Un nouveau concept de système de transport modulaire pour aller sur Mars

Pierre-André Haldi, vice-président de la Mars Society Switzerland, spécialiste des systèmes énergétiques et des questions de sécurité/fiabilité et, avant sa retraite en 2011, professeur à l’EPFL, propose un nouveau moyen d’aller sur Mars en vols habités. Son projet s’inspire des travaux de Robert Zubrin et d’Elon Musk mais leur apporte des améliorations évidentes. Dans ce billet, je lui passe la parole :

Configuration du Système de Transport Interplanétaire (« STI ») proposé

La configuration de STI (équivalent de l’ITS d’Elon Musk) proposée (cf Fig.1) comporte, outre un lanceur multiusage réutilisable (LMR) de la classe de puissance des SLS de la NASA (1/3 de celle prévue par Elon Musk), deux éléments principaux : un vaisseau interplanétaire (VIP) assemblé en orbite terrestre, restant ensuite dans l’espace (pas d’atterrissages sur Mars ou sur la Terre), et 3 véhicules d’ascension / descente (VAD) effectuant les transferts sol-orbite et réciproquement, tous également réutilisables.

Le VIP se compose lui-même de 3 modules d’habitation spatiaux (MHS), réunis en étoile dans l’espace et mis en rotation pour créer une gravité artificielle, un module de production d’énergie (MPE), un module de propulsion pour le transfert Terre-Mars et retour (MPT), et un module de connexion central (MCC) qui relie entre eux ces différents éléments. Ceux-ci sont décrits plus en détail à la suite de la figure 1 (ci-dessous).

LMR : Ce “booster” est utilisé pour le lancement des différents modules du STI en vue de leur assemblage en orbite terrestre ; rappel : une fois assemblé dans l’espace, le VIP y reste et sert à de nombreux transferts Terre-Mars et retour, les VAD, plus le LMR au départ de la Terre, assurant les navettes sol-orbite et vice-versa. Le LMR devrait typiquement permettre de mettre de l’ordre de 150 tonnes en orbite basse. Pour des raisons de sécurité/fiabilité le nombre de moteurs du premier étage ne devrait pas dépasser 6 (SLS NASA : 4 moteurs + 2 propulseurs d’appoint).

VAD : Ces “navettes” permettent de transférer une trentaine de passagers avec leurs “bagages” entre sol et VIP en orbite (de la Terre ou de Mars). Le plein d’ergols des VADs est effectué au sol, sur Terre et sur Mars respectivement.

MPT : Ce système de propulsion (dans les premières versions, chimique – méthane / oxygène) doit permettre au STI de s’élancer vers Mars depuis l’orbite terrestre, de se mettre en orbite autour de la planète rouge, et réciproquement au retour, de quitter l’orbite martienne pour retourner vers la Terre et s’y mettre en orbite.

Idéalement, le principe serait de prévoir un “échange standard” des réservoirs aussi bien en orbite terrestre qu’en orbite martienne (dans ce dernier cas, en utilisant un VAD adapté envoyé précédemment sur la planète rouge; on suppose ici qu’un minimum d’infrastructures existe déjà sur Mars), afin d’éviter tout transvasement de fluides cryogéniques en apesanteur (problèmes d’homogénéité des fluides).

MHS : Chacun des 3 modules est prévu pour 30 occupants, répartis sur 3 ponts d’habitation comportant chacun 5 cabines pour 2 personnes. L’espace offert par cabine est de 9,5 m2 environ ; à titre de comparaison, la surface d’une cabine pour 2 passagers sur un paquebot de croisière de bon standing est de 12 m2, avec un lit double et non des couchettes rabattables. Le volume utile total est par ailleurs comparable à celui offert par l’ITS de Space X. Les volumes à disposition “au-dessus” et “au-dessous” des quartiers d’habitation sont destinés aux équipements techniques et de support-vie, matériel de maintenance et réparation, sas (connexions au VAD et MCC respectivement), etc. A noter que les réserves d’eau et de nourriture seront plutôt placées contre les parois pour atténuer le flux de radiations solaires et cosmiques. La Fig. 2 présente schématiquement à quoi pourrait ressembler un pont d’habitation. L’idée serait de renforcer par ailleurs les parois du pont central, qui servirait ainsi d’abri aux 30 occupants le temps de laisser passer une tempête solaire, voire même de dortoir général, par rotation de 10 personnes à la fois, pour réduire l’irradiation globale reçue par chaque passager en “vol de croisière”.

MPE : La source d’énergie à utiliser pendant le voyage qui paraît la plus appropriée dans un tel contexte est sans conteste la fission nucléaire. Des solutions existent, par exemple le “Heatpipe Power System” (HPS), un réacteur rapide compact produisant 100kWe sur une durée pouvant atteindre 10 ans et destiné aussi bien à l’alimentation de vaisseaux spatiaux que de bases planétaires, voire de véhicules de surface. Ce type de réacteur a été développé aux Etats-Unis par le Los Alamos National Laboratory depuis 1994 comme un système robuste et à faible risque technologique, en mettant l’accent sur une fiabilité et une sécurité de haut niveau. A terme, l’énergie nucléaire pourrait aussi être envisagée pour la propulsion entre les orbites planétaires (MPT).

MCC : Outre la connexion entre les différents éléments du STI, voir fig. 3, le MCC sert aussi de “salle de transit” entre les 3 MHS en “configuration orbitale”, c’est-à-dire avec les MHS rapprochés et directement connectés par sas au MCC.

