Realizarea unei misiuni spațiale cu echipaj pe Marte a fost unul dintre obiectivele pe termen lung stabilite pentru astronautică încă de la începuturile sale. Inițial o temă științifico-fantastică , a devenit pentru unii, în urma aterizării omului pe Lună în 1969, următorul pas în cucerirea spațiului . Dar succesul acestui proiect necesită resurse financiare chiar mai mari decât cele ale programului Apollo , lansat el însuși datorită unei combinații deosebit de favorabile de circumstanțe ( războiul rece , revenirea economică). Un zbor cu echipaj către Marte este, de asemenea, o provocare tehnică și umană care nu este proporțională cu o expediție lunară: dimensiunea navelor, sistemul de susținere a vieții care funcționează într-un circuit închis pe perioade lungi (900 de zile), fiabilitatea echipamentelor care nu pot fi reparate. sau a căror redundanță nu poate fi asigurată în mod sistematic, probleme psihologice ale unui echipaj limitat într-un spațiu limitat într-un context deosebit de stresant, probleme fiziologice rezultate din absența gravitației pe perioade prelungite precum și efectul radiațiilor asupra organizației.
De la începutul anilor 1960, au fost efectuate diverse studii pe această temă și au explorat scenarii și soluții tehnice. Mai multe puncte sunt deosebit de dezbătute: traiectoria în opoziție sau în conjuncție, utilizarea propulsiei nucleare , dimensiunea echipajului, utilizarea aerocapturii pentru frânarea la sosirea pe Marte, metoda de aterizare pe Marte, producția de combustibil a călătoriei de retur in situ , tonajul navei spațiale care urmează să fie lansat. Cele mai reușite pre-proiecte provin de la NASA , puternic în rolul său de pionier și cea mai bine dotată agenție spațială civilă, care rafinează o soluție grea ( Mars Design Reference Architecture ) care necesită plasarea între 850 și 1.250 de tone pe orbită terestră joasă . prin lansări de zece, dar , de asemenea , grupuri de entuziaști grupate în asociații , cum ar fi Societatea Marte , care susțin o soluție mai puțin costisitoare, „Mars Direct“, sau „Mars semi-directă“ , care necesită doar două, trei sau patru lansări în funcție de versiunile . Toate aceste scenarii necesită dezvoltarea și testarea tehnologiilor cheie, inclusiv aerocaptura, depunerea de mase mari pe solul marțian și extragerea resurselor din atmosfera sau solul marțian.
Proiectul trebuie să mobilizeze resurse financiare enorme și prezintă riscuri semnificative, deoarece succesul misiunilor robotice pe Marte demonstrează validitatea acestei abordări de explorare a planetei. Datorită acestora, omul a descoperit că Marte nu oferea un mediu deosebit de primitor. Studiul in situ al geologiei planetei de către astronauți și mitul frontierei , foarte viu în Statele Unite, nu reușesc să-i convingă pe factorii de decizie să facă pasul. NASA și SpaceX dezvoltă dispozitive, precum lansatorul SLS greu și nava spațială interplanetară Orion , care ar putea contribui la o misiune marțiană. Dar, în 2019, în cadrul agențiilor spațiale , de la abandonarea programului Constellation , nu există proiecte coerente, chiar și pe termen lung, ale unei misiuni cu echipaj pe Marte care a primit începutul implementării.
În domeniul explorării spațiului, Marte deține un loc special printre planetele sistemului solar . Deși este mai departe de Soare decât Pământul (de două ori mai mult soare) și mult mai mic decât Pământul (jumătate din diametru), Marte este planeta cu cele mai apropiate caracteristici. Probabilitatea de a descoperi forme de viață prezente sau trecute acolo este cea mai mare. Marte este astăzi o planetă rece și uscată, cu aproape nicio atmosferă, dar în trecutul îndepărtat era cald și apă curgea pe suprafața sa. Mai departe de Pământ decât Venus, este totuși situat la o distanță care permite unei nave spațiale să o atingă între 6 și 9 luni urmând o traiectorie care economisește consumul de propulsori. Apa nu mai curge la suprafață, dar este abundentă în capacele polare și în zonele umbrite ale craterelor situate chiar la latitudini foarte mici. Principalele elemente chimice necesare înființării unei colonii ( oxigen , azot , hidrogen , carbon ) sunt prezente fie în atmosferă, fie în solul planetei.
Agențiile spațiale lansează în mod regulat nave spațiale automatizate pentru studiul științific al lui Marte. Peste patruzeci de sonde spațiale , orbite , landere și rover-uri , au fost trimise pe Marte de la începutul anilor 1960. După o pauză de aproape 15 ani, din 1996, cel puțin o nouă sondă spațială a fost lansată de fiecare dată când fereastra este deschisă spre Marte, adică la fiecare 26 de luni. Acest aflux de mașini, echipate cu instrumente științifice din ce în ce mai sofisticate și adaptabile, a făcut posibilă colectarea multor date și realizarea a numeroase descoperiri. În ciuda progreselor în domeniul electronicii și al informaticii utilizate de aceste dispozitive robotizate, trimiterea unui echipaj în solul marțian are câteva avantaje importante:
Obiectivele științifice sunt avansate pentru a justifica trimiterea astronauților pe solul marțian. Desemnarea acestor obiective depinde de mijloacele care vor fi acordate echipajelor: numărul și durata plimbărilor spațiale, capacitatea vehiculelor, echipamentele de analiză disponibile la fața locului, echipamentele de măsurare (stații meteorologice etc.), capacitatea burghiului, energia disponibilă , implicarea roverilor robotici etc. Se va acorda prioritate cercetărilor care nu pot fi efectuate de crawlerele. Sunt vizate trei domenii științifice:
Pe termen lung, în cadrul bazelor permanente, sunt vizate toate domeniile științifice, în special cel al biologiei.
Având în vedere costul enorm al unei misiuni marțiene, este foarte probabil ca motivațiile politice și societale să joace un rol și mai important decât obiectivele științifice în decizia de lansare a proiectului. Singurul program spațial de această magnitudine, programul Apollo , a fost lansat pentru a contracara influența Uniunii Sovietice, care la acea vreme domina Statele Unite în explorarea spațială, pe fondul războiului rece dintre cele două țări. Printre motivațiile non-științifice, putem cita:
Trimiterea unui echipaj la suprafața unui alt obiect ceresc constituie o ispravă bine ilustrată de complexitatea și costul programului Apollo (aproximativ 170 miliarde de dolari SUA) care rămâne singura încercare făcută în acest domeniu. De atunci, progresul tehnic în domeniul spațiului a rămas relativ limitat, cu excepția electronicii. În special, nu s-a făcut nicio descoperire decisivă în domeniul propulsiei spațiale, așa cum este ilustrat de implementarea pe lansatoarele recente de motoare dezvoltate în anii 1960. Cu toate acestea, trimiterea oamenilor pe Marte constituie un obiectiv mult mai complex decât aterizarea unui echipaj pe luna.
Caracteristic misiunii | Misiunea Apollo | Misiunea marțiană | Impact |
---|---|---|---|
Durata misiunii | 12 zile | 640 de zile sau 910 de zile (scenariu de opoziție sau conjuncție) |
- Necesitatea unui spațiu de locuit mare - Protecție împotriva radiațiilor - Gestionarea efectelor imponderabilității - Masa consumabilelor (apă, oxigen, alimente) - Impactul închiderii |
Timpul necesar pentru întoarcerea pe Pământ | 3 zile | cel puțin 6 luni și până la 2 ani | - Fiabilitatea pentru a evita o defecțiune materială fatală la această distanță de Pământ - Urgența medicală va trebui să fie tratată de echipaj |
Aterizare / decolare a Lunii sau Marte | Fără atmosferă / gravitație scăzută | Prezența unei atmosfere subțiri și superficiale / gravitație relativ puternică | - Tehnicile dovedite permit debarcarea doar una până la două tone pe solul marțian - Decolarea de pe Marte necesită utilizarea unui lansator mare in situ |
Telecomunicații | Timp de rutare aproximativ 1 secundă, link permanent | Timp de livrare 3 - 20 minute, link discontinuu | - Sentiment de izolare - Fără asistență în timp real de pe Pământ |
Masă plasată pe orbita Pământului joasă / plasată pe sol Luna / Marte |
118 tone / 7 t . |
400 la 1.000 de tone / 60 la 80 de tone | - Cost - Complexitate (lansări multiple) |
Cursul unei misiuni cu echipaj pe Marte include pașii următori (prin intrarea în rafinamentele scenariilor care prevăd poziționarea prealabilă a navelor):
În ultimul scenariu detaliat al NASA din 2009, o misiune marțiană necesită dezvoltarea a patru nave spațiale care sunt asamblate pe orbită și sunt lansate spre Marte în 3 zboruri distincte:
Câțiva parametri au un impact decisiv asupra misiunii, în special durata șederii pe solul marțian (scenariu de conjuncție sau opoziție), momentul zborurilor (lansare înainte sau simultană, sistemul de propulsie interplanetară (chimic, nuclear termic, nuclear electric) ...), tipul de inserție pe orbita marțiană ( aerocaptură sau frânare propulsivă), metodele de coborâre pe solul marțian, numărul astronauților, de obicei între 3 și 6, și în cele din urmă funcționarea resurselor locale, sau nu, pentru producerea de propulsori care să permită revenirea pe orbita marțiană.
