vols spatiaux interplanétaires

Les vols spatiaux interplanétaires , ou voyages interplanétaires, sont des vols spatiaux ( avec ou sans équipage ) entre des corps appartenant à un même système planétaire . Un vol spatial devient interplanétaire lorsque le vaisseau spatial accélère au-delà de sa vitesse orbitale , atteignant la vitesse de libération par rapport à la Terre (11,2 km/s), se place sur une orbite héliocentrique , et éventuellement accélère davantage, souvent en effectuant des survols d'assistance gravitationnelle près de la Terre et d'autres planètes. La plupart des vols spatiaux actuels restent terrestres, et une part beaucoup plus faible est interplanétaire. Ces derniers sont tous effectués par des vaisseaux spatiaux sans équipage, et seuls quelques rares vols ont dépassé la vitesse de libération du système pour finalement aboutir à des vols interstellaires .

Système solaire , ainsi que les planètes naines Pluton et Cérès , et plusieurs astéroïdes . Les orbiteurs et les atterrisseurs fournissent davantage d'informations que les missions de survol. Des vols habités ont atterri sur la Lune et des missions vers Mars , Vénus et Mercure ont été planifiées à plusieurs reprises . Si de nombreux scientifiques reconnaissent la valeur des connaissances apportées par les vols non habités, l'intérêt des missions habitées est plus controversé. Les auteurs de science-fiction évoquent divers avantages, tels que l'exploitation minière des astéroïdes, l'accès à l'énergie solaire et la possibilité de coloniser la Terre en cas de catastrophe.

Plusieurs techniques ont été développées pour rendre les vols interplanétaires plus économiques. Les progrès de l'informatique et des sciences théoriques ont déjà permis d'améliorer certaines d'entre elles, tandis que de nouvelles propositions pourraient conduire à des gains de vitesse, à une consommation de carburant réduite et à une sécurité accrue. Les techniques de voyage doivent tenir compte des variations de vitesse nécessaires pour passer d'un corps à l'autre au sein du Système solaire. Pour les vols orbitaux, un ajustement supplémentaire est indispensable afin de correspondre à la vitesse orbitale du corps de destination. D'autres développements visent à optimiser le lancement et la propulsion des fusées, ainsi que l'utilisation de sources d'énergie non conventionnelles. L'exploitation des ressources extraterrestres pour l'énergie, l'oxygène et l'eau permettrait de réduire les coûts et d'améliorer les systèmes de survie.

Tout vol interplanétaire habité doit répondre à certaines exigences de conception. Les systèmes de survie doivent pouvoir maintenir la vie humaine pendant des périodes prolongées. Des mesures préventives sont nécessaires pour réduire l'exposition aux radiations et garantir une fiabilité optimale.

Des sondes spatiales téléguidées ont survolé toutes les planètes observées du Système solaire, de Mercure à Neptune . La sonde New Horizons a survolé la planète naine Pluton et la sonde Dawn orbite actuellement autour de la planète naine Cérès . Les sondes les plus éloignées, Voyager 1 et Voyager 2 , ont pénétré dans l'espace interstellaire le 8 décembre 2018, tandis que Pioneer 10 , Pioneer 11 et New Horizons sont en voie de l'atteindre également.

En général, les orbiteurs et atterrisseurs planétaires fournissent des informations beaucoup plus détaillées et complètes que les missions de survol. Des sondes spatiales ont été placées en orbite autour des cinq planètes connues depuis l' Antiquité : Vénus ( Venera 7 , 1970), Mars ( Mariner 9 , 1971), Jupiter ( Galileo , 1995), Saturne ( Cassini/Huygens , 2004) et, plus récemment, Mercure ( MESSENGER , mars 2011). Elles ont transmis des données sur ces corps et leurs satellites naturels .

