Missions habitées vers Mars, les petits atterrisseurs tiennent la cote !

Bonjour,

En 2009 est parue une étude concernant le dimensionnement des systèmes de descente à la surface de Mars pour les missions habitées.
http://www.ssdl.gatech.edu/papers/conferencePapers/AIAA-2009-6684.pdf
On y lit en particulier que le meilleur rapport entre la masse de la charge utile et la masse totale à l'entrée dans l'atmosphère est de 50%. Il est obtenu pour une charge utile de 20 tonnes (donc total de 40 tonnes en entrée) et un système basé sur des IAD (structure gonflable). Pour une charge utile de 40 tonnes, il est indiqué que le rapport tombe à moins de 40% et qu'il y a un véritable challenge technologique, car il faudrait des IADs monstrueux.

Or, dans le scénario de référence de la NASA, le charge utile est de 40 tonnes !

On en déduit logiquement qu'il serait préférable de faire atterrir 2 vaisseaux de 3 astronautes pour un total de 2x40 = 80 tonnes au lieu d'un seul gros atterrisseur de ... 100 tonnes avec de surcroit de gros challenges techno à résoudre !

Ces données seront probablement prises en compte dans le prochain rapport de la NASA pour la mission de référence. Du moins espérons-le !
Voici ci-dessous une synthèse des résultats :



Ces données me confortent bien entendu dans mes propositions d'architecture de mission avec équipage réduit, qui permettent une simplification et une réduction de la masse totale à envoyer vers Mars bien plus importante que ne le suggère le scénario NASA.
En fait, l'impact le plus important est probablement sur les coûts, car on éviterait de multiplier les missions martiennes de qualification à échelle 1 (avec donc assemblage en LEO si c'est trop gros) uniquement pour tester et valider les systèmes de descente ...

A bientôt,
Argyre

Henri a écrit:

Maintenant j'ai le vague souvenir de rentrées atmosphériques qui se faisaient par rebonds successifs sur les hautes couches de l'atmosphère, quid de cette astuce ?

Comme pour le  Bombardier antipodal  imaginé par Eugen Sänger et d' Irene Bredt ?
 
Les ricochets sur l'eau sont favorisés par le fort gradient de densité entre l'air et l'eau, mais dans l'atmosphère terrestre s'est déjà moins facile car la variations de densité (plus exactement de masse volumique) est continue et plus faible ... et dans l'atmosphère martienne , encore plus faible : la pression atmosphérique  diminue moins rapidement sur Mars que sur la Terre en fonction de l’altitude , certes en partant d'une pression plus faible.

Sinon une aérocapture peut être considéré comme un seul rebond avant la rentrée atmosphérique finale.

J'ai trouvé cette page assez intéressante sur les différents types de trajectoires de rentrée concernant la Terre,
http://www.aerospaceweb.org/question/spacecraft/q0218.shtml
mais pour Mars, difficile d'adapter l'info...

Henri a écrit:J'ai trouvé cette page assez intéressante sur les différents types de trajectoires de rentrée concernant la Terre,
http://www.aerospaceweb.org/question/spacecraft/q0218.shtml
mais pour Mars, difficile d'adapter l'info...

Non  ... cette page est très intéressante !  :)

En tout cas, c'est bien expliqué et donc pédagogique  ;) 

J'ai relevé en particulier ceci qui montre bien que l'on peut considérer l'aérocapture comme un seul bond d'une trajectoire à rebond ("skip trajectory ") avec satellisation.

A related technique known as aerocapture has been applied to unmanned craft, though the method is typically used to slow a vehicle and enter orbit around a planet rather than as a means of re-entry.

Mais pour que cette satellisation se fasse, il faut fournir un petit delta V , sinon l'engin replongera inévitablement directement  dans les couches atmosphériques et la trajectoire risque d'être incontrôlable.
Si on évite cela - d'après ce que nous dit Argyre - c'est pour pouvoir larguer le premier bouclier et pouvoir mettre en action la propulsion nécessaire à la satellisation.  Je suppose que cela permet ensuite de bien contrôler l'entrée définitive dans les couches denses de l'atmosphère avec le second bouclier et choisir avec précision le point d’atterrissage en apportant toutes les corrections fines nécessaires.

Giwa a écrit:
J'ai relevé en particulier ceci qui montre bien que l'on peut considérer l'aérocapture comme un seul bond d'une trajectoire à rebond ("skip trajectory ") avec satellisation.

A related technique known as aerocapture has been applied to unmanned craft, though the method is typically used to slow a vehicle and enter orbit around a planet rather than as a means of re-entry.

Mais pour que cette satellisation se fasse, il faut fournir un petit delta V , sinon l'engin replongera inévitablement directement  dans les couches atmosphériques et la trajectoire risque d'être incontrôlable.
Si on évite cela - d'après ce que nous dit Argyre - c'est pour pouvoir larguer le premier bouclier et pouvoir mettre en action la propulsion nécessaire à la satellisation.  Je suppose que cela permet ensuite de bien contrôler l'entrée définitive dans les couches denses de l'atmosphère avec le second bouclier et choisir avec précision le point d’atterrissage en apportant toutes les corrections fines nécessaires.