Traiectoria aleasă are un impact direct asupra duratei misiunii, asupra sistemului de propulsie interplanetară și asupra cantității de combustibil transportate. Această alegere răspunde la mai multe constrângeri economice și științifice:
Alegerea traiectoriei este constrânsă de regulile mecanicii spațiale :
Având în vedere toate aceste constrângeri, există două scenarii de misiune:
Scenariul conjuncțional Echipajul a decolat în cel mai favorabil moment și a aterizat pe planeta Marte după 180 de zile de călătorie. El petrece 550 de zile pe solul marțian până când se deschide cea mai favorabilă fereastră de lansare. Călătoria de întoarcere durează, de asemenea, 180 de zile. Durata totală a misiunii este de 910 zile. Scenariul opoziției Călătoria exterioară are loc în aceleași condiții ca și celălalt scenariu. Durata șederii pe Marte este minimizată, rămânând în același timp compatibilă cu realizarea obiectivelor științifice, adică în jur de 30 de zile. Călătoria de întoarcere are loc într-o configurație mult mai nefavorabilă: durează 430 de zile și necesită beneficiul asistenței gravitaționale a lui Venus . Singurul avantaj al acestei misiuni este reducerea duratei totale la 640 de zile, ceea ce limitează în mintea autorilor săi timpul de expunere la radiații.Scenariul conjuncțional este larg preferat de oamenii de știință. Scenariul de opoziție care permite doar o ședere de aproximativ 30 de zile pe solul marțian nu permite explorarea întregii zone care poate fi atinsă datorită sistemelor de mobilitate puse la dispoziția echipajului. Acest scenariu limitează posibilitatea colectării probelor de sol prelevate la mare adâncime folosind burghiul. Scurta ședere nu face posibilă reorientarea cercetării în conformitate cu constatările sau optimizarea iterativă a probelor de sol și roci colectate. În schimb, singurele două dezavantaje sunt expunerea mai lungă a astronauților la razele cosmice și un cost puțin mai mare.
Capacitatea unei nave din spațiu de a-și modifica traiectoria este condiționată de masa de propulsori pe care o transportă și care este utilizată de motoarele sale de rachetă de fiecare dată când este necesar să accelereze, dar și să decelere. Schimbările de viteză necesare pentru o misiune pe Marte cu echipajul care se întoarce pe Pământ sunt foarte importante. Cu toate acestea, cu o propulsie chimică convențională, este necesar să sacrificați practic 50% din masă sub formă de propulsori pentru a modifica viteza de 2 km / s . Scenariile dezvoltate în diferitele studii ale misiunii spațiale pe Marte oferă diferite sisteme de propulsie și opțiuni pentru a reduce masa propulsorilor care trebuie transportați:
Poziția navei | Faza de propulsie | Delta-V necesară | Comentarii |
---|---|---|---|
Orbita pământească joasă | Injecție pe o traiectorie către Marte | 3,7 - 4,1 km / s (1) | Dacă modul de propulsie este chimic sau nuclear termic, forța este puternică și rapidă și ieșirea din atracția pământului durează doar câteva zile. Pe de altă parte, dacă se acționează motoare cu propulsie ionică cu panouri solare sau un reactor nuclear pentru alimentarea cu energie, forța este slabă și lungă. Consecința este un câștig în ceea ce privește masa propulsorilor, dar o creștere a duratei ascensiunii pe orbita înaltă și a ieșirii din atracția Pământului (adesea câteva luni) și o Delta V. mai mare. |
Sosire lângă Marte | Inserarea pe orbita marțiană | 0,8 - 1,8 km / s (1) | Este posibil să exploatezi atmosfera marțiană pentru a încetini și a intra pe orbită. Atunci ai nevoie de un scut termic. Dacă nu se folosește captarea aerului , frânați cu un sistem de propulsie. Ca regulă generală, dacă sistemul de propulsie este chimic, este preferabilă capturarea aerului, deoarece economisește foarte mult combustibil. Nu este cazul propulsiei ionice, dar inserția este mult mai lungă.
În cazul sosirii la viteză mare pentru a reduce durata, DeltaV este desigur mai important și aerocaptura mai dificilă. |
Pe orbita joasă în jurul lui Marte | Coborâre pe sol marțian | 0,6 - 0,8 km / s | Decelerarea se realizează în mare parte datorită rezistenței atmosferice, ceea ce explică deltaV scăzut. Propulsia este necesară pentru a permite o aterizare precisă și lină, precum și pentru a compensa subțirimea atmosferei. |
Pe solul lui Marte | Inserarea pe orbita marțiană | aproximativ 5 km / s | În majoritatea scenariilor, decolați de pe Marte cu o ambarcațiune mică. Pentru a reduce masa propulsorilor care urmează să fie trimiși pe Marte, majoritatea studiilor sugerează producția din atmosfera marțiană, în special oxigenul (ISRU). În mod ideal, orbita care trebuie atinsă poate fi foarte lungă, cu o perioadă de 1 sol, ceea ce facilitează întâlnirea cu vehiculul de întoarcere care a rămas pe orbită. |
Orbitând pe Marte | Inserarea pe o cale către Pământ | 1,6 km / s | |
Sosire aproape de Pământ | Coborârea pe pământ | 0 km / s | - |
(1) Depinde de data și durata programată a tranzitului |
În toate scenariile, trimiterea unei misiuni pe Marte necesită transportarea mai multor zboruri separate care corespund unui număr cât mai mare de echipamente grele. Într-un mod relativ standard, este nevoie de două zboruri de marfă (fără echipaj) pentru a aduce la suprafața lui Marte, pe de o parte, habitatul, pe de altă parte, nava responsabilă pentru readucerea echipajului pe orbită la sfârșitul misiunii. Un al treilea zbor transportă echipajul între Pământ și Marte (dus-întors) într-un habitat destinat să rămână pe orbită. Două scenarii sunt posibile pentru planificarea acestor zboruri:
Scenariul înainte de implementare este, în general, preferat. Motivele invocate, de exemplu, de grupul de lucru NASA care a dezvoltat scenariul de referință pentru agenția spațială americană sunt următoarele:
Notă: timpul de călătorie al unei nave de marfă este mai puțin critic decât cel al unei nave cu echipaj. Prin urmare, este avantajos în acest caz să favorizăm propulsia ionică, care implică un timp de călătorie mult mai lung, dar care consumă mai puțin agent de propulsie.
Utilizarea tehnicii de captare a aerului este o alternativă la utilizarea motoarelor care consumă combustibil prețios: atunci când ajunge lângă Marte, nava spațială înconjoară planeta la o altitudine suficient de mică pentru densitatea atmosferei. Marteianul exercită o presiune aerodinamică care încetinește suficient de jos pentru ao plasa pe orbită în jurul planetei. Este o tehnică foarte delicată care necesită o navigație foarte precisă pentru a nu supune nava la o agresiune termică prea mare, ceea ce ar putea duce la pierderea navei sau dimpotrivă să nu încetinească suficient ceea ce ar trimite nava înapoi la întoarcere cale.sau o orbită de excentricitate foarte mare. O constrângere suplimentară este aceea că decelerarea trebuie să fie suportabilă de către echipaj (limita stabilită la 5 g de NASA).
Airbraking este o opțiune intermediară este de a muta mai sus in atmosfera lui Marte, ceea ce duce la o ieșire orbită alungită și necesită frânare propulsive suplimentare și multe alte pasaje pentru a atinge orbita finală dorită.
Cel mai recent scenariu NASA, precum cel al Societății Marte, implică producerea de consumabile din resursele disponibile pe Marte. Utilizarea resurselor in situ (în limba engleză ISRU) poate reduce semnificativ masa care urmează să fie depuse pe Marte. Produsele produse ar face în primul rând parte din apa și oxigenul consumat de astronauți și, în al doilea rând, combustibilul folosit pentru a urca de pe suprafața lui Marte pe orbita joasă. Potrivit lui R. Zubrin, utilizarea reacției Sabatier (CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O) urmată de electroliză (2H 2 O → 2H 2 + O 2 ) ar face posibilă utilizarea a 6 tone de hidrogen transportate pe cu dioxid de carbon din atmosfera lui Marte pentru a crea pe o perioadă de 10 luni până la 112 tone dintr-un amestec de metan și oxigen utilizat ca propulsori de către motorul rachetei. Echipamentul care produce aceste consumabile ar fi pre-poziționat cu câteva luni înainte de sosirea echipajului, atât pentru a asigura buna funcționare a acestora, cât și pentru a produce consumabilele necesare în prealabil.
