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Voyage en direction de Mars.

 

 Le récent lancement d’INSIGHT en direction de la planète Mars est l’occasion de compléter l’article « Objectif Mars en 2016 et 2018 », publié sur le site www.cieltropical.com en février 2017)

 

A-   FENETRE DE TIR ET VOYAGE HABITE SUR MARS

 

Le film « Seul sur Mars » projeté dans une salle de Madiana nous a préparés aux missions spatiales prévues en 2018 et 2020 vers la planète rouge

 Les missions martiennes  en cours tentent de répondre aux questions suivantes.

- Y-a-t-il eu de l’eau sur Mars qui aurait pu donner naissance à une forme de vie ?  

- Pourquoi et comment cette eau a disparu ?

-  Reste-t-il des vestiges d’une éventuelle vie primitive ?

 Les réponses permettraient de mieux comprendre l’émergence de la vie sur Terre.

 Dans une deuxième étape (les missions de la prochaine décennie), on préparera les vols habités vers la planète rouge en vue d’une éventuelle colonisation, qui ne peut pas être sérieusement envisagée pour l’instant.

Nous allons voir pourquoi les prochaines missions vers mars auront lieu en 2018 et 2020.

 

Comment envoie-t- on un vaisseau spatial vers Mars.  Quelles vitesse, trajectoire et fenêtre de tir?

1 - Vitesse.  Nous avons défini précédemment les vitesses de satellisation et de libération.que l'on nomme vitesses cosmiques.

La première vitesse cosmique (7,9 km/s ou 28.440 Km/h) définit la vitesse qu'il faut atteindre pour pouvoir se placer en orbite autour de la Terre. C’est la vitesse de satellisation.

La deuxième vitesse cosmique (11,2 km/s ou 40.320 km/h) représente la vitesse permettant de s'évader définitivement de l'influence gravitationnelle de la Terre. C’est la vitesse de libération.

Si la vitesse du vaisseau est entre 7,9 et 11,2 Km/s il  tournera autour de la Terre, mais en suivant une orbite non pas circulaire mais elliptique.

 Pour atteindre Mars la vitesse de lancement  depuis la Terre doit être supérieure à 11,2 km/s.

2 - Trajectoire :

 Pour effectuer un voyage en direction de Mars le plus économique possible, un vaisseau spatial doit suivre une trajectoire elliptique (une ellipse est un cercle plus ou moins aplati) dont l'une des extrémités touche la Terre et l'autre Mars.

 Si l'on considère en première approximation que les orbites martiennes et terrestres sont circulaires, l'orbite de transfert  est l’arc d’une ellipse tangente à l'orbite de la Terre au point de départ A_T et tangente à l'orbite de Mars à l'arrivée B_M.

(courbe jaune du schéma ci-dessous)

Philippe LABROT (www.nigral.net)

Cette trajectoire permet de transférer un objet entre deux planètes avec une dépense énergétique minimale. Elle a été découverte par un ingénieur allemand en 1925 (Walter Hohmann).

Voir le calcul en annexe 1 – Niveau lycée

3 - Fenêtre de tir

Une sonde lancée sur une orbite de transfert de Hohmann (ellipse ayant la Terre pour périhélie[1] et Mars en aphélie) mettrait 520 jours pour en faire le tour. Mais la sonde ne parcourt que  la moitié de cette orbite pour arriver à destination soit 260 jours ou environ 9 mois. Pendant ce laps de temps la planète Mars aura tourné d’un certain angle sur son orbite, que l'on peut facilement  calculer.

Voir calcul annexe 2 -  Niveau Lycée

4 - Périodes de tir

On rappelle que la  révolution synodique est la période de temps qui ramène une planète dans l'alignement  de la Terre et du Soleil, ou dans la même configuration, soit par exemple quand elles forment  un angle de 44° avec le Soleil. La durée de la révolution synodique de Mars , qui ramène la Terre et Mars dans la même configuration, est de 780 jours, soit environ 26 mois.

Voir calcul annexe 3 - Niveau lycée

 5 - En conclusion. Les instants favorables aux lancements d’un vaisseau spatial vers Mars sont dans une fourchette d'environ 3 mois avant une opposition[2] et ne se reproduisent que tous les 26 mois.