Je ne suis pas sûr qu'un "rebond" soit le terme le plus approprié. S'il n'y a pas d'atmosphère, l'engin est sur une trajectoire hyperbolique, ce qui peut déjà s'apparenter à un rebond (gravitationnel). Avec une atmosphère, la trajectoire est presque la même, ce qui change, c'est la vitesse. On peut d'ailleurs noter qu'il est recommandé d'avoir une poussée vers le bas en entrée atmosphérique (angle d'attaque négatif), ce qui permet d'avoir un pic de décélération plus faible, donc plus facile à supporter pour les astronautes. C'est donc le contraire d'un rebond qu'on essaye de faire ! C'est comme si voulait faire des rebonds avec une pierre qu'on inclinerait vers le bas pour faciliter la pénétration dans l'eau ... Malgré tout, si la pierre est lancée avec suffisamment de force, rebond il y a !

Trouvé dans un article ::

Je crois que la poussée est tout de même remise vers le haut à la fin pour ressortir l'engin, mais je pense que ce n'est pas une obligation.

A+,
Argyre

Merci Argyre pour ces précisions sur cette traversée momentanée des couches hautes atmosphériques lors de l'aérocapture et en particulier sur cet angle d'attaque négatif qui permettrait de réduire la décélération supportée par les astronautes.

A ce sujet , n'est-ce pas indirectement ? En évitant de plonger trop profondément dans des couches plus denses pour assurer le freinage total nécessaire : en effet la décélération si on reste dans les couches les plus externes est moins forte et il faut compenser en courbant un peu plus la trajectoire pour augmenter la durée du passage et là encore il y a un problème de vocabulaire, après l'anti-rebond , voici le  surf à l'envers  !  :)

Pour reprendre ce sujet au début de cette année 2014, effectivement l'envoi de deux vaisseaux de trois astronautes chacun au lieu d'un seul de six permettrait d'éviter d'avoir recours à des IAD surdimensionnées pour l'entrée atmosphérique .

Si on opte pour un tel scénario, d'autres questions surgissent : 
- ces vaisseaux seront-ils arrimés l'un à l'autre pendant le voyage interplanétaire et leur séparation se fera-t-elle juste avant les entrées atmosphériques martiennes ?
 - Ne peut-on en profiter pour créer une pesanteur artificielle en les reliant par un câble et en les faisant tourner autour de leur centre de gravité commun ? 
- ces entrées - à part l'aérocapture préalable - seront-elles simultanées ou décalées d'un ou plusieurs sols (jours martiens) ?

Giwa a écrit:Pour reprendre ce sujet au début de cette année 2014, effectivement l'envoi de deux vaisseaux de trois astronautes chacun au lieu d'un seul de six permettrait d'éviter d'avoir recours à des IAD surdimensionnées pour l'entrée atmosphérique .

Si on opte pour un tel scénario, d'autres questions surgissent : 
- ces vaisseaux seront-ils arrimés l'un à l'autre pendant le voyage interplanétaire et leur séparation se fera-t-elle juste avant les entrées atmosphériques martiennes ?

Bonjour,

A cette première question, je répondrai ceci : a priori, les futurs lanceurs (SLS) auront une capacité d'envoi de 40 tonnes vers Mars, pas plus. Si on veut plus, il faut un assemblage en LEO. Or 40 tonnes, cela fait 20 tonnes de charge utile et 20 tonnes pour les systèmes d'atterrissage. 20 tonnes, c'est suffisant pour 3, mais pas pour 6. Par conséquent, puisqu'on ne peut tout envoyer en 1 seul lancement et qu'il faut en plus arrivé séparé, je ne vois aucune raison de joindre les 2 vaisseaux. Ils seront séparés dès le lancement !

Giwa a écrit:
 - Ne peut-on en profiter pour créer une pesanteur artificielle en les reliant par un câble et en les faisant tourner autour de leur centre de gravité commun ? 

Oui, parfaitement ! Séparés, oui, mais par un câble seulement.

Giwa a écrit:
- ces entrées - à part l'aérocapture préalable - seront-elles simultanées ou décalées d'un ou plusieurs sols (jours martiens) ?

Je pense que la meilleure solution est effectivement une entrée décalée de quelques jours. Primo, aérocapture pour chaque vaisseau (câble détaché bien entendu). Puis atterrissage du 1er vaisseau. Puis atterrissage du 2ème vaisseau quelques jours après avec possibilité d'intervention rapide des astronautes déjà sur place.
En vérité, il doit y avoir également 2 autres vaisseaux cargos avec les modules de remontée. Ces vaisseaux doivent déjà être sur Mars avant même le départ des vaisseaux habités.

A+,
Argyre

A mon humble avis, il y a un autre avantage : quand de chaque coté du cable on a un vrai vaisseau, ça deient plus facile de corriger la trajectoire si pour une raison ou une autre, ça part de travers.