Factorul psihologic reprezintă un risc important într-o misiune marțiană:
Membrii echipajului trebuie selectați foarte atent atât pe baza abilității lor de a rezolva probleme, cât și pentru a adopta comportamentul potrivit în situații critice sau conflictuale. Experiența misiunilor de lungă durată la bordul stațiilor spațiale a arătat că, în ciuda utilizării criteriilor psihologice pentru selectarea astronauților, pot apărea conflicte. Criteriile de selecție pentru o misiune marțiană rămân dificil de stabilit. Există, de asemenea, dezbateri cu privire la necesitatea sau nu de a selecta un echipaj mixt și multicultural (de exemplu, rus / american).
Se efectuează o examinare detaliată a potențialelor probleme medicale, până la examinarea genetică, deoarece riscul dezvoltării bolii este ridicat, având în vedere durata misiunii.
În funcție de scenariile rezultate din studii cunoscute, echipajul cuprinde 3 până la 6 persoane (4 pentru Zubrin, 6 pentru scenariul de referință NASA). Limita superioară este determinată de masa suplimentară cerută de un membru suplimentar al echipei. Numărul minim rezultă din gestionarea riscurilor (dublă redundanță), din suma sarcinilor de îndeplinit și a specialităților care trebuie stăpânite. Având în vedere numărul parametrilor misiunii care sunt în prezent nedefiniți, aceste cifre sunt pur orientative. Potrivit NASA, următoarele specialități ar trebui să fie stăpânite de cel puțin o persoană și să constituie o specializare secundară pentru alții: chirurg / medic , geolog , biolog , mecanic, electrician / electronică , comandă. Zubrin recomandă un echipaj de 2 mecanici (supraviețuirea misiunii depinde de capacitatea echipajului de a depăși eșecurile), un geolog și un biogeochimist. Zubrin ignoră specialiștii care practică exclusiv medicina, pilotează sau se dedică exclusiv comandamentului expediției.
Datorită complexității unei misiuni marțiene pilotate, dezvoltarea, testarea și calificarea unui număr mare de sisteme vor costa zeci sau chiar sute de miliarde de euro. Odată ce aceste sisteme sunt calificate, costul pe kilogram adus pe Marte va fi în continuare relativ ridicat. Conform scenariului și cifrelor furnizate de NASA, masa utilă care trebuie plasată pe Marte este de 80 de tone (cu excepția etapei de coborâre care nu mai este utilă o dată pe solul marțian) împărțită în 2 module:
Scenariul NASA, care se bazează pe mai multe soluții tehnice futuriste pentru a optimiza masa care urmează să fie pusă pe orbită, intenționează să lanseze 25.000 de tone de la sol (masa aproximativă de șapte lansatoare Ares V și un lansator Ares I cu incertitudini cu privire la masa Lansator Ares V ), pentru a avea 1.024 de tone pe orbită terestră joasă și a rezulta 80 de tone pe Marte. Cu toate acestea, cu lansatoarele actuale, lansarea pe orbita pământească joasă a unei tone costă între 10 și 20 de milioane de dolari. Conform acestui tarif, doar lansarea expediției marțiene ar costa între 10 și 20 de miliarde de dolari (prețul ar trebui să fie mai mic cu un Ares V ). În plus, pentru a ateriza o tonă mai mult pe Marte necesită lansarea a încă 12 tone pe orbită mică, aplicând raportul folosit de NASA.
Ca rezultat, majoritatea scenariilor de misiune cu echipaj pentru Marte limitează masa pentru a ateriza pe Marte la un minim absolut și încearcă să îmbunătățească raportul dintre masa lansată pe orbita scăzută a Pământului și cea pusă pe Marte.
În timpul călătoriei dintre Pământ și Marte (dus-întors) care durează între 360 de zile (scenariu de conjuncție) și 610 zile (scenariu de opoziție), echipajul este expus la 3 fenomene care pot afecta sănătatea lor: rachete solare , raze cosmice și greutate .
Flăcări solareCele mai exploziile solare sunt vârfuri de activitate ale Soarelui care intenționează protonii au o energie mare. Activitatea Soarelui cunoaște cicluri de 11-12 ani în care activitatea solară crește, apoi scade. În timpul fazelor de activitate ridicată, flăcările solare sunt atât mai numeroase, încât trimit un flux mai mare de protoni. Dozele primite de un echipaj neprotejat cresc semnificativ riscul de a dezvolta cancer câțiva ani mai târziu. Cele mai violente erupții solare care ar putea fi studiate au reprezentat o doză de 38 rems . Potrivit inginerului american aerospațial Robert Zubrin , dacă echipajul este avertizat (erupțiile solare fac obiectul unor observații care permit o anumită anticipare), pot limita doza primită în medie la 5,5 rem în timpul tranzitului de ieșire și de întoarcere, prin refugierea în o zonă a navei protejată de echipamente interpuse cu exteriorul. Materialele cu un conținut ridicat de hidrogen, cum ar fi apa, oferă o protecție excelentă în raport cu densitatea lor. Dacă astronautul este protejat doar de un singur perete, doza primită este de ordinul a trei ori.
Raze cosmiceCele Razele cosmice sunt particule de mare energie, cele mai periculoase sunt ioni grei (fier ionizate , de exemplu) din spațiul interstelar și intergalactic. Debitul este continuu fără vârf semnificativ. La acest nivel de energie, armura convențională de câțiva centimetri grosime nu constituie o barieră eficientă, indiferent de materialul ales. Potrivit lui Robert Zubrin , cantitatea primită de echipaj în timpul tranzitului dus-întors este de 32 rems . Consecințele bombardării celulelor de către astfel de particule nu sunt bine cunoscute, deoarece fenomenul este greu de reprodus pe Pământ fără a afecta siguranța oamenilor. Singurele experimente existente sunt cele ale astronauților care au mers pe Lună și care au traversat centurile Van Allen care protejează orbita joasă și suprafața pământului de razele cosmice.
Instrumentul RAD instalat la bordul rover-ului Curiosity a măsurat în 2012/2013 radiația cosmică suferită în timpul tranzitului dintre Pământ și Marte și în timpul șederii pe Marte pe o perioadă de aproximativ 300 de zile. RAD a măsurat cele două surse de radiații ionizante : cea de origine solară care fluctuează conform unui ciclu de 11 ani cu rachete solare care pot fi violente și cea de origine galactică mult mai energică. Perioada în care au fost luate măsurătorile corespunde vârfului ciclului de 11 ani al activității solare . Cu toate acestea, vârful acestui ciclu (ciclul 24) este deosebit de slab.
Suprafața planetei este mult mai puțin protejată de radiațiile cosmice decât cea a Pământului, deoarece Marte nu are un câmp magnetic pentru a respinge particulele ionizante. În plus, atmosfera sa, mult mai subțire, reprezintă mai puțin de 1% din cea a Pământului. Radiația de origine galactică constă din particule (ioni, electroni) având o energie cuprinsă între 10 megaelectronvolți și mai mult de 10 gigaelectronvolți, care pot pătrunde câțiva metri în solul marțian, în timp ce particulele de origine solară a căror energie este mai mică de 150 MeV sunt în general blocate de atmosfera și suprafața. Cu excepția unui episod solar violent, radiația solară își pierde cea mai mare parte a energiei atunci când trece prin atmosfera marțiană, care reprezintă o coloană de gaz de 20 g / cm 2 . Măsurătorile efectuate indică pe suprafața planetei Marte o doză de radiații de origine galactică de 210 ± 40 microgrizi pe zi cu variații rezultate din anotimp și din ciclul zi / noapte. În spațiu, în timpul tranzitului dintre Pământ și Marte, radiația este mult mai intensă (480 ± 8 micrograme) deoarece nava spațială nu este nici protejată de solul planetei, care blochează mai mult de 50% din particule, nici de atmosferă. Radiația solară măsurată la suprafață în timpul activității de vârf se ridică la aproximativ 50 de micrograme. Conform acestor date, astronauții unei misiuni cu echipaj pe Marte care respectă scenariul de referință al NASA (tranzit de 180 de zile și ședere de 500 de zile) ar primi o doză echivalentă (ponderată în funcție de energia particulelor) totală de aproximativ 1,01 sievert , din care 320 milisieverți în timpul șederii lor pe Marte și de două ori 331 milisieverți în timpul călătoriilor de ieșire și de întoarcere. Pentru referință, doza medie anuală de radiație naturală primită la suprafața Pământului este de 2,5 milisieverți, cea primită de un astronaut pe Stația Spațială Internațională în timpul șederii sale obișnuite de 6 luni este de 75 de milisieverți.
Expunerea la imponderabilitateÎn timpul călătoriei dus-întors Pământ-Marte, gravitația este în mod implicit zero în nava care transportă echipajul. Greutatea pe perioade lungi de timp determină decalcificări care fac oasele fragile și atrofiază mușchii, inclusiv cei ai inimii. Conform experienței dobândite în urma șederilor prelungite ale astronauților în stațiile spațiale, aceștia nu se recuperează imediat după întoarcerea lor pe Pământ. Acest fenomen poate fi eliminat prin crearea gravitației artificiale .
Pentru a crea aceasta, cea mai simplă soluție constă în luarea la bord a unei mici centrifuge cu braț scurt (soluție recomandată de ESA și CNES) și obligarea astronauților la o operațiune regulată.