La mission NEAR Shoemaker, lancée en 2000, s'est placée en orbite autour du grand astéroïde géocroiseur 433 Eros et a même réussi à s'y poser, bien que cette manœuvre n'ait pas été prévue lors de sa conception. En 2005, la sonde japonaise Hayabusa , propulsée par un moteur ionique, s'est également placée en orbite autour du petit astéroïde géocroiseur 25143 Itokawa , s'y posant brièvement et rapportant sur Terre des fragments de sa surface. Une autre mission à moteur ionique, Dawn , s'est placée en orbite autour du grand astéroïde Vesta (juillet 2011 – septembre 2012) avant de se diriger vers la planète naine Cérès , où elle est arrivée en mars 2015.

Des atterrisseurs télécommandés tels que Viking , Pathfinder et les deux rovers d'exploration martienne se sont posés à la surface de Mars, et plusieurs sondes Venera et Vega ont atterri sur Vénus, ces dernières déployant des ballons dans l'atmosphère de la planète. La sonde Huygens s'est posée avec succès sur Titan , lune de Saturne .

Aucune mission habitée n'a encore été envoyée vers une planète du système solaire. Le programme Apollo de la NASA a toutefois permis à douze hommes de se poser sur la Lune et de la ramener sur Terre . La Vision américaine pour l'exploration spatiale , initialement proposée par le président américain George W. Bush et mise en œuvre par le biais du programme Constellation , avait pour objectif à long terme d'envoyer des astronautes sur Mars. Cependant, le 1er février 2010, le président Barack Obama a proposé d'annuler ce programme pour l'exercice budgétaire 2011. Un projet antérieur, ayant fait l'objet d'une planification approfondie par la NASA, prévoyait un survol habité de Vénus dans le cadre de la mission Manned Venus Flyby (MVF) , mais il a été annulé lorsque le programme Apollo a été abandonné en raison des restrictions budgétaires de la NASA à la fin des années 1960.

Les coûts et les risques des voyages interplanétaires font l'objet d'une large publicité ; parmi les exemples spectaculaires, citons les dysfonctionnements ou les échecs complets de sondes sans équipage humain, telles que Mars 96 , Deep Space 2 et Beagle 2 (l'article Liste des sondes du système solaire en donne une liste complète).

De nombreux astronomes, géologues et biologistes estiment que l'exploration du Système solaire apporte des connaissances inaccessibles par l'observation depuis la surface terrestre ou l'orbite terrestre. Cependant, ils divergent quant à la justification des coûts et des risques encourus par les missions habitées. Les détracteurs des vols spatiaux habités affirment que les sondes robotisées sont plus rentables, produisant davantage de connaissances scientifiques par dollar dépensé ; les robots ne nécessitent pas de systèmes de survie coûteux, peuvent être envoyés pour des missions sans retour et leurs capacités s'accroissent grâce aux progrès de l'intelligence artificielle. D'autres soutiennent que les astronautes ou les scientifiques embarqués dans l'espace, conseillés par des scientifiques restés sur Terre, peuvent réagir avec plus de souplesse et d'intelligence face aux caractéristiques nouvelles ou inattendues de la région explorée.

Certains membres du grand public valorisent les activités spatiales principalement pour les bénéfices concrets qu'elles peuvent leur apporter, à eux-mêmes ou à l'humanité dans son ensemble. Jusqu'à présent, les seuls bénéfices de ce type ont été des retombées technologiques, des technologies développées pour les missions spatiales et qui se sont révélées au moins aussi utiles dans d'autres domaines. Cependant, le soutien du public, du moins aux États-Unis, demeure plus important pour la recherche scientifique fondamentale que pour les vols spatiaux habités ; un sondage réalisé en 2023 a révélé que les Américains classent la recherche fondamentale au troisième rang de leurs priorités pour la NASA, après la surveillance des astéroïdes menaçant la Terre et la compréhension du changement climatique. Le soutien à la recherche scientifique est environ quatre fois supérieur à celui accordé aux vols habités vers la Lune ou Mars.

Outre les retombées économiques, les autres motivations pratiques des voyages interplanétaires relèvent davantage de la spéculation. Cependant, les auteurs de science-fiction ont souvent fait preuve d'une grande justesse dans la prédiction des technologies futures, comme par exemple les satellites de communication géostationnaires ( Arthur C. Clarke ) et de nombreux aspects de l'informatique ( Mack Reynolds ).

