Dans les décennies à venir, un certain nombre de missions sont prévues pour Mars, qui incluent des propositions pour y envoyer des astronautes pour la première fois. Cela présente de nombreux défis logistiques et techniques, allant de la simple distance au besoin d'une protection accrue contre les radiations. Dans le même temps, il y a aussi la difficulté d'atterrir sur la planète rouge, ou ce qu'on appelle le «Mars Curse».
Pour compliquer davantage les choses, la taille et la masse des futures missions (en particulier les engins spatiaux avec équipage) dépasseront la capacité de la technologie actuelle d'entrée, de descente et d'atterrissage (EDL). Pour résoudre ce problème, une équipe de scientifiques de l'aérospatiale a publié une étude qui montre comment un compromis entre la poussée de freinage à basse altitude et l'angle de la trajectoire de vol pourrait permettre à des missions lourdes d'atterrir en toute sécurité sur Mars.
L'étude, récemment publiée dans le Journal des engins spatiaux et des fusées, a été rédigé par Christopher G. Lorenz et Zachary R. Putnam - un chercheur de The Aerospace Corporation et professeur adjoint de génie aérospatial à l'Université de l'Illinois, respectivement. Ensemble, ils ont étudié différentes stratégies d'atterrissage pour voir laquelle pourrait surmonter la «malédiction de Mars».
En termes simples, l'atterrissage sur Mars est une entreprise difficile, et seulement 53% des vaisseaux spatiaux envoyés depuis les années 1960 sont arrivés intacts à la surface. À ce jour, le véhicule le plus lourd pour atterrir avec succès sur Mars était le Curiosité rover, qui pesait 1 tonne métrique (2 200 lb). À l'avenir, la NASA et d'autres agences spatiales prévoient d'envoyer des charges utiles avec des masses allant de 5 à 20 tonnes, ce qui est au-delà des stratégies EDL conventionnelles.
Dans la plupart des cas, il s'agit d'un véhicule entrant dans l'atmosphère martienne à des vitesses hypersoniques allant jusqu'à Mach 30, puis ralentissant rapidement en raison du frottement de l'air. Une fois qu'ils ont atteint Mach 3, ils déploient un parachute et tirent leurs rétrorockets pour ralentir davantage. Le problème des missions plus lourdes, selon Putnam, est que les systèmes de parachutisme ne s'adaptent pas bien avec l'augmentation de la masse des véhicules.
Malheureusement, les moteurs rétrorocket brûlent beaucoup de propulseur, ce qui augmente la masse globale du véhicule - ce qui signifie que des lanceurs plus lourds sont nécessaires et que les missions finissent par coûter plus cher. De plus, plus un vaisseau spatial a besoin de propulseur, moins il peut épargner de charge utile, de fret et d'équipage. Comme le professeur Putman l'a expliqué dans un communiqué de presse de l'Illinois Aerospace:
«La nouvelle idée est d'éliminer le parachute et d'utiliser des moteurs-fusées plus gros pour la descente… Lorsqu'un véhicule vole hypersoniquement, avant que les moteurs-fusées ne soient tirés, une portance est générée et nous pouvons utiliser cette portance pour la direction. Si nous déplaçons le centre de gravité de sorte qu'il ne soit pas uniformément emballé, mais plus lourd d'un côté, il volera sous un angle différent. "
Pour commencer, Lorenz et Putnam ont étudié la différence de pression qui se produit autour d’un véhicule lorsqu’il frappe l’atmosphère de Mars. Fondamentalement, l'écoulement autour du véhicule est différent en haut qu'en bas du véhicule, ce qui crée une portance dans une direction. Cette durée de vie peut être utilisée pour diriger le véhicule alors qu'il décélère dans l'atmosphère.
Comme Putnam l'a expliqué, l'engin pourrait soit utiliser ses rétrorockets à ce stade pour atterrir avec précision, soit il pourrait conserver son propulseur pour atterrir la plus grande masse possible - ou un équilibre entre les deux pourrait être atteint. En fin de compte, il s'agit de savoir à quelle altitude vous tirez les roquettes. Comme le dit Putnam:
«La question est, si nous savons que nous allons allumer les moteurs de descente à, disons, Mach 3, comment devrions-nous diriger le véhicule de manière aérodynamique dans le régime hypersonique afin d'utiliser la quantité minimale de propulseur et de maximiser la masse de la charge utile que nous pouvons atterrir? Pour maximiser la quantité de masse que nous pouvons [atterrir] à la surface, l'altitude à laquelle vous allumez vos moteurs de descente est importante, mais aussi l'angle que votre vecteur de vitesse fait avec l'horizon - à quel point vous arrivez. "
C'est là que réside un autre aspect important de l'étude, où Lorenz et Putnam ont évalué comment utiliser au mieux le vecteur de portance. Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'il était préférable d'entrer dans l'atmosphère de Mars avec le vecteur de portance pointé vers le bas pour que le véhicule plonge, puis (en fonction du temps et de la vitesse) de changer de portance et de voler à basse altitude.
«Cela permet au véhicule de passer plus de temps à voler à basse altitude là où la densité atmosphérique est plus élevée», a déclaré Putnam. "Cela augmente la traînée, réduisant la quantité d'énergie qui doit être éliminée par les moteurs de descente."
Les conclusions de cette étude pourraient éclairer les futures missions sur Mars, en particulier en ce qui concerne les engins spatiaux lourds transportant des cargaisons et des équipages. Bien que cette stratégie EDL rendrait l'atterrissage plus éprouvant pour les nerfs, les chances que les équipages atterrissent en toute sécurité et ne succombent pas à la «Great Galactic Ghoul».
Au-delà de Mars, cette étude pourrait avoir des implications pour l'atterrissage sur d'autres corps solaires qui ont des atmosphères minces. En fin de compte, la stratégie de Lorenz et Putnam d'une entrée hypersonique et d'une poussée de freinage à basse altitude pourrait aider aux missions en équipage sur toutes sortes de corps célestes.
