des robots, une simulation permettant de valider le capacité à faire vivre des hommes sur Mars puis une mission habitée. Une étude détaillée de l'agence spatiale européenne a été réalisée et publiée en 2004. Elle prévoyait d'envoyer 6 astronautes vers Mars, dont seulement 3 y atterrissaient. Le vaisseau interplanétaire proposé était gigantesque et constitué d'un grand nombre de modules de propulsion chimique. L'aérocapture n'était pas utilisée.
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[66]. 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[67],[68].

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[69].

Autres études de mission habitée vers Mars

Il existe un nombre considérable d'études publiées dans des revues et actes de congrès scientifiques. On peut les classer en fonction du type de propulsion proposé pour le voyage vers Mars : chimique, solaire électrique, nucléaire électrique, nucléaire thermique.

Mars semi-direct

Proposé initialement par Zubrin pour remédier à des critiques faites à propos de Mars Direct (vaisseau trop lourd au décollage de Mars, notamment), ce scénario a été repris dans les grandes lignes par la NASA dans sa première mission de référence de 1997, ainsi que par Jean-Marc Salotti, dans une version "revisitée" en 2016[70]. L'idée est, pour l'aller, d'envoyer le vaisseau habité se poser directement sur Mars sans rendez-vous en orbite martienne. Pour le retour, un petit vaisseau dédié remonte en orbite martienne et rejoint un plus gros vaisseau amené là uniquement pour entreprendre le retour. L'aller est direct et le retour indirect, d'où le terme semi-direct. Selon Jean-Marc Salotti, ce scénario en tout chimique avec 3 astronautes peut s'accommoder de l'aérocapture, ce qui permettrait de le mettre en oeuvre en 4 lancements lourds par une fusée SLS, au lieu de 9 dans le scénario NASA de 2014.

Préalables à l'exploration martienne

Pour qu'une mission martienne des recherches doivent être menées au préalable au niveau scientifique et technique.

Recueil de données sur l'environnement martien

L'envoi d'une mission spatiale habitée vers Mars nécessite qu'un certain nombre de données soient collectées sur les conditions régnant sur Mars pour que la mission se déroule dans des conditions de cout, risques et performance acceptables[71]. Les investigations doivent porter sur quatre types de mission :

  • Déterminer les conditions atmosphériques pouvant avoir un impact sur les phases d'aérocapture ou d'aérofreinage d'un vaisseau spatial dimensionné pour une mission avec équipage (priorité élevée).
  • Déterminer la densité et la taille des particules en orbite qui pourraient affecter la mise en orbite de vaisseaux cargo ou avec équipage (priorité moyenne).
  • Déterminer les caractéristiques de l'atmosphère de Mars qui pourraient affecter les phases de rentrée atmosphérique de descente et d'atterrissage, les équipements au sol, les astronautes, et le retour en orbite (priorité élevée)[72].
  • Déterminer si l'environnement de Mars avec lequel l'équipage peut se retrouver en contact présente un risque biologique raisonnable et évaluer le risque présenté par le retour sur Terre d'échantillons martiens (priorité élevée) [73].
  • Déterminer les régions de Mars présentant un intérêt scientifique important (régions spéciales selon la définition du COSPAR) (priorité élevée)[74].
  • Evaluer la résistance de systèmes de production de ressources (eau, air, carburant) in situ (ISRU) aux conditions rencontrées sur Mars en particulier à la poussière (priorité élevée)[75].
  • Déterminer les risques liés à l'atterrissage et à la mise en place des équipements au sol dus aux caractéristiques particulières du sol martien : éjection de matériau par le souffle des moteurs à l'atterrissage, résistance du sol, obstacles à l'atterrissage, risques d'enlisement (priorité moyenne) [76].
  • Déterminer les risques pour la santé ou les performances de l'équipage créés par le rayonnement ionisant et aux effets toxiques de la poussière martienne (priorité basse) [77].
  • Déterminer les caractéristiques géologiques, géophysiques et la composition des lunes de Mars de manière à pouvoir définir les objectifs scientifiques d'une mission à leur surface, planifier les opérations et identifier les ressources disponibles (priorité haute) [78].
  • Déterminer les conditions régnant à la surface des lunes de Mars et l'environnement basse autour de celles-ci pour concevoir le déroulement de leur mission : champ gravitationnel,régolithe, charges électrostatiques, plasma, ... (priorité haute) [79].
  • Déterminer les ressources en eau susceptibles d'être exploitées pour répondre aux besoins d'une mission de longue durée (priorité haute) [80].

Technologies

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Notes et références

Notes

  1. Cette technique n'a encore jamais été utilisée que ce soit sur une sonde spatiale ou un vaisseau habité
  2. Un test réussi a été effectué par la NASA sur une version de 3 mètres de diamètre déployée dans l'atmosphère terrestre à haute altitude et à grande vitesse le 17 août 2009 ("IRVE" II Inflatable Reentry Vehicle Experiment).
  3. Retour d'expérience des séjours prolongés dans les stations spatiales : les équipages de la station Mir ne retournaient en activité qu'un ou deux mois après leur retour sur Terre
  4. Durant les missions lunaires du programme Apollo, le rayon d'action du rover lunaire a été volontairement limité à une dizaine de km pour que son équipage ait la capacité à retourner à pied au module lunaire en cas de défaillance de son véhicule

Références

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  28. 1 2 Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0 Addendum #2, p. 275
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  32. NASA : Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0 p.26-27
  33. NASA : The Mars Surface Reference Mission p.18-29
  34. Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0 Addendum #2, p. 169-189
  35. Humans to Mars: Fifty Years of Mission Planning, 1950–2000, p. VII
  36. Voir Interplanetary Transport System
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  56. Wernher von Braun, “Manned Mars Landing Presentation to the Space Task Group,” presentation materials, August 1969 (referenced by Portree, 2001 op cit.
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  60. R. M. Zubrin, D. A. Baker and O. Gwynne, "Mars Direct: A Simple, Robust, and Cost Effective Architecture for the Space Exploration Initiative," paper AAS 90-168, in The Case for Mars IV: The International Exploration of Mars, Part I, MISSION STRATEGY & ARCHITECTURES, AAS Science and Technology Series Volume 89, Proceedings of The Case for Mars Conference, ed. Thomas R. Meyer, 1997 (ISBN 0-87703-418-4).
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  65. (en) « Obama signs Nasa up to new future », BBC News, (lire en ligne)
  66. Mars-500 crew report good health after experiment - RIAN
  67. Vol vers Mars: le projet d'un avenir plus éloigné (Roskosmos) - RIAN
  68. Espace: un vaisseau à propulsion nucléaire pour les vols vers Mars - RIAN
  69. Russia proposes manned Mars mission by 2015 - 08 July 2002 - New Scientist
  70. Jean-Marc Salotti, « Robust, affordable, semi-direct Mars mission », Acta Astronautica, vol. 127, octobre novembre 2016, p. 235-248
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  80. MEPAG 2015, p. 57-59

Bibliographie

Documents sur la stratégie martienne de 2015
La mission martienne de référence de la NASA 
version 5 de 2009
La mission martienne de référence de la NASA dernière version 
anciennes versions
Les autres études de la NASA (consultables en ligne) 
Objectifs scientifiques d'une mission martienne avec équipage
Ouvrages émanant de la mouvance de R Zubrin et de la Mars Society 
Autres études et ouvrages

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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