De nombreuses œuvres de science-fiction décrivent en détail comment l'humanité pourrait extraire des minéraux des astéroïdes et de l'énergie de diverses sources, notamment des panneaux solaires orbitaux (non gênés par les nuages) et le champ magnétique extrêmement puissant de Jupiter. Certains affirment que de telles techniques pourraient être le seul moyen d'assurer une amélioration du niveau de vie sans être freinée par la pollution ou l'épuisement des ressources terrestres (comme le pic pétrolier ).

Il existe aussi des motivations non scientifiques pour les vols spatiaux habités, comme l'aventure ou la croyance que les humains ont une destinée spirituelle dans l'espace.

Enfin, l'établissement de colonies totalement autosuffisantes dans d'autres parties du Système solaire pourrait, si cela s'avérait possible, empêcher l'extinction de l'espèce humaine suite à divers événements (voir Extinction humaine ). L'un de ces événements est l'impact d'un astéroïde, comme celui qui pourrait avoir provoqué l' extinction Crétacé-Paléogène . Bien que différents projets Spaceguard surveillent le Système solaire à la recherche d'objets susceptibles de s'approcher dangereusement de la Terre, les stratégies actuelles de déviation des astéroïdes sont rudimentaires et n'ont pas été testées. De plus, les chondrites carbonées sont très noires et donc très difficiles à détecter. Bien que considérées comme rares, certaines chondrites carbonées sont de grande taille et l' astéroïde suspecté d'avoir causé l'extinction des dinosaures pourrait bien avoir été une chondrite carbonée.

Certains scientifiques, dont des membres du Space Studies Institute , affirment que la grande majorité de l'humanité vivra un jour dans l'espace et en tirera profit.

L'un des principaux défis des voyages interplanétaires est de produire les très grands changements de vitesse nécessaires pour passer d'un corps à l'autre dans le système solaire.

En raison de l'attraction gravitationnelle du Soleil, un vaisseau spatial s'éloignant du Soleil ralentit, tandis qu'un vaisseau spatial s'en rapprochant accélère. De plus, comme deux planètes quelconques sont à des distances différentes du Soleil, la planète de départ du vaisseau spatial orbite autour du Soleil à une vitesse différente de celle de la planète de destination (conformément à la troisième loi de Kepler ). De ce fait, un vaisseau spatial souhaitant se rendre sur une planète plus proche du Soleil doit considérablement réduire sa vitesse par rapport à celui-ci afin de l'intercepter, tandis qu'un vaisseau spatial se rendant sur une planète plus éloignée du Soleil doit augmenter sensiblement sa vitesse. Enfin, si le vaisseau spatial souhaite se mettre en orbite autour de la planète de destination (au lieu de simplement la survoler), il doit adopter la même vitesse orbitale que la planète autour du Soleil, ce qui nécessite généralement une autre variation de vitesse importante.

Procéder par la seule force brute – accélérer sur le chemin le plus court vers la destination puis s'aligner sur la vitesse de la planète – exigerait une quantité colossale de carburant. Or, ce carburant nécessaire aux changements de vitesse doit être lancé avec la charge utile ; il faut donc encore plus de carburant pour placer en orbite à la fois le vaisseau spatial et le carburant requis pour son voyage interplanétaire. C'est pourquoi plusieurs techniques ont été mises au point afin de réduire la consommation de carburant pour les voyages interplanétaires.

À titre d'exemple des variations de vitesse impliquées, un vaisseau spatial voyageant d'une orbite terrestre basse vers Mars en suivant une trajectoire simple doit d'abord subir une variation de vitesse (également appelée delta-v ), en l'occurrence une augmentation, d'environ 3,8 km/s. Ensuite, après avoir intercepté Mars, il doit modifier sa vitesse de 2,3 km/s supplémentaires afin de s'aligner sur la vitesse orbitale de Mars autour du Soleil et de se placer sur son orbite. À titre de comparaison, le lancement d'un vaisseau spatial en orbite terrestre basse nécessite une variation de vitesse d'environ 9,5 km/s.