O altă soluție este rotirea vasului în jurul axei sale principale (pereții laterali devin apoi podeaua). Dezavantajul acestei soluții este că diametrul mic al stației generează efecte foarte deranjante: diferența de greutate între cap și picioare (gradient de gravitație), forța Coriolis făcând mișcarea dificilă. Robert Zubrin, printre altele, propune în Mars Direct să tragă un cablu între o etapă de rachetă goală și habitat și să pună întregul în rotație lentă, recreând o gravitație artificială în nava spațială prin intermediul forței centrifuge generate.
Crearea unei gravitații artificiale generează o complexitate crescută a sistemului de transport între Pământ și Marte, de îndată ce se dorește crearea unui câmp gravitațional care nu deranjează. Experiențele acumulate grație stațiilor spațiale arată că omul pare să suporte absența gravitației pe perioade lungi chiar dacă acest lucru provoacă daune ireparabile. NASA, având în vedere scurtitatea relativă a tranzitului Pământ-Marte, nu a planificat să creeze un câmp gravitațional artificial.
Mark Strauss de la National Geographic subliniază că „regiunile speciale în care ar putea avea loc viața terestră sunt, de asemenea, zonele în care s-ar putea găsi o viață marțiană nativă. Aceasta înseamnă - dacă nu suntem foarte, foarte atenți - că ne-am putea distruge șansele de a descoperi organisme extraterestre, doar mergând în căutarea lor ” . Chiar dacă pare improbabil din cauza multor așa-numiți factori „biocidi” , cum ar fi radiațiile sau toxinele terestre, dezvoltarea organismelor terestre pe Marte legate de nave spațiale nu poate fi exclusă, având în vedere observarea organismelor. Pe Pământ având capacitatea de a prospera în extrem medii. Regulile care vizează limitarea acestor riscuri sunt emise de Comitetul pentru cercetare spațială (COSPAR); NASA a luat măsurile suplimentare de precauție „de a exclude regiunile speciale de pe lista potențialelor locuri de aterizare, inclusiv a zonelor de pe Marte care au gheață lângă suprafață” . Societatea Planetară condusă de Bill Nye susține o abordare limitată la orbita lui Marte înainte de inițierea unei căutări aprofundate a vieții marțiene, pentru a evita contaminarea ireversibilă a planetei și a pune în pericol căutarea vieții pe Marte . Unii critici cred că protecția planetară este un efort risipitor și costisitor care încetinește încercările de explorare și consideră că Marte a fost deja contaminat.
Tranzitul dintre Pământ și Marte consumă mult combustibil pentru a accelera și a decelera navele necesare expediției în călătoria de ieșire și pentru a lansa nava de întoarcere pe orbita Pământului. Căutarea unei propulsii mai eficiente poate economisi sute de tone asupra masei care urmează să fie plasată pe orbită terestră joasă. Dintre tehnologiile avute în vedere, propulsia termică nucleară permite teoretic un câștig semnificativ, fiind relativ realistă. Această tehnologie este cea utilizată în scenariul de referință NASA („DRA 5.0”). Impulsul specific al acestui tip de propulsie (900 s.) Este dublu cele mai bune sisteme de propulsie chimice utilizate în prezent (hidrogen / oxigen pereche) , ceea ce înseamnă că , dacă masa goală este identică pentru cele 2 tipuri de propulsie, pe care trebuie să -și asume o jumătate combustibilul pentru a produce aceeași forță. Experimentele au fost efectuate în anii 1960-1970 în jurul motorului NERVA , ceea ce demonstrează fezabilitatea, dar există totuși dezavantaje majore: masa motorului este penalizantă, rezervoarele de hidrogen, foarte voluminoase, complică o posibilă aerocaptură , protecția împotriva radiațiilor trebuie mărit și în cele din urmă reactorul nuclear trebuie pornit la o altitudine mai mare din motive de siguranță. Sunt studiate alte tehnici promițătoare, cum ar fi propulsorul VASIMR , dar implementarea lor pe etape mari poate fi avută în vedere doar pe termen foarte lung.
Nava spațială utilizată pentru tranzitul echipajului între Pământ și MarteNava spațială utilizată de echipaj pentru tranzitul dintre Pământ și Marte (modulul MTH sau Mars Transit Habitat pentru NASA) trebuie să permită supraviețuirea acesteia pe o perioadă lungă (până la 900 de zile în cazul unei probleme în aer). ( sosirea pe orbita marțiană în anumite scenarii) în deplină autonomie. Pot fi luate în considerare două arhitecturi:
Prima opțiune, reținută în scenariile Mars Direct și Marte semi-directe, face posibilă evitarea asamblării unei nave spațiale mari pe orbita Pământului, favorizând întâlnirea de pe suprafața marțiană cu un habitat secundar și, eventual, o întâlnire în marțian orbitează cu vehiculul semi-direct de întoarcere pe Marte. În cazul navelor mici, implementarea aerocapturii este considerată fezabilă, ceea ce permite o economie substanțială a masei de combustibil. În cazul lui Mars Direct, habitatul folosit pentru întoarcere este lansat de racheta care decolează din solul marțian. Se poate observa că această opțiune nu a fost studiată de NASA. În scenariul său de referință, NASA oferă într-adevăr un habitat specializat care oferă naveta Pământ-Marte dus-întors. Pentru o misiune care durează 1000 de zile cu un echipaj de 6, principalele sale caracteristici ar fi următoarele:
Sunt studiate diverse căi pentru reducerea masei: reducerea spațiului de locuit de la 25 la 23 m 3 de persoană, eliminarea pasajelor spațiale (riscant, cu excepția faptului că există roboți foarte sofisticați, a căror tehnică rămâne de dezvoltat), externalizarea propulsiei modul, consumabile de reducere ...
În majoritatea scenariilor, nava care transportă echipaj sau încărcătură nu aterizează direct pe Marte, ci mai întâi aterizează pe o orbită joasă în jurul planetei:
Pentru a se plasa pe orbită mică, nava spațială trebuie să-și reducă viteza la minimum 2,4 km / s (mai mult dacă durata tranzitului este mai mică de 260 de zile ceea ce impune o viteză de sosire mai mare în suburbiile Marte).
Introducerea pe orbita marțiană se poate face în conformitate cu 3 opțiuni: captarea aerului, frâna de aer sau frânarea propulsivă. Acesta este un parametru de structurare al misiunii, deoarece alegerea aleasă poate duce la o reducere deloc neglijabilă a cantității de propulsori care trebuie transportată, prin urmare, în dimensiunea vaselor și în complexitatea unei eventuale asamblări pe orbita terestră.
Calcule efectuate pentru o navă spațială de 100 de tone care desfășoară un scut de 15 metri diametru pe cablul său frontal pentru a determina că intrarea trebuie să fie pe un coridor de câteva grade lățime dacă nava spațială navighează la viteza minimă de transfer al Pământului. lățimea coridorului scade sub 1 ° (care este limita de precizie obținută pentru sondele marțiene trimise până acum) dacă nava ajunge la 9 km / s . Problema este făcută mai complexă de variațiile densității atmosferei marțiene: este influențată atât de anotimpuri, cât și de furtuni de praf. Acestea pot înmulți cu 10 presiunea aerodinamică exercitată asupra navei în timpul trecerilor sale la altitudine mică. Astăzi, fenomenul este slab modelat și, prin urmare, este dificil de anticipat.
În general, captarea aerului este opțiunea preferată cu condiția ca nava care ajunge să nu fie prea mare, să aibă o formă prea complexă sau să fie prea rapidă.
Aterizarea pe Marte (intrare, coborâre și aterizare EDL) este o fază crucială. Soluțiile tehnice care pot fi implementate au repercusiuni majore asupra capacităților și costului unei misiuni marțiene. Oricare ar fi scenariul, este necesar să debarcăm nave a căror masă este cuprinsă între 30 și 100 de tone (de 20 până la 50 de ori cea a celui mai mare robot care a aterizat pe Marte până acum) cu, în scenariul NASA, o precizie de câteva zeci de metri (precizie de câteva sute de ori mai mare decât cea obținută până acum).
Coborârea la sol necesită scăderea vitezei orizontale a navei la 0. La sosirea pe Marte (când nava spațială a intrat pe orbită joasă), această viteză este de aproximativ 4,1 km / s ( 1,6 km / s pentru Lună și 8 km / s pentru Pământ). Pentru a anula această viteză, există două metode: utilizați forțele de tragere ca și pentru captarea aerului , adică fricțiunea atmosferei. Asta fac navele spațiale cu echipaj atunci când se întorc pe Pământ printr-o ușoară decelerare, ceea ce face ca orbita lor să scadă pentru a începe procesul. Atmosfera face apoi toată treaba și singura penalizare în greutate este masa scutului termic care protejează nava de creșterea foarte puternică a temperaturii în timpul fazei de frânare (masa acestui scut poate fi totuși semnificativă). Când o planetă nu are atmosferă ca pe Lună, viteza este anulată prin recurgerea la împingerea motorului rachetei. Dar această soluție este extrem de costisitoare, deoarece necesită alocarea unei mari părți din masa navei la combustibilul utilizat. Masa care trebuie sacrificată este proporțională cu gravitatea planetei: plasarea modulului Apollo pe Lună sacrifică astfel jumătate din greutatea navei în favoarea combustibilului cu o viteză care trebuie anulată de 3 ori mai mică decât pe Marte.
