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Voyager vers la Lune ou vers Mars : pourquoi est-ce si différent ?

Dans la foulée des deux articles précédents (1.3.2 Voyage spatial : comment la fusion nucléaire va transformer l’espace et 1.3.3 Le budget delta-V d’un voyage spatial), nous allons poursuivre notre exploration des concepts fondamentaux nécessaires à une meilleure compréhension de l’architecture des voyages spatiaux.

Même s’il faut prendre garde à ne pas se noyer dans une infinité de détails techniques, cela ne signifie pas pour autant que l’on doive s’en tenir à des généralités stériles. C’est pourquoi nous allons tenter ici encore de dégager certaines notions certes générales mais qui se révéleront néanmoins d’une grande importance.

Pour commencer, il est clair que le fait de se contenter d’affirmer que Mars est beaucoup plus loin que la Lune est un exemple parfait de généralité stérile. Même si cela reste effectivement vrai, il faut comparer les deux distances non pas de manière absolue (à vol d’oiseau, la distance moyenne entre l’orbite de la Terre et l’orbite de Mars représente en effet 200 cent fois celle de la distance moyenne entre la Terre et la Lune) mais dans leur réalité sensible, le long des deux trajets que devront réellement parcourir nos voyageurs.

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Figure 1. L’unité de base du voyage spatial : l’orbite de transfert de Hohmann
Walter Hohmann a découvert en 1924 que pour passer d’une orbite inférieure à une orbite supérieure autour d’un corps céleste, il faut d’abord une première impulsion au point A pour « embarquer » sur une orbite de transfert (la trajectoire elliptique), puis une seconde impulsion au point B pour se placer sur l’orbite finale.

Dans le premier article sur le voyage spatial, nous avons abordé le concept d’orbite de transfert de Hohmann, qui est la trajectoire de forme elliptique qui doit être empruntée pour passer d’une orbite inférieure à une orbite supérieure autour d’un astre principal. C’est notamment le cas pour un transfert entre l’orbite de la Terre et l’orbite de Mars autour du Soleil (voir figure 1).

Avec notre niveau actuel de maîtrise des sources d’énergie nécessaires pour la propulsion dans l’espace, le voyage entre les deux planètes ne peut se faire, en raison d’une densité de flux d’énergie beaucoup trop faible, que sous la forme d’un transfert le long de cette trajectoire elliptique qu’est l’orbite de Hohmann, également appelée trajectoire d’énergie minimale, car elle ne requiert qu’un court moment d’accélération au début du voyage et un autre effort plus léger à destination pour s’arrimer à l’orbite martienne. Entre ces deux moment, aucun effort de propulsion n’est requis. De plus, ce voyage ne peut être entrepris qu’à un moment très précis de la conjoncture entre les deux planètes.

Ainsi, le voyage à partir d’une orbite basse autour de la Terre à une orbite similaire autour de Mars dure environ 260 jours, et la distance réelle parcourue est d’environ 570 millions de km, si on prend pour référence l’exemple récent de Curiosity [1]. Et il n’est pas possible de faire le voyage en dehors des conjonctures favorables, ce qui signifie que l’on ne dispose d’une fenêtre de tir de quelques jours qu’une fois tous les 26 mois.

Pour le voyage entre la Terre et la Lune, la situation est très différente car les possibilités sont beaucoup plus nombreuses. Puisque la Terre tourne sur elle-même toutes les 24 heures, il est possible de partir une fois par jour depuis un point donné sur la surface terrestre, et encore plus souvent à partir d’une base située en orbite basse autour de la Terre, car on y fait le tour 16 fois en 24 heures !

Dans le cas d’Apollo 11, le voyage de l’orbite terrestre jusqu’à l’orbite d’insertion autour de la Lune a duré environ 74 heures, soit un peu plus de 3 jours. La distance parcourue est estimée à environ 700 000 km.

Nous devons introduire ici une autre notion importante : la différence entre un voyage non habité et un voyage habité. Dans le premier cas il ne faut prendre en compte que le poids du vaisseau, sa charge et son carburant, tandis que dans le deuxième il faut ajouter le poids des passagers et des vivres nécessaires à la durée totale du voyage, en incluant, dans un premier temps, le séjour sur place. La quantité de vivres dépendra du nombre de passagers, mais encore plus de la durée du voyage.

Rappelons tout d’abord que nous avions introduit dans les articles précédents le concept de delta-V, qui mesure le changement de vitesse d’un engin spatial, exprimé en distance parcourue par unité de temps (mètres ou kilomètres par seconde). Ces changements sont le plus souvent des coups d’accélérateur permettant de passer d’une orbite stable à une orbite de transfert de Hohmann, à destination d’une autre orbite stable.

Si le nombre total de « coups d’accélérateurs » nécessaires pour faire le voyage de la Terre à la Lune ne diffère pas beaucoup de celui qu’il faut pour se rendre de la Terre jusqu’à Mars (le premier est de 3,9 km/s et le second 5,67 km/s, ce qui fait respectivement 7,8 km/s et 11,34 km/s en aller-retour, ou un rapport de 1,45 entre les deux), la différence entre les distances réelles parcourues est cependant beaucoup plus grande. La distance Terre-Mars fait 814,29 fois la distance Terre-Lune ! (Voir tableau.)

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La distance dans l’espace n’a cependant pas autant d’impact sur la préparation du voyage que la durée dans le temps. Pourquoi ?

Pour répondre à cette question, commençons par le cas d’un vaisseau cargo. Même s’il parcoure 814 fois plus de kilomètres pour l’aller-retour Terre-Mars que pour l’aller-retour Terre-Lune, l’effort dépensé ne sera pas beaucoup plus grand puisque le rapport entre les deux budgets delta-V n’est que de 1,45.

La situation est entièrement différente dans le cas d’un voyage habité. Dans ce cas-ci la force requise (le produit de la masse par l’accélération totale) et par conséquent l’énergie dépensée, sera beaucoup plus importante pour un aller-retour Terre-Mars puisque la durée totale du voyage, 560 jours y compris les 40 jours passés sur place, sera beaucoup plus longue qu’un aller-retour Terre-Lune de 9 jours. La raison est que la masse totale du vaisseau habité sera bien supérieure à celle d’un vaisseau-cargo à cause des vivres et des moyens nécessaires à l’entretien des membres d’équipage. Et la différence sera encore plus grande si nous désirons rester sur place plus de 40 jours, car il faudra dans ce cas attendre 480 jours la prochaine conjoncture favorable à un départ vers la Terre, ce qui fait un voyage de 1000 jours au total (260+480+260).

Ainsi, ce qui compte, surtout pour les vols habités, n’est donc pas tant la distance dans l’espace que la durée dans le temps.

Selon le rapport entre la masse des vivres et des équipements nécessaires à la vie et la masse totale du vaisseau, il faudra rajuster la quantité de carburant en conséquence, en prenant également en compte la masse du carburant lui-même.

Il faudra également prendre en compte d’autres notions, comme l’impact des rayons cosmiques sur la santé des voyageurs, et ajouter les mesures de protection qui s’imposent. Il en va de même pour ce qui concerne l’effet d’un champ magnétique trop faible sur le corps humain. Il faudra se souvenir que tous ces équipements nécessaires à la protection des voyageurs ont un coût en terme de masse et donc d’énergie dépensée.

Il faudra peut-être conclure à la nécessité de faire le voyage plus rapidement, avec des modes de propulsion entièrement différents et impliquant des sources d’énergie beaucoup plus denses, un sujet qui sera traité ultérieurement.