Transferts de Hohmann

Pendant de nombreuses années, les voyages interplanétaires économiques ont reposé sur l'utilisation de l' orbite de transfert de Hohmann . Hohmann a démontré que le chemin le moins énergivore entre deux orbites est une orbite elliptique tangente aux orbites de départ et d'arrivée. Une fois le vaisseau spatial arrivé à destination, une seconde poussée permet de recirculariser l'orbite au nouvel emplacement. Dans le cas des transferts planétaires, cela consiste à diriger le vaisseau spatial, initialement sur une orbite quasi identique à celle de la Terre, de sorte que l' aphélie de l'orbite de transfert se situe de l'autre côté du Soleil, près de l'orbite de l'autre planète. Un vaisseau spatial voyageant de la Terre à Mars par cette méthode atteindra l'orbite martienne en environ 8,5 mois. Cependant, la vitesse orbitale étant plus élevée près du centre de masse (c'est-à-dire du Soleil) et plus faible loin de celui-ci, le vaisseau se déplacera assez lentement et une faible poussée suffira à le placer sur une orbite circulaire autour de Mars. Si la manœuvre est correctement synchronisée, Mars « arrivera » sous le vaisseau spatial à ce moment précis.

Le transfert de Hohmann s'applique à toutes les orbites, et pas seulement à celles impliquant des planètes. C'est par exemple la méthode la plus courante pour transférer des satellites en orbite géostationnaire après leur mise en orbite terrestre basse . Cependant, ce transfert prend un temps équivalent à la moitié de la période orbitale de l'orbite extérieure. Dans le cas des planètes extérieures, cela représente plusieurs années, une attente trop longue. De plus, il repose sur l'hypothèse que les points d'arrivée et de départ sont sans masse, comme c'est le cas lors d'un transfert entre deux orbites terrestres. Avec une planète à destination, les calculs deviennent considérablement plus complexes.

Aérofreinage

L'aérofreinage utilise l' atmosphère de la planète cible pour ralentir un vaisseau spatial. Cette technique a été employée pour la première fois lors du programme Apollo , où les vaisseaux spatiaux, au lieu d'entrer en orbite terrestre, effectuaient une descente verticale en forme de S (descente initiale abrupte, suivie d'une stabilisation, puis d'une légère remontée, avant de reprendre une vitesse de descente positive et d'amerrir dans l'océan) à travers l'atmosphère terrestre afin de réduire leur vitesse jusqu'au déploiement des parachutes, permettant ainsi un atterrissage en toute sécurité. L'aérofreinage ne nécessite pas une atmosphère dense ; par exemple, la plupart des atterrisseurs martiens utilisent cette technique, et l'atmosphère de Mars est environ 1 % plus dense que celle de la Terre.

L'aérofreinage convertit l'énergie cinétique du vaisseau spatial en chaleur ; un bouclier thermique est donc nécessaire pour éviter sa combustion. Par conséquent, l'aérofreinage n'est utile que lorsque la quantité de carburant nécessaire pour transporter le bouclier thermique jusqu'à la planète est inférieure à celle requise pour freiner un vaisseau non protégé en allumant ses moteurs. On peut remédier à ce problème en créant des boucliers thermiques à partir de matériaux disponibles à proximité de la cible.

Plusieurs technologies ont été proposées, permettant à la fois des économies de carburant et des déplacements nettement plus rapides que la méthode traditionnelle utilisant les transferts de Hohmann . Certaines restent encore théoriques, mais plusieurs approches théoriques ont été testées au fil du temps lors de missions spatiales. Par exemple, la mission Deep Space 1 a permis de tester avec succès un moteur ionique . Ces technologies améliorées se concentrent généralement sur un ou plusieurs des aspects suivants :

• Des systèmes de propulsion spatiale bien plus économes en carburant permettraient de voyager beaucoup plus vite tout en maintenant le coût du carburant à un niveau acceptable.
• Utiliser l'énergie solaire et les ressources in situ pour éviter ou minimiser la tâche coûteuse que représente le transport des composants et du carburant depuis la surface de la Terre, contre la gravité terrestre (voir « Utilisation des ressources non terrestres », ci-dessous).
• De nouvelles méthodologies d'utilisation de l'énergie à différents endroits ou de différentes manières peuvent raccourcir le temps de transport ou réduire le coût par unité de masse du transport spatial

Outre le fait de rendre les voyages plus rapides ou moins coûteux, de telles améliorations pourraient également permettre de plus grandes « marges de sécurité » en matière de conception, en réduisant l'impératif de rendre les engins spatiaux plus légers.