Densitatea foarte redusă a atmosferei lui Marte (1% din cea a Pământului) o plasează, pentru scenariul de coborâre, într-o situație intermediară între Pământ și Lună. Robotul Mars Science Laboratory , care a aterizat pe Marte în 2012, a fost nevoit să folosească motoare pentru a se frâna de la o altitudine de 1.500 de metri. Problema devine cu atât mai acută cu cât sarcina de plasat este grea sau navele marțiene din scenariul de referință NASA au o masă cuprinsă între 45 și 65 de tone. A doua problemă ridicată de slăbiciunea rezistenței atmosferice pe Marte este că viteza devine mai mică decât Mach 1 doar când nava este foarte aproape de sol: nava și echipajul ei au foarte puțin timp pentru a modifica locul de aterizare dacă traiectoria a navei îl aduce pe o zonă presărată cu obstacole sau o ia la o distanță prea mare de locația țintă. În plus, această constrângere interzice aterizarea în zone situate la altitudini prea mari (aproape 50% din suprafața Marte).
Cercetările sunt efectuate la NASA pentru a îmbunătăți eficiența frânării într-o atmosferă cu densitate redusă. Sunt studiate diferite tehnici:
În faza finală, o etapă de macara ca robotul Mars Science Laboratory poate fi utilizată pentru a obține viteză verticală aproape zero la aterizare.
Dacă se recurge la metoda costisitoare de utilizare a motoarelor rachete pentru o porțiune semnificativă a zborului (pentru a produce decelerarea între 0,9 și 1,4 km / s , 20 până la 30% din masa navei este sacrificată în favoarea combustibilului conform studiului de Braun și Manning), implementarea sa este dificilă deoarece, la viteza hipersonică, ejectarea gazelor de la motoare perturbă fluxul aerodinamic.
Site-ul este ales în funcție de interesul său geologic, permițând în același timp aterizarea ușoară.
Condițiile de viață pe MarteEchipajul trebuie să se adapteze condițiilor naturale ostile oamenilor:
Gravitația de pe Marte este egală cu 37,5% din cea a Pământului, ceea ce face posibilă ridicarea încărcăturilor relativ masive , dar necesită ușurarea costumelor spațiale existente care pe Lună erau acceptabile cu o greutate egală cu ~ 1/6 e la g .
EchipamentePentru șederea lor pe Marte, echipajul folosește mai multe tipuri de echipamente: un habitat în care trăiesc atunci când nu efectuează plimbări spațiale, roveruri sub presiune sau nepresurizate pentru a le permite să exploreze o regiune mai mare cu o productivitate mai bună, o centrală electrică pentru a produce energie și , opțional, instrumente științifice (stație meteorologică, laborator), echipamente pentru a permite utilizarea resurselor in situ (producerea de oxigen sau apă din atmosferă), un burghiu pentru a aduce miezuri de la sol, rover-uri robotizate controlate de la distanță ...
Echipaj de 6 Landeri cu o capacitate de 40 t . |
Echipaj de 4 Landeri cu o capacitate de 20 t . |
|||
---|---|---|---|---|
Echipament | Număr | Masa unitară | Număr | Masa unitară |
Consumabile | - | 7.940 kg | - | 7.940 kg |
Material științific | - | 1.200 kg | - | 1.200 kg |
Roverii robotici | 2 | 200 kg | 2 | 200 kg |
Masina de gaurit | 1 | 250 kg | 1 | 250 kg |
Rover nepresurizat | 1 | 200 kg | 1 | 200 kg |
Rovers sub presiune | 2 | 7.500 kg | 2 | 7.500 kg |
Sistem de transfer de combustibil | - | - | 2 | 400 kg |
Habitat | 1 | 24.560 kg | 1 | 19.870 kg |
Centrală electrică | 2 | 7.800 kg | 2 | 7.800 kg |
ISRU | 1 | 1230 kg | 2 | 1230 kg |
Lansatorul / capsula revine pe orbită (gol) | 1 | 9-12 t . | 1 | 9-12 t . |
Ergols | - | 8-10 t . | - | 8-10 t . |
Habitatul include un ecluză pentru ieșirile pe solul marțian. În anumite scenarii, inclusiv cel al NASA, o ofertă gonflabilă (deci ușoară pentru transport) face posibilă creșterea volumului disponibil. Habitatul trebuie să aibă rezervele necesare, apă și oxigen pentru o ședere de 500 de zile. Nu este posibil în acest stadiu să se producă fructe sau legume pe loc. Raportul NASA recomandă ca fiecare membru al echipajului să aibă un spațiu personal care include pe lângă patul său un spațiu pe care îl poate personaliza, un birou, un computer, precum și un dulap de depozitare pentru lucrurile personale. Spațiul ar trebui să fie amenajat nu numai astfel încât să se poată odihni, ci și să se relaxeze și să desfășoare activități personale. Pentru a permite fiecărui astronaut să aibă un spațiu de confidențialitate, limitând în același timp riscul unei tendințe de izolare, raportul recomandă camere pentru 2 persoane cu o partiție detașabilă care să permită tăierea camerei la cerere. 2. Se știe puțin despre efectul lui Marte. gravitația redusă (0,38 g ) pe perioade lungi de timp și cercetările în acest domeniu trebuie continuate. Este sigur că habitatul va trebui să ofere echipajului echipament pentru exerciții fizice pentru a combate efectele gravitației scăzute. Trăgând lecții din instalațiile din stația spațială, NASA recomandă ca aceste echipamente să includă o parte jucăușă, astfel încât să nu provoace oboseală și să fie instalate într-o cameră bine ventilată și departe de principalele rute de trafic din habitat.
Două habitate marțiene (sursa NASA)
Producția de energie electrică de către un generator nuclear (sursa NASA)
Exemplu de rover sub presiune (sursa NASA V5)
Utilizarea vehiculelor motorizate pe solul marțian este justificată din mai multe motive. Căutarea unui loc de aterizare favorabil și, prin urmare, plat riscă să impună un loc de instalare departe de siturile de interes științific, dar caracterizat cel mai adesea prin reliefuri sau escarpări. Pe de altă parte, în timpul unui sejur de 18 luni, este probabil ca toate siturile aflate la câțiva pași să fi fost explorate chiar dacă numărul de pasaje spațiale va rămâne limitat. În cele din urmă, un vehicul face posibilă reducerea timpului petrecut călătorind către un sit, îmbunătățind astfel productivitatea muncii științifice și, de asemenea, reducând consumabilele folosite prin limitarea efortului fizic impus astronauților. Ca parte a programului Apollo , s-a măsurat că utilizarea rover-ului a dus la un câștig semnificativ de la o distanță de 100 de metri.
În funcție de scenariu, echipajul are unul sau mai multe vehicule care își pot mări raza de explorare. Poate fi nepresurizat și ușor ca roverul lunar sau sub presiune cu o autonomie mai mare. Echipajul vehiculului nepresurizat l-a folosit cu costumul lor spațial. Acest tip de vehicul poate avea rezervoare care să permită reumplerea consumabilelor (energie, apă, oxigen). Vehiculul are un sistem de navigație și telecomunicații; permite transportul instrumentelor și probelor. Echipamentele de foraj pot fi transportate într-o remorcă specială. Vehiculul sub presiune mărește considerabil gama de acțiune și durata expedițiilor. În scenariile NASA sunt recomandate două rover-uri de același tip pentru a permite repararea unui vehicul de către vehiculul dublu.
Cantitatea de energie necesară pentru funcționarea unui rover este o constrângere majoră pentru rover-urile sub presiune care ar fi alimentate cu motoare electrice care funcționează pe baterii. Astfel, potrivit NASA, un rover de dimensiuni medii (7 x 4 m ) care poate transporta două persoane pentru explorări care durează o săptămână în timp ce călătoresc 100 km în autonomie totală (greutate 7,5 tone) trebuie să aibă 2, 5 tone de baterii și 400 m 2 panouri solare (instalate când staționează) dacă circulă cu o viteză medie de 3 km / h . Prin reducerea vitezei de deplasare la 0,5 km / h și folosind în plus generatoare de radioizotopi, suprafața panourilor solare ar putea fi redusă la 40 m 2 și masa bateriilor la 300 kg .
Producere de energieSistemul de producere a energiei joacă un rol central în misiunea marțiană. Este folosit pentru a opera echipamente de tip ISRU care produc combustibilul folosit de rachetă permițând astronauților să decoleze din nou, să încălzească și să opereze habitatul, să încarce diversele echipamente (burghiu, rover). Puterea electrică necesară este estimată la 92 kW de vârf pentru ISRU și la aproximativ 15 kW pentru utilizarea zilnică atunci când echipajul este la sol. Sunt avute în vedere două surse de energie: o mică centrală nucleară sau utilizarea panourilor solare.