Conclusion :

Après cette présentation de Pierre-André Haldi, je (Pierre Brisson) reprends la parole pour attirer votre attention sur le fait que sa proposition répond à la plupart des points faibles des projets d’Elon Musk et/ou de Robert Zubrin. Elle évite le danger pour les passagers d’un décollage de la Terre à bord d’un seul vaisseau très lourd qui, de ce fait (grand nombre de moteurs nécessaire : 49 versus 6), est exposé à des défaillances dont les conséquences seraient gravissimes ; on profite entre l’orbite de la Terre et l’orbite de Mars, de l’énergie nucléaire plus compacte, plus efficace et plus durable que l’énergie chimique ; on utilise un système de gravité artificiel par mats rigides (au lieu de câbles souples, qui posent problème) et télescopiques (pour pouvoir rapprocher les habitats en cas de contact nécessaire); on évite la descente en surface planétaire de charges trop lourdes, qui consommeraient d’énormes quantités d’énergie. La seule difficulté pourrait être l’assemblage en orbite terrestre du VIP mais on peut sans doute prévoir un simple docking des pièces du « puzzle ».

Vos commentaires et questions sont bien entendu les bienvenus.

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

5 réponses à “Un nouveau concept de système de transport modulaire pour aller sur Mars

  1. Très beau concept qui pourrait sûrement intéresser SpaceX et ses clients! Cette configuration rendrait le trajet bien plus agréable lorsqu’il faudra acheminer du monde en masse et régulièrement vers la planète Rouge. L’espace accru par passager rendrait la cohabitation en Milieu clos plus supportable, tandis que la gravité artificielle permettrait d’améliorer grandement l’hygiène à bord.

    Cependant, ne faudrait-il pas orienter les VAD de façon à ce qu’ils pointent vers le centre du vaisseau? Ainsi ils resteraient accessibles même lorsque l’ensemble est en rotation, ce qui peut fournir un gain précieux d’espace habitable.

  2. Merci Léo pour votre commentaire très positif. Je ne suis pas sûr d’avoir bien compris la modification que vous proposez, mais je préciserais que l’accès aux VAD même pendant la rotation est possible en tout temps (il y a un sas prévu pour ça “en haut” des MHS. Si on veut passer d’un MHS (et son VAD associé) à un autre en vol, on peut toujours arrêter momentanément la rotation et ramener les MHS au contact du MCC qui permettra ce transfert. J’ai écarté la solution des “manchons” parce qu’elle ajoute de la masse et prend du volume (même replié) et parce que je la considère peu pratique. Pour des raisons de sécurité, il faudrait que les astronautes revêtent de toute façon des scaphandres pour un tel transfert. Ma solution me paraît plus simple, plus sûre et plus agréable car alors on passe d’un élément à l’autre en “bras de chemise” (rappel: on a affaire dans ce contexte plus à des “passagers” qu’à des astronautes professionnels).

  3. A Léo (je complète la réponse de Pierre-André Haldi): je ne pense pas que l’aménagement que vous proposez puisse être utile car la gravité devient plus grande au fur et à mesure que l’on s’éloigne de l’axe du vaisseau (la vitesse augmente). Si les VAD étaient pointés vers l’axe, la partie disposant d’une gravité minimum serait très limitée (la gravité est nulle à l’axe) puisque ces véhicules sont plus longs que larges. Il est donc préférable que ces VAD soient situés le long de la base du triangle qu’ils forment avec l’axe.

  4. La proposition de Pierre-André Haldi pour passer dun VAD à l’autre suppose une consommation d’énergie importante si elle est répétée souvent au cours des six mois de voyage (il faudrait arrêter la rotation avant de replier les mats télescopiques car autrement le principe de la conservation du moment cinétique en accélérerait considérablement la vitesse). Je pense personnellement qu’un système de manchon dans un matériau très léger serait à étudier.

    1. Je n’imagine pas que la manoeuvre soit répétée souvent. En fait, elle ne devrait même jamais avoir lieu en principe, sauf en cas de gros problème sur un des MHS/VAD qui obligerait, comme “plan B” (ce qui manque dans le concept de Space X), les passagers à se répartir dans les deux autres MHS/VAD; on exclura les “visites de courtoisie”! Chacun des couples d’éléments MHS/VAD est autonome, mis à part le système de propulsion pour se mettre en orbite de transfert et le module de production d’énergie qui sont communs. C’est un peu comme si on avait réparti les passagers de Space X dans trois vaisseaux au lieu d’un seul pour ce qui est des volumes occupés, mais avec (entre autres) l’avantage de la création d’une gravité artificielle. Je répète encore une fois que passer d’un module à l’autre dans un manchon souple et léger impliquerait certainement par sécurité que les passagers revêtent un scaphandre pour cela (et ce ne seront pas des gens aguerris à cela, … sans compter le nombre de scaphandres qu’il faudrait prévoir!). Par ailleurs, quand je réfléchissais à cette option, je me suis heurté à un problème pratique si le manchon entoure le mat télescopique comme le proposait Pierre; comment alors concevoir le sas (ou alors, il faudrait un manchon de très gros diamètre qui laisse suffisamment de place pour situer l’ouverture du sas à côté du mat)? Il faudrait alors plutôt imaginer un manchon parallèle au mat. Mais de toute manière, cette option me paraît compliquer les choses, poser d’éventuels problèmes de sécurité et, en tout cas, des problèmes pratiques. Dans ce domaine, plus les solutions sont simples. meilleures elles sont.

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