Concepts de fusées améliorés

équation de Tsiolkovski , qui définit la vitesse caractéristique disponible en fonction de la vitesse d'éjection des gaz et du rapport des masses, de la masse initiale ( _{M₀ ,} avec carburant) à la masse finale ( M₁ , carburant épuisé). Il en résulte principalement que des vitesses de mission supérieures à quelques fois la vitesse d'éjection des gaz du moteur-fusée (par rapport au véhicule) deviennent rapidement impraticables, car la masse à vide (masse de la charge utile et de la fusée sans carburant) chute à moins de 10 % de la masse totale de la fusée avec carburant.

fusées thermiques nucléaires et solaires thermiques

Dans une fusée nucléaire thermique ou solaire thermique , un fluide de travail, généralement de l'hydrogène , est chauffé à haute température, puis se détend à travers une tuyère pour générer la poussée . L'énergie ainsi produite remplace l'énergie chimique des réactifs d'un moteur-fusée classique . Grâce à la faible masse moléculaire et, par conséquent, à la vitesse thermique élevée de l'hydrogène, ces moteurs sont au moins deux fois plus efficaces en termes de consommation de carburant que les moteurs chimiques, même en tenant compte du poids du réacteur.La Commission américaine de l'énergie atomique et la NASA ont testé plusieurs prototypes entre 1959 et 1968. Conçus pour remplacer les étages supérieurs du lanceur Saturn V , les prototypes de la NASA ont toutefois révélé des problèmes de fiabilité, principalement dus aux vibrations et à l'échauffement engendrés par le fonctionnement des moteurs à des niveaux de poussée aussi élevés. Des considérations politiques et environnementales rendent improbable l'utilisation d'un tel moteur dans un avenir proche, car les fusées thermiques nucléaires seraient surtout utiles à la surface de la Terre ou à proximité, et les conséquences d'un dysfonctionnement pourraient être catastrophiques. Les concepts de fusées thermiques à fission produisent des vitesses d'éjection inférieures à celles des concepts électriques et à plasma décrits ci-dessous, et sont donc moins intéressants. Pour les applications exigeant un rapport poussée/poids élevé, comme l'échappement planétaire, la propulsion thermique nucléaire est potentiellement plus intéressante.

propulsion électrique

Les systèmes de propulsion électrique utilisent une source externe, comme un réacteur nucléaire ou des cellules solaires, pour produire de l'électricité . Cette électricité sert ensuite à accélérer un propergol chimiquement inerte à des vitesses bien supérieures à celles atteintes par une fusée chimique. Ces systèmes produisent une faible poussée et ne conviennent donc pas aux manœuvres rapides ni aux lancements depuis la surface d'une planète. Cependant, leur faible consommation de masse leur permet de fonctionner en continu pendant des jours, voire des semaines, tandis que les fusées chimiques consomment la masse réactionnelle si rapidement qu'elles ne peuvent fonctionner que pendant quelques secondes ou minutes. Même un voyage vers la Lune est suffisamment long pour qu'un système de propulsion électrique surpasse une fusée chimique : les missions Apollo duraient trois jours aller-retour.