Mai mulți factori au un impact semnificativ asupra puterii electrice furnizate de panourile solare. Soarele pe Marte datorită îndepărtării planetei de Soare este de două ori mai mic decât pe Pământ. Radiația solară este, de asemenea, filtrată constant de praful prezent în atmosfera marțiană, care devine mai densă în timpul furtunilor lungi. Acest praf se așează pe panourile solare pe tot parcursul șederii lor pe solul marțian, reducându-le eficiența. În cele din urmă, latitudinea locului de aterizare are o influență importantă asupra performanței panourilor.
Activități pe sol marțianDupă aterizare, echipajul, dacă a suferit o perioadă lungă de imponderabilitate în timpul tranzitului dintre Pământ și Marte, nu va fi disponibil pentru sarcini critice timp de câteva zile, dacă nu câteva săptămâni.
Trei strategii de explorareNASA a studiat trei strategii pentru explorarea lui Marte printr-o misiune pilotată, care diferă atât prin amploarea zonei explorate, cât și prin importanța pasajelor spațiale efectuate de echipaj:
Habitatul care, în faza de debarcare, și-a folosit rezervele interne limitate de energie din motive de greutate, trebuie să fie conectat rapid la o sursă de energie externă: panouri solare (care urmează să fie desfășurate) sau un generator nuclear. Sistemul de disipare a căldurii este în vigoare, precum și antenele de telecomunicații care permit comunicații de mare viteză cu Pământul, precum și cu modulele, vehiculele și sateliții aflați pe Marte. Sistemul de susținere a vieții în buclă închisă este în cele din urmă repornit sau altfel verificat. De îndată ce va avea capacitatea, echipajul va trebui să efectueze plimbări spațiale pentru a desfășura primele experimente în apropierea habitatului, a pune vehiculele transportate în stare de funcționare, a scoate echipamentele din calele navei. Dacă există un habitat gonflabil, acesta este instalat și conectat la restul habitatului.
ExplorarePrima activitate este geologia câmpului: ochiul și capacitatea umană de sinteză fac posibilă detectarea unor indicii pe care un robot nu le poate găsi. Omul poate alege rapid metoda de explorare în funcție de ceea ce vede și să implementeze instrumentele adecvate. O parte din explorare ar putea fi încredințată unor roboți care vor fi ghidați de operarea la distanță de către astronauți, de exemplu pentru a extinde zona explorată dincolo de limitele impuse de regulile de siguranță sau pentru a face o locație inițială. Probele colectate pot face obiectul unei analize inițiale într-un laborator la fața locului, în special pentru a identifica tipul de rocă, textura acesteia, componentele sale și prezența semnelor de viață ( fosile , structuri). Laboratorul va face posibilă studierea caracteristicilor volatile sau tranzitorii ale probelor care nu pot fi observate la sfârșitul revenirii pe Pământ.
Prezența bărbaților la fața locului face, de asemenea, posibilă efectuarea de măsurători geofizice și meteorologice : observarea detaliată a furtunilor de praf, sondaje seismice și radar pentru a studia structurile subterane, în special pentru a căuta prezența apei. Prezența omului permite poziționarea și calibrarea instrumentelor de măsurare cu precizie. Sondaje subterane profunde pot fi efectuate pentru a accesa straturi care conțin apă în stare stabilă, pentru a căuta nucleele de depozit sedimentare pentru prezența vieții extraterestre sau a caracteristicilor speciale, cum ar fi depozitele hidrotermale. Sondare rachete și baloane pot fi lansate pentru a studia atmosfera.
În cele din urmă, pot fi efectuate experimente pentru a testa utilizarea Marte de către oameni ca realizare a plantațiilor pe solul marțian. Studiile medicale sunt efectuate pe astronauți pentru a analiza adaptarea omului la mediul marțian atât în ceea ce privește sănătatea, cât și abilitățile sale.
Explorarea mai multor situri pe o rază mare în jurul habitatului este o condiție prealabilă pentru succesul științific al expediției. NASA, în scenariul său de referință, prevede explorări efectuate pe o rază de 100 km : este planificată efectuarea în timpul acestor expediții foraj la o adâncime de 100 de metri. Expedițiile pe distanțe lungi sunt pregătite pentru a optimiza timpul petrecut la fața locului: studiul citirilor prin satelit, expedierea roboților acționați de la distanță pentru a găsi cea mai bună cale de acces și a face o evaluare inițială a interesului prezentat de un site. Disponibilitatea vehiculelor este esențială, precum și cea a unui sistem de navigație care permite astronautului să își găsească drumul în jurul său. Costumul spațial trebuie să ofere astronautului suficientă libertate de mișcare pentru a-i permite să-și îndeplinească sarcinile fără efort. Intervalul de acțiune al echipajului este determinat de vehiculele desfășurate, dar și de capacitatea și disponibilitatea unui vehicul de salvare care trebuie să poată recupera o expediție în dificultate paralizată de o defecțiune a echipamentului sau de un accident. Dacă nu este prevăzut niciun vehicul de urgență, limita de călătorie este stabilită de capacitatea astronauților de a reveni pe jos în habitat. Expedițiile includ întotdeauna cel puțin 2 astronauți, iar membrii echipei sunt disponibili în habitat pentru a asigura o vizionare radio permanentă și pentru a participa la o expediție de salvare. Expedițiile ar trebui să fie planificate în funcție de anotimpuri. Nu este recomandat să ieșiți noaptea sau în timpul unei furtuni de praf. Uneltele (în special instrumentele de foraj), vehiculele și costumele spațiale trebuie să poată fi reparate la fața locului atunci când defecțiunea nu este prea complexă. Pentru a crește gama de acțiune a expedițiilor, un avanpost poate fi instalat în inima unei zone care urmează să fie explorată, permițând astronauților să-și scoată costumele spațiale, să se odihnească acolo, să-și completeze consumabilele. Acest avanpost poate fi un rover sub presiune sau un habitat gonflabil.
Munca de laborator Viața în habitat Întreținerea și repararea instalațiilor Pregătirile de returnarePentru a reveni pe Pământ, echipajul trebuie să se îndepărteze de gravitația marțiană și apoi să fie injectat pe o cale de întoarcere către planeta noastră. Sunt posibile mai multe scenarii. În așa-numitul scenariu „direct”, nava spațială care decolează de pe suprafața lui Marte este de asemenea folosită pentru revenirea pe Pământ. Acest lucru necesită, pe de o parte, o navă echipată pentru a permite echipajului să rămână pe parcursul celor 6 luni ale călătoriei de întoarcere și capabilă să efectueze o reintrare atmosferică la viteză mare în atmosfera Pământului și, pe de altă parte, un lansator suficient de puternic. navă scăpând de tragerea lui Marte. Acest scenariu este cel al lui Mars Direct, dar lipsa sa de realism (masa de lansat a fost prea importantă) l-a făcut în general să abandoneze în favoarea scenariului semi-direct de pe Marte. În aceasta, care este și cea recomandată de NASA, nava spațială lansată de pe suprafața lui Marte acționează doar ca un taxi și ancorată la nava spațială plasată pe orbita din jurul Marte și responsabilă pentru readucerea echipajului pe Pământ. În scenariul de referință al NASA, aceasta este o navă care a făcut călătoria de plecare, în timp ce în scenariul semi-direct, este o navă lansată doar pentru a asigura revenirea echipajului. Întâlnirea dintre cele două nave constituie una dintre cele mai riscante faze ale misiunii.
În cele două scenarii menționate mai sus, racheta care decolează de pe Marte folosește combustibili produși parțial la fața locului datorită micii fabrici chimice care extrage oxigenul din atmosfera marțiană de când nava a aterizat pe Marte, adică aproape 4 ani. NASA a studiat mai multe arhitecturi:
Misiunile echipate pe Marte au făcut obiectul unui număr mare de studii. Un document NASA din 2001 enumera aproape 1.000 de proiecte mai mult sau mai puțin detaliate, produse din 1950 în cadrul agenției spațiale americane sau în alte instituții.
Două scenarii de misiune cu echipaj pe Marte au fost până acum deosebit de detaliate la nivel tehnic: scenariul misiunii de referință NASA Design , a cărui primă versiune datează de la sfârșitul anilor 1990, a fost rafinat în mod regulat de atunci. Versiunea actuală (5.0) este cea a unei misiuni grele care necesită plasarea pe orbită terestră joasă între 850 și 1250 tone de sarcină utilă datorită lansării a zece rachete SLS. Scenariul asociației Mars Society care reunește entuziaști și creat de un profesionist spațial Robert Zubrin recomandă scenariul „Mars Direct” care are ca scop reducerea semnificativă a costurilor prin limitarea numărului de lansări la două sau trei (Mars Semi-Direct). în special la utilizarea modulelor multifuncționale, la reducerea dimensiunii echipajului și la un calcul mai precis al amenajărilor.