Les  prochaines oppositions de Mars auront lieu le 27 juillet  2018 (distance Terre-Mars 57,7 millions de Km) et le 13 octobre 2020 (Distance Terre-Mars 62,7 millions de Km).

Nota. La mission européenne Mars 2018, prévue en 2018 a été reportée pour cause de défaillance technique.

Par contre «  Insight », dont le lancement a été également reporté à plusieurs reprises  s’est finalement envolé le 5 mai 2018. Elle a été lancée par une fusée Atlas depuis la base de Vanderberg en Californie. Elle arrivera sur Mars le 26 novembre 2018 après un voyage de plus de 6 mois.

Pour mémoire : La dernière opposition « rapprochée » de Mars a eu lieu le 27 aout 2003. La distance Terre-Mars était de 55,758 millions de Km. Il faudra attendre le 27 août 2287 pour observer une opposition encore plus rapprochée. La Distance Terre-Mars sera de 55,688 millions de Km (source IMCEE). Nous ne serons plus là pour contempler la belle planète rouge.

B.       Les  vols habités vers Mars.

Les contraintes d’un vol habité vers Mars sont énormes du fait notamment de la durée du voyage. Nous avons vu que le trajet aller dure environ 9 mois, mais peut être ramené à 6 mois en choisissant les périodes de lancement les plus propices. Arrivés sur place nos cosmonautes ont le choix de séjourner 30 jours ou  520 jours (fenêtres de lancement pour le retour). Le voyage retour sera également de 6 à 9 mois.

Au total la mission durera au minimum 4 ans.  Soit un simple aller –retour ou flag and foot trip : on plante un drapeau  (lequel ?) et on fait quelques pas pour se dégourdir les jambes ;  ou plus probablement 1an 1/2 ou plus pour faire un maximum d’expériences et « rentabiliser scientifiquement» le voyage.

 

 

 

1 – Envoi de l’usine de production du carburant et du véhicule de retour

2 – Envoi du vaisseau « habitat » en orbite martienne.

3 – Envoi du vaisseau de transfert en orbite de transfert terrestre (100 Km).

4 – Départ de la capsule Orion avec l’équipage  (6 passagers).

5 – L’équipage embarque dans le véhicule de transfert. Départ pour Mars : 6 mois

6 -  Transfert de l’équipage dans le vaisseau « habitat » en orbite martienne.

Descente et atterrissage sur Mars.

Séjour: 1 an et 4 ou 5 mois.

7 -  Retour de l’équipage dans le véhicule de transfert.

8 -  Voyage retour : 6 mois

9 - En orbite terrestre la capsule Orion se détache du véhicule de transfert et atterrit avec l’équipage.

 

Cette durée, cet isolement, cette proximité entre cosmonautes  sont-ils supportables ? Quels en seront les effets psychologiques ?

 Quelques expériences

Deux astronautes étaient depuis le 27 mars 2015 à bord de la station spatiale ISS et  ne sont rentrés sur Terre qu'en mars 2016. Cette expérience devait permettre d'étudier les effets physiologiques et psychologiques d’un séjour prolongé dans l’espace en vue de préparer une mission habitée vers la planète Mars. Une des expériences les plus importantes a porté sur la répartition des fluides dans la partie supérieure du corps

 La société néerlandaise « Mars One » ayant pour objectif d’organiser le premier vol spatial habité vers la planète rouge, à l’horizon 2025, a reçu en sept 2015 la candidature de 200.000 volontaires pour un  d’un aller simple. Des tests départageront les heureux élus qui devront rester vivre sur le sol martien sans possibilité de revenir sur Terre.

 Les conditions de vie durant le voyage seront très spartiates :

- Nourriture déshydratée

- Eau limitée (pas de douche chaque matin mais recyclage de l’urine) 

- Évacuation des déchets

- Toute  une série de problèmes médicaux liés à l’apesanteur dont l’atrophie musculaire.

 … alors pourquoi pas l’hibernation ?

  Sur la planète on retrouve les mêmes difficultés auxquelles s’ajoutent

Les risques liés aux tempêtes solaires  car il n’y a pas sur Mars de magnétosphère protégeant des rayons cosmiques.