La mission Deep Space One de la NASA a été un test très concluant d'un prototype de moteur ionique , qui a fonctionné pendant 678 jours et a permis à la sonde de s'approcher de la comète Borrelly, un exploit impossible pour une fusée chimique. Dawn , la première mission opérationnelle (et non une simple démonstration technologique) de la NASA à utiliser un moteur ionique comme système de propulsion principal, a réussi à placer en orbite les grands astéroïdes de la ceinture principale , Cérès et Vesta . Une version plus ambitieuse, à propulsion nucléaire, était prévue pour une mission vers Jupiter sans équipage : la sonde JIMO ( Jupiter Icy Moons Orbiter ), dont le lancement était initialement prévu au cours de la décennie suivante. En raison d'un changement de priorités à la NASA, privilégiant les missions spatiales habitées, le projet a perdu son financement en 2005. Une mission similaire est actuellement à l'étude dans le cadre du volet américain d'un programme conjoint NASA/ESA pour l'exploration d' Europe et de Ganymède .

Une équipe d'évaluation des applications technologiques multicentrique de la NASA, dirigée par le Centre de vol spatial Johnson , a décrit en janvier 2011 « Nautilus-X », une étude de concept pour un véhicule d'exploration spatiale multimission destiné aux missions au-delà de l'orbite terrestre basse (LEO), d'une durée maximale de 24 mois pour un équipage de six personnes maximum. Bien que Nautilus-X soit adaptable à diverses unités de propulsion spécifiques à la mission, présentant différentes conceptions à faible poussée et à impulsion spécifique élevée ( _Isp ), la propulsion nucléaire ionique-électrique est présentée à titre d'illustration. Il est conçu pour être intégré et testé à bord de la Station spatiale internationale (ISS) et serait adapté aux missions spatiales lointaines depuis l'ISS vers et au-delà de la Lune, y compris les points de Lagrange Terre/Lune (L1) , Soleil/Terre (L2) , les astéroïdes géocroiseurs et l'orbite martienne. Il intègre une centrifugeuse à gravité réduite fournissant une gravité artificielle pour préserver la santé de l'équipage et atténuer les effets d'une exposition prolongée à l'apesanteur, ainsi que la capacité de réduire l'impact des radiations spatiales.

fusées à fission

Les missions à propulsion électrique déjà réalisées ou actuellement programmées utilisent l'énergie solaire , ce qui limite leur capacité à fonctionner loin du Soleil et leur accélération maximale en raison de la masse de la source d'énergie. Les moteurs nucléaires ou à plasma, fonctionnant pendant de longues périodes à faible poussée et alimentés par des réacteurs à fission, peuvent atteindre des vitesses bien supérieures à celles des véhicules à propulsion chimique.

fusées à fusion

Les fusées à fusion , propulsées par des réactions de fusion nucléaire , utiliseraient des combustibles légers tels que le deutérium, le tritium ou l'hélium ^-3 . La fusion libérant environ 1 % de l'énergie massique du combustible nucléaire, elle est énergétiquement plus avantageuse que la fission, qui ne libère qu'environ 0,1 % de cette énergie. Cependant, les technologies de fission et de fusion permettent en principe d'atteindre des vitesses bien supérieures à celles nécessaires à l'exploration du système solaire, et l'énergie de fusion attend encore d'être démontrée concrètement sur Terre.

L'un des projets utilisant une fusée à fusion était le projet Daedalus . Un autre système de véhicule relativement détaillé, conçu et optimisé pour l'exploration habitée du système solaire, « Discovery II » , basé sur la réaction D₃He mais utilisant l'hydrogène comme masse de réaction, a été décrit par une équipe du Centre de recherche Glenn de la NASA ^. Il atteint des vitesses caractéristiques supérieures à 300 km/s avec une accélération d'environ 1,7 × 10⁻³ ^g , une masse initiale d'environ 1 700 tonnes et une charge utile supérieure à 10 %.

Les fusées à fusion sont considérées comme une source probable de transport interplanétaire pour une civilisation planétaire .

Propulsion exotique

Consultez l' article sur la propulsion spatiale pour une analyse de plusieurs autres technologies qui pourraient, à moyen et long terme, constituer la base des missions interplanétaires. Contrairement aux voyages interstellaires , les obstacles aux voyages interplanétaires rapides relèvent davantage de l'ingénierie et de l'économie que de la physique fondamentale.