Caracteristică | Scenariul NASA | Scenariul Mars Direct |
---|---|---|
Dimensiunea echipajului | 6 | 4 |
Durata misiunii | 900 de zile, inclusiv 540 pe Marte (scenariu de conjuncție) | |
Numărul de lansări | Despre zece | 2 |
Ansamblu de orbită terestră joasă | da | Nu |
Masa pe orbita pământului joasă | aproximativ 1000 de tone | aproximativ 240 de tone |
Liturghie pe pământ marțian | aproximativ 80 de tone | |
Navă utilizată pentru transferul echipajului pe orbita Pământului | Orion | HAB |
Habitat utilizat pentru tranzitul Pământ-Marte | MTV | HAB |
Habitat folosit pe solul marțian | HAB | HAB |
Racheta folosită pentru urcare | VUL MEU | VRE |
Habitat utilizat pentru tranzitul Marte-Pământ | MTV | VRE |
Navă folosită pentru întoarcerea echipajului pe Pământ | Orion | VRE |
Tipul de propulsie Pământ-Marte | Nuclear termic (etapa NTR) | Chimic |
Gravitația artificială în timpul tranzitului | Nu | da |
Tehnica folosită pentru a pune pe orbită în jurul lui Marte | Aerocaptură / Propulsie | Aerocaptură |
Producția de energie pe Marte | Reactor nuclear | Reactor nuclear |
Rover | până la 5 rover-uri, inclusiv 2 robotizate și 2 sub presiune | Un mic rover sub presiune |
Tehnica folosită pentru coborârea pe solul lui Marte | În studiu | Nu este specificat |
Utilizarea resurselor locale pentru propulsori pentru racheta lansată de pe Marte | da | da |
În 2015, NASA a publicat un raport cu privire la strategia preconizată pentru realizarea unei misiuni cu echipaj pe sol marțian în anii 2030. Acest document, nu foarte precis cu privire la mijloacele tehnice puse în aplicare pentru misiunile marțiene propriu-zise, detaliază obiectivele care trebuie finalizate progresiv misiuni care includ zboruri circumlunare, capturarea unui asteroid și aterizarea pe satelitul marțian Phobos . Lansatorul greu SLS și nava interplanetară Orion , aflate în curs de dezvoltare în 2015, joacă un rol central.
În 2016, Elon Musk și-a prezentat misiunea pilotată pe proiectul Marte la o conferință din Mexic.
În 2010, închiderea din motive bugetare a programului Constelație , al cărei obiectiv era aducerea omului înapoi în solul lunar, pare să anunțe retragerea programului spațial american echipat pe orbită terestră joasă. Cu toate acestea, în același an, NASA a decis să continue dezvoltarea unui lansator SLS greu și a navei spațiale interplanetare Orion . Aceste nave spațiale vor fi utilizate pentru a îndeplini misiuni interplanetare de complexitate crescândă, cu scopul final de a depune oameni pe Marte. Strategia astfel definită, numită „Calea flexibilă” este mult mai progresivă decât cea prevăzută în proiectele anterioare marțiene. Înainte de a plasa omul pe Marte, este planificat să efectueze misiuni în jurul Lunii, pe asteroizii din apropiere și apoi pe luna marțiană Phobos pentru a dezvolta materiale și a câștiga experiență. Primele misiuni SLS și Orion în spațiul cislunar au fost definite treptat în următorii ani. Cu toate acestea, strategia pentru explorarea sistemului marțian rămâne vagă.
Misiuni intermediare: aterizarea unui echipaj pe suprafața unui asteroid și PhobosDouă tipuri de misiuni destinate pregătirii pentru misiunea marțiană sunt avute în vedere în cadrul Căii flexibile :
În octombrie 2015, NASA publică un raport intitulat „Călătoria NASA pe Marte, următorii pași de pionierat în explorarea spațiului”, care definește obiectivele principale și conceptele de misiune preconizate pentru a avea ca rezultat trimiterea unui echipaj pe solul marțian. Documentul propune o abordare gradată care integrează misiunile deja hotărâte și alegerile arhitecturale făcute în jurul lansatorului SLS greu și a navei spațiale interplanetare Orion . Nu detaliază mijloacele implementate pentru a ajunge și rămâne pe suprafața lui Marte și nu abordează problema finanțării acestui program marțian. Sunt identificate trei faze:
Pentru realizarea misiunii marțiene, NASA a identificat în raportul său o serie de decizii care trebuie luate, inclusiv cele deja luate:
Data scadenței | Decizie luată / de luat |
---|---|
Deciziile luate | Extindeți viața operațională a Stației Spațiale Internaționale până în 2024 |
Dezvoltați versiuni mai puternice ale lansatorului SLS: „Exploration Upper Stage”, apoi propulsoare de rapel mai puternice | |
Stabiliți un scenariu de bază pentru o misiune de captură a asteroidului | |
Alegerea scenariului de pre-desfășurare pentru navele de marfă și infrastructură | |
Deciziile care trebuie luate în anii următori | Elaborați un costum spațial pentru plimbări spațiale de la nava spațială Orion |
Definiți capacitatea habitatului utilizat în spațiul interplanetar | |
Selectați sistemul de propulsie utilizat pentru deplasarea în spațiul interplanetar | |
Identificați misiunile robotice marțiene care vor fi lansate după martie 2020 pentru a vă pregăti pentru o misiune cu echipaj pe solul marțian | |
Definiți viitoarele misiuni care pot fi avute în vedere în spațiul cislunar | |
Deciziile care urmează să fie luate în următorul deceniu | Definiți misiunile fazei 3 (Phobos, Marte ...) |
Definiți rolul tehnologiilor ISRU în logistica misiunilor marțiene | |
Proiectarea habitatelor depuse pe suprafața lui Marte | |
Dezvoltă sistemul de producere a energiei utilizat pe suprafața lui Marte |
Lansatorul greu SLS joacă un rol cheie în realizarea programului marțian. Ca parte a unui raport privind produsul finaliulie 2015(„Campania evolutivă pe Marte: Actualizarea stării la SLS Evolvability TIM”), NASA prezintă o cronologie a misiunilor de lansare succesive care oferă o perspectivă asupra modului în care agenția spațială intenționează să procedeze la realizarea unui echipaj de aterizare pe solul marțian. Trebuie folosite trei versiuni ale lansatorului SLS, de putere crescândă: blocul I (capacitate: 70 de tone pe orbită terestră joasă), blocul IB (105 t .) Și blocul II (130 t .).
Datat | Codul misiunii | Lansator | Încărcătură utilă | Obiectiv | Descriere suplimentară a misiunii (misiunilor) |
---|---|---|---|---|---|
2018 | EM-1 | SLS blocul I | Orion | Primul zbor de testare SLS Orion testat dincolo de orbita joasă |
Misiunea de a cislunar spațiul fără echipaj |
2020 | ARRM | SLS blocul I | Orion, modulul SEP și sistemul de captare a asteroizilor | Primul test al SEP (modul de propulsie electrică) | Captură de asteroid fără pilot. |
2021 | EM-2 | SLS bloc IB | Orion | Primul zbor SLS versiunea IB Primul zbor Orion cu echipaj |
Misiune Cislunar cu echipaj |
2022 | EM-3 | SLS bloc IB | Modulul Orion și habitat interplanetar | Primul test al modulului de habitat interplanetar | Misiune Cislunar cu echipaj |
2023 | EM-4 | SLS bloc IB | Modulul Orion și habitat interplanetar | Misiune Cislunar cu echipaj | |
2024 | EM-5 | SLS bloc IB | Modulul Orion și habitat interplanetar | Misiune Cislunar cu echipaj | |
2025 | EM-6 / ARM | SLS bloc IB | Sistem de captare Orion, SEP și asteroid | Captură de asteroid cu echipaj | |
2027-2028 | EM-7 și 8 | SLS bloc II | Modulul Orion și habitat interplanetar | Misiune Cislunar cu echipaj | |
2028 | X | SLS bloc II | Prototipul modulului descendență marțiană | Validarea tehnicilor de sosire pe solul marțian | Aterizarea pe Marte a unui modul greu fără pilot |
2028-2033 | X | SLS bloc II | Variat | Studiul in situ al lunii marțiene Phobos de către un echipaj Dezvoltarea a 7 din cele 16 componente majore necesare pentru misiunea pe Marte. |
10 zboruri SLS (inclusiv 2 cu echipaj) |
2034-2039 | X | SLS bloc II | Variat | Prima misiune a unui echipaj pe solul lui Marte | 12 zboruri SLS |
2038-2043 | X | SLS bloc II | Variat | A doua misiune a unui echipaj pe solul lui Marte | 10 zboruri SLS |
Între 1988 ( Studii de caz NASA ) și 2009, NASA a rafinat un scenariu de misiune cu echipaj pe Marte bazat pe lansarea succesivă pe orbita terestră joasă a diferitelor nave spațiale asamblate pe orbita terestră joasă și apoi direcționată spre Marte. Versiunea 5 a acestui scenariu este actualizată în mod regulat și un addendum a fost produs în 2014.
Cazul de referință V5 2009Cea mai recentă versiune a fost produsă în Februarie 2009(Mars Design Reference Architecture 5.0). Scenariul folosește cele două lansatoare în curs de dezvoltare ca parte a programului Constellation - Ares I proiectat pentru a lansa nave cu echipaj și Ares V capabile să pună 188 de tone de sarcină utilă pe orbită joasă - precum și nava spațială cu echipaj Orion .