Une étape cruciale est la mise en orbite des vaisseaux spatiaux au moyen d'une Aérocapture
Une telle méthode n'a jamais encore été utilisée et seul l'Aérofreinage  plus graduel l'a déjà été.
La différence fondamentale entre les deux méthodes réside que pour quitter la trajectoire hyperbolique par rapport au référentiel centré sur la planète - car sinon dans le référentiel héliocentrique la trajectoire est toujours une ellipse  - dans le premier cas on utilise d'emblée un freinage atmosphérique conséquent alors que dans la seconde on utilise des rétrofusées et qu'ensuite toujours pour la seconde à chaque périastre on effectue des petits freinages atmosphériques : ce qui demande du temps qui peut se compter en mois
A y réfléchir ne peut-on adopter une aérofreinage très proche d'une aérocapture: utilisation de rétrofusées juste pour mettre les vaisseaux sur des  orbites elliptiques très excentrées, puis des aérofreinages plus conséquents avec un périastre plus bas pour réduire plus rapidement l’altitude de l'apoastre ?
Toutefois se posera dans ce cas une bonne isolation thermique du bouclier pour qu'il puisse se refroidir suffisamment entre chaque passage par rayonnement sans transmettre trop de chaleur au vaisseau lui-même.

Giwa a écrit:Une étape cruciale est la mise en orbite des vaisseaux spatiaux au moyen d'une Aérocapture
Une telle méthode n'a jamais encore été utilisée et seul l'Aérofreinage  plus graduel l'a déjà été.
La différence fondamentale entre les deux méthodes réside que pour quitter la trajectoire hyperbolique par rapport au référentiel centré sur la planète - car sinon dans le référentiel héliocentrique la trajectoire est toujours une ellipse  - dans le premier cas on utilise d'emblée un freinage atmosphérique conséquent alors que dans la seconde on utilise des rétrofusées et qu'ensuite toujours pour la seconde à chaque périastre on effectue des petits freinages atmosphériques : ce qui demande du temps qui peut se compter en mois
A y réfléchir ne peut-on adopter une aérofreinage très proche d'une aérocapture: utilisation de rétrofusées juste pour mettre les vaisseaux sur des  orbites elliptiques très excentrées, puis des aérofreinages plus conséquents avec un périastre plus bas pour réduire plus rapidement l’altitude de l'apoastre ?
Toutefois se posera dans ce cas une bonne isolation thermique du bouclier pour qu'il puisse se refroidir suffisamment entre chaque passage par rayonnement sans transmettre trop de chaleur au vaisseau lui-même.

Très bonne question. Et je ne connais pas la réponse. C'est vrai que l'argument souvent avancé contre les petits freinages est la durée des manoeuvres qui se compte en mois. De façon logique, on devrait pouvoir ramener cette durée à quelques jours, je ne vois pas ce qui l'empêche, sauf peut-être comme tu le suggères le contrôle thermique et le fait qu'on ne largue pas le bouclier. Toutefois, il est également souvent suggéré d'avoir un bouclier dual, valable pour l'aérocapture et pour la descente. Dans ce cas, on est bien obligé de garder le bouclier et de contrôler malgré tout la température. Donc, ce problème ne paraît pas insurmontable. Il y a sans doute un compromis à trouver entre ces différentes options. Le choix des matériaux du bouclier est probablement crucial. Le fait de passer de plusieurs mois à quelques jours doit impacter le contrôle thermique de manière significative.

Argyre a écrit:
...Toutefois, il est également souvent suggéré d'avoir un bouclier dual, valable pour l'aérocapture et pour la descente. Dans ce cas, on est bien obligé de garder le bouclier et de contrôler malgré tout la température. Donc, ce problème ne paraît pas insurmontable. Il y a sans doute un compromis à trouver entre ces différentes options. Le choix des matériaux du bouclier est probablement crucial. Le fait de passer de plusieurs mois à quelques jours doit impacter le contrôle thermique de manière significative.

C'est aussi ce que je pense, la température du bouclier doit pouvoir retomber assez vite - même dans le vide de l'espace - à moins de + 100 °C uniquement par rayonnement - visible jusqu'à #+900 °C et ensuite dans le domaine des infra-rouges : dans l'espace si on oriente entre chaque passage le bouclier en direction du fond cosmologique à 3 K soit - 270 °C , la déperdition thermique devrait être rapide.
Un bon réflecteur entre le vaisseau et le bouclier avec un bon isolant thermique devrait restreindre l'échange de chaleur.
On doit pouvoir concevoir un bouclier dual capable d'assurer l'aérofreinage , puis l'entrée atmosphérique avant le déploiement de l'IAD.

D'ailleurs si les aérofreinages déjà réalisées se faisaient par très petites touches demandant de très nombreux passages au périastre , c'est qu'il n'y avait pas de bouclier et que le freinage se faisait sur les panneaux solaires  qui évidemment ne peuvent supporter qu'une pression aérodynamique très faible de couches d'air extrêmement raréfiés