Les tempêtes martiennes qui peuvent durer des mois avec des vents pouvant dépasser les 300 km/h et soulevant des quantités importantes de sable pouvant monter jusqu'à 50 000 m.

 Autres contraintes :

Le vaisseau qui devra fonctionner sans réapprovisionnement (moteur plasma)

L’atterrissage sur le site que l’on ne maîtrise pas encore (freinage)

 Et aussi problème financier. Un voyage sur Mars coûterait entre 200 et 1500 milliards de dollars selon le type de mission.

 Bref, ce n’est pas encore demain que l’on fera du tourisme et  un voyage de noces sur la planète Rouge.

 

 

Annexe1 : Calcul du grand axe de l’ellipse de transfert :

La distance de la Terre au Soleil est de 1 U.A. La planète Mars est à 1,52 U.A[3]. du Soleil.

 La distance maximum séparant Mars et la Terre  est donc de 2,52 U.A  (1 U.A +1,52 U.A) soit 377 millions de km.

Le demi-grand axe de l’orbite de transfert est de 1,26 U.A

 

Annexe 2. Fenêtre de tir

En appliquant  la 3^ème loi de Kepler[4] : T² / a³ = constante, reliant la révolution sidérale « T » au demi grand-axe »a » de tout corps tournant autour du Soleil;  on peut déterminer le temps Tsat mis par le satellite pour parcourir l’orbite d’Homann, sachant que pour la Terre T = 1 année et a = 1 U.A et pour le satellite a=1,26 U.A

Soit Tsat²/1,26³ = 1 soit Tsat= 1,42 année soit environ 520 jours.

Mars fait le tour du Soleil en 687 jours (année martienne). Depuis sa position au moment du lancement, la planète aura donc parcouru un angle de 260/687 x 360°, soit 136° autour du soleil. On peut alors calculer la position relative de la Terre et de Mars au rapport au soleil pour que le lancement soit réussi et que le vaisseau arrive à destination : 180° - 136° = 44 °.

 Cléa -Cahiers Clairaut

Ainsi, les lancements ne sont possibles que lorsque la terre est située 44° en arrière de la planète Mars. Cette condition apparaît, 90 jours environ avant les oppositions. Voir le calcul plus bas.

On rappelle qu’une planète supérieure est en opposition lorsqu’elle est derrière la Terre par rapport au Soleil. Elle est alors à sa distance minimum de la Terre, son diamètre apparent est donc maximum et de plus elle est visible toute la nuit (se lève au coucher du Soleil et se couche à son lever). C’est donc la période la plus favorable à son observation.

 

 

Annexe3. Période de tir

La Terre fait un tour complet de son orbite en 365 jours (période Ts) et Mars en 686 jours (période Tm).

En un temps « t » la Terre à tourné sur son orbite d’un angle 360 x t/Ts et Mars de 360 x t/Tm.

L’écart est de (360 x t /Tm – 360 x t /Ts).  On retrouvera une même configuration des planètes quand cet écart sera de 360°

Soit  360 = (360t/Tm – 360t/Ts)  ou 1=t/Tm-t/Ts  ou 1= t(1/Tm-1/Ts) = t (Ts-Tm)/TmTs.

Finalement t = TmTs/(Tm-Ts)

Application numérique avec Ts = 365j; Tm= 686 j. et t=780 j (Durée de la révolution synodique de Mars).

 

 

Emile BIDOUX mai 2018

 

Ce document est inspiré des textes suivants :

Bibliographie :

Revue Ciel et Espace sept-oct. 2015.

 Revue l’Astronomie Nov.2015.

 Site internet du CNES.Site  Cléa.

 Les cahiers Cleraut.

 Futura Sciences.

 

L’exploration spatiale et ses techniques de B. MANUALI  aux éditions. Marabout Université. 1969.

Voyager dans l’espace de Yaël NAZE.

CNRS Editions. 2013

Les satellites artificiels par C-N MARTIN aux PUF. Que sais-je N°813

Fusées et Missiles par J PELLADINI aux PUF. Que sais-je N°765.

La conquête de l’espace.  Revue du Palais de la Découverte Juillet 1980.

L’Europe à la découverte de l’espace par B.Lacoste aux éditions France –empire. 1991