Alegeri arhitecturaleCele mai structurate recomandări ale studiului sunt următoarele:
Lansarea data |
Sarcini utile | Componente utilizate pentru propulsie |
Masa totală pe orbita terestră joasă |
Numărul de lansări SLS distincte |
---|---|---|---|---|
t-28 luni | ||||
( 3 ) Habitat | ( 1 ) Etapa de propulsie nucleară ( 2 ) Rezervor fix de hidrogen |
246,2 t . | 2.5 | |
t-28 luni | ||||
( 3 ) Centrala nucleară ISRU cu stadiu de ridicare |
( 1 ) Etapa de propulsie nucleară ( 2 ) Rezervor fix de hidrogen |
246,2 t . | 2.5 | |
t | ||||
( 4 ) Habitat utilizat pentru tranzitul Pământ-Marte ( 5 ) Nava Orion ( 6 ) Sistem de telecomunicații, criocoolere și panouri solare ( 7 ) Port de andocare pentru nava care decolează de pe Marte |
( 1 ) Etapa de propulsie nucleară ( 2 ) Rezervor de hidrogen fix ( 3 ) Rezervor de hidrogen eliberabil |
356,4 t . | 4 |
Principalele caracteristici ale scenariului sunt următoarele (diagrama opusă):
Scenariul de referință al NASA se bazează pe o serie de inovații tehnice, a căror dezvoltare implică costuri semnificative, riscuri și întârzieri. O variantă care optează pentru o reutilizare mult mai mare a tehnologiilor disponibile este propusă în 2009. Principalele caracteristici ale acestui scenariu sunt următoarele:
Ca răspuns la o cerere din partea președintelui Statelor Unite, NASA a realizat un studiu asupra proiectelor de explorare pilotate ale Lunii și Marte care urmau să preia conducerea de la Stația Spațială Internațională . Raportul rezultat, numit studiu de 90 de zile , a propus un plan pe termen lung pentru a finaliza stația spațială internațională considerată un pas esențial și apoi a reveni pe Lună pentru a stabili o bază permanentă și, în cele din urmă, a trimite oameni pe Marte. Acest raport a fost criticat pe scară largă ca fiind prea ambițios și prea scump, iar toate fondurile destinate explorării umane dincolo de orbita Pământului au fost reduse de Congres.
Misiunea de referință NASA Design (sfârșitul anului 1990)La sfârșitul anilor 1990, NASA a definit mai multe scenarii de explorare cu echipaj pentru Marte. Una dintre cele mai notabile și deseori citate este Design reference mission 3.0 (DRM 3.0). Studiul a fost realizat de Echipa de explorare a Marte Johnson Space Center (JSC). Oamenii care reprezintă diferite centre de cercetare NASA au definit un scenariu de referință pentru explorarea umană a lui Marte. Planul descrie primele misiuni pe Marte prin dezvoltarea conceptelor utilizate și a tehnologiilor implementate. Acest studiu se bazează pe studii anterioare, în principal pe lucrările Grupului de sinteză (1991) și Zubrin (1991) pentru utilizarea combustibililor produși din atmosfera marțiană. Obiectivul principal al acestui studiu a fost de a stimula gândirea și descoperirea unor abordări alternative care pot îmbunătăți fezabilitatea, precum și reduce riscurile și costurile.
Misiunea de referință NASA Design 5.0 (2007)NASA a prezentat în acest document detaliile finale ale scenariului misiunii cu echipaj pe Marte . Aceasta a fost actualizată înianuarie 2009.
Scenariul Mars Direct a fost conceput pentru a demonstra că o misiune pilotată pe Marte ar putea fi realizată relativ ieftin (în comparație cu scenariile stabilite de NASA) folosind tehnologia existentă și o mare parte din ambarcațiuni.
Odată ajuns pe Marte, echipa petrece 18 luni la suprafață făcând cercetări științifice. La sfârșitul șederii, echipajul folosește ERV pentru a părăsi solul marțian și apoi a călători Marte-Pământ.
Costul Mars Direct a fost estimat la momentul definirii sale la 20 de miliarde de dolari, inclusiv costurile de dezvoltare, adică între 30 și 35 de miliarde de dolari astăzi.
De la începuturile astronauticii, au fost propuse un număr mare de scenarii de misiune.
Grele nave spațiale interplanetare cu echipaj (cunoscut rușilor sub acronimul TMK) a fost un vas de explorare, propusă în 1960, concepute pentru a zbura peste Marte și Venus fără aterizare. Nava spațială urma să fie lansată în 1971 și să îndeplinească o misiune de 3 ani. În timpul zborului peste Marte, sondele urmau să fie abandonate. Proiectul TMK a fost conceput ca răspuns la zborurile lunare americane. Proiectul nu a fost niciodată realizat, printre altele, deoarece a folosit lansatorul N1 care nu a reușit niciodată să zboare.
14 ianuarie 2004, un proiect de explorare a Lunii prin misiuni pilotate, intitulat Vision for Space Exploration , este publicat la inițiativa președintelui american George W. Bush . Acest program spațial propus prevede stabilirea unui avanpost pe Lună în jurul anului 2020. Misiunile anterioare din deceniul 2010-2020 ar trebui să permită dezvoltarea tehnicilor necesare. 24 septembrie 2007, Michael Griffin, pe atunci administrator al NASA , sugerează că, ca o continuare a acestui proiect, o misiune pilotată pe Marte ar putea fi lansată în jurul anului 2037. NASA intenționează, de asemenea, la momentul respectiv să lanseze misiuni pe Marte de pe Lună. Această opțiune este totuși exclusă, deoarece necesită instalarea unui complex industrial real pe satelitul nostru, care ar fi dificil de operat și de întreținut. Programul Constellation , care ar trebui să facă întoarcerea omului pe Lună o realitate, a fost lansat în 2004. Dar proiectul suferă de probleme de finanțare și de lipsa obiectivelor ambițioase. Într-un context de criză economică, președintele Obama a pus capăt programului Constelației, amânând orice încercare de misiune pe Marte la o dată foarte îndepărtată.
O serie de concepte și propuneri au fost făcute de oamenii de știință ruși . Datele lansării au fost între 2016 și 2020. Nava marțiană urma să transporte un echipaj de 4 până la 5 cosmonauți care urmau să rămână 2 ani în spațiu. În 2009, agențiile spațiale rusești și europene au finalizat un experiment psihologic ca parte a programului Mars500 constând în izolarea unui echipaj de 6 persoane (4 ruși, 1 german și 1 francez) timp de 105 zile pentru a simula o misiune marțiană. Înfebruarie 2010Agenția Spațială Federală Rusă (Roskosmos) anunță că un zbor cu echipaj către Marte nu face parte din programul spațial imediat al Rusiei, dar precizează că intenționează să dezvolte propulsoare cu energie nucleară pentru a ajunge rapid pe Marte.
Misiunea comună rusă și europeană O propunere pentru o misiune comună rusă și europeană făcută în 2002 se bazează pe expedierea a două nave, una transportând un echipaj de 6 persoane, cealaltă furnizând misiunea. Misiunea ar dura 440 de zile și va permite unui echipaj de 3 persoane să exploreze suprafața lui Marte timp de 2 luni. Întregul proiect a fost evaluat la 20 de miliarde de dolari, din care 30% au fost contribuiți de Rusia.Există un număr considerabil de studii publicate în reviste și lucrări ale congreselor științifice. Pot fi clasificate în funcție de tipul de propulsie propus pentru călătoria pe Marte: chimice, solare electrice, nucleare electrice, nucleare termice.
Semi-direct martiePropus inițial de Zubrin pentru remedierea criticilor făcute cu privire la Mars Direct (o navă prea grea când decolează de pe Marte, în special), acest scenariu a fost preluat în general de NASA în prima sa misiune de referință din 1997, precum și de Jean-Marc Salotti , într-o versiune „revizuită” în 2016. Ideea este, pentru călătoria exterioară, să trimiteți nava spațială pilotată să aterizeze direct pe Marte fără o programare pe orbita marțiană. Pentru întoarcere, o mică navă dedicată se întoarce pe orbita marțiană și se alătură unei nave mai mari aduse acolo doar pentru a efectua întoarcerea. Călătoria exterioară este directă și întoarcerea indirectă, de unde și termenul de semi-direct. Potrivit lui Jean-Marc Salotti, acest scenariu complet chimic cu 3 astronauți poate găzdui aerocaptura , ceea ce ar permite implementarea acestuia în 4 lansări grele de o rachetă SLS, în loc de 9 în scenariul NASA din 2014.
Pentru ca o misiune marțiană să aibă succes, cercetarea trebuie efectuată mai întâi la nivel științific și tehnic.
Trimiterea unei misiuni spațiale cu echipaj pe Marte necesită colectarea unei anumite cantități de date cu privire la condițiile predominante pe Marte pentru ca misiunea să aibă loc în condiții de cost, risc și performanță acceptabile. Investigațiile ar trebui să se concentreze pe patru tipuri de misiuni: