Mission de retour d'échantillons martiens

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Mission Mars sample return : la fusée chargée de ramener le conteneur à échantillons prête à être lancée
Mission Mars sample return : lancement.
Mission Mars sample return : le rover MAX-C chargé de prélever les échantillons de sol.
Mission Mars sample return : rover chargé de véhiculer les échantillons de MAX-C jusqu'au lanceur.

Une mission de retour d'échantillons martiens est une catégorie de mission spatiale robotisée qui a pour objectif la collecte d'échantillons de sol martien et leur retour sur Terre à des fins d'analyse. Ce type de mission est classée en tête des priorités de l'exploration du système solaire par les scientifiques depuis une vingtaine d'années mais n'a jamais reçu de concrétisation du fait de son coût, des défis techniques qu'il soulève et des risques d'échec élevés. La NASA etl'Agence spatiale européenne (ESA) ont travaillé sur une mission commune baptisée Mars sample return visant à ramener 500 grammes d'échantillons martiens sur Terre mais ce projet a été arrêté à la suite d'arbitrages budgétaires effectués par l'agence spatiale américaine. Ce type de mission est revenu d'actualité avec la décision de la NASA, annoncée fin 2012, de développer le rover de la mission Mars 2020 dont l'objectif est la collecte d'échantillons de sol martien. La récupération de ces échantillons n'est toutefois ni planifiée ni financée.

Enjeux scientifiques[modifier | modifier le code]

Une mission qui réaliserait le retour d'échantillons du sol martien sur Terre présente de nombreux avantages par rapport aux missions scientifiques utilisant des robots équipés de mini-laboratoires embarqués comme Mars Science Laboratory :

  • Faute de pouvoir miniaturiser les instruments les plus puissants (microscope électronique,...), ceux-ci ne sont disponibles que sur Terre
  • Certaines manipulations ne peuvent être automatisées
  • Le retour d'échantillons sur Terre permet de recommencer les analyses au fur et à mesure des progrès des outils d'investigation.

Les progrès dans l'étude de la planète Mars sont désormais conditionnés par une mission de retour sur Terre d'échantillons du sol martien. Aussi le rapport Planetary Science Decadal Survey rédigé en 2011 par la commission chargée d'établir les plans à long terme de la recherche spatiale planétaire, donne la priorité la plus forte à ce type de mission[1].

Contraintes techniques et financières[modifier | modifier le code]

Scénarios et contraintes techniques[modifier | modifier le code]

Le scénario "tout en un"[modifier | modifier le code]

Les premiers scénarios de retour d'échantillons martiens étudiés sont simples. Ils sont une copie du scénario suivi par la sonde spatiale soviétique Luna 16 pour ramener un échantillon de sol lunaire.

  • Une fusée unique est nécessaire
  • Elle lance un engin qui doit atterrir sur Mars
  • Celui-ci, arrivé à proximité de Mars, effectue une rentrée atmosphérique directe sans se placer en orbite, puis se pose sur Mars. L'atterrisseur comprend un système permettant de recueillir un échantillon du sol à proximité immédiate (l'atterrisseur n'est pas mobile) et une fusée pour le trajet du retour.
  • L'échantillon de sol est prélevé et stocké dans un conteneur situé au sommet de la fusée
  • Lorsque les positions de la Terre et de Mars permettent le transit entre les deux planètes soit un an et demi après l'atterrissage, la fusée décolle, s'arrache à l'attraction martienne, puis utilise sa propulsion pour se diriger vers la Terre.
  • Arrivée à proximité de la Terre, la sonde spatiale libère un véhicule de rentrée atmosphérique qui emporte le conteneur à échantillons et dont le rôle est de permettre à celui-ci de survivre au pic de chaleur tout en effectuant un atterrissage de précision.
  • Certains scénarios plus ambitieux incluent un rover transporté par l'atterrisseur et chargé d'identifier les échantillons de sol intéressants, de les prélever, de les conditionner et de les ramener pour transfert à bord de la fusée.

Mais Mars présente de grandes différences avec la Lune : elle est plus éloignée et nécessite donc plus de carburant à l'aller comme au retour, sa gravité est deux fois plus importante et la durée de la mission s'étale obligatoirement sur deux ans du fait de l'éloignement de Mars et de la Terre qui ne permet d'aller de l'une à l'autre que tous les deux ans.

Principaux éléments dimensionnant une mission de retour d'échantillon vers la Lune et Mars
Etape Lune Mars Impact
Lancement vers Lune/Mars Delta-V : 11 km/s Delta-V : 13 à 18 km/s Puissance du lanceur terrestre
Atterrissage Delta-V : 1,6 km/s Recours au freinage atmosphérique
Delta-V : quelques centaines m/s
Pour Mars Contrainte de masse à l’atterrissage (< ~1 tonne)
Mise en orbite Delta-V : 1,6 km/s Delta-V : 4,2 km/s Puissance de la fusée utilisée pour le retour
Insertion sur une trajectoire de retour Delta-V : 0,7 km/s Delta-V : 2,3 km/s Quantité d'ergols nécessaires
Rentrée atmosphérique vitesse de rentrée : 11 km/s vitesse de rentrée : 12 km/s Épaisseur (masse) du bouclier thermique
Durée de la mission quelques semaines >= 2 ans Résistance (longévité) des équipements, de la fusée utilisée pour le retour, source d'énergie sur Mars

Contraintes sur la masse à l’atterrissage sur Mars[modifier | modifier le code]

La présence d'une atmosphère autour de Mars permet d'utiliser les forces de trainée pour faire chuter la vitesse d'arrivée. Mais la densité très faible de l'atmosphère de Mars (1% de celle de la Terre) la place, pour le scénario de descente. Les contraintes techniques actuelles limitent à une tonne la masse qui peut être posée sur Mars[2].

Caractéristiques du lanceur tiré depuis le sol martien[modifier | modifier le code]

Cout[modifier | modifier le code]

Le scénario le plus récent de la NASA élaboré en 2009 (développé plus loin) et comportant trois lancements est évalué à environ 6,5 milliards $ soit plus de trois fois le cout d'une mission flagship comme MSL[3] :

  • 2,2 milliards $ pour le rover chargé d'identifier les portions de sol intéressantes, d'effectuer les carottages et de conditionner les échantillons (type MAX-C ou Mars 2020)
  • 1,4 milliards $ pour l'orbiteur chargé de récupérer le conteneur à échantillons puis de le convoyer jusqu'à la Terre
  • 2,4 milliards $ pour l'ensemble déposé sur le sol martien comprenant un rover chargé de récupérer le conteneur à échantillons, le mini lanceur chargé de la placer en orbite martienne et l'équipement permettant les opérations de lancement
  • 0,5 milliards $ pour le laboratoire dans lequel sont entreposés et étudiés les échantillons

Historique des projets[modifier | modifier le code]

Premiers projets[modifier | modifier le code]

Le scénario de la mission Mars sample return (2009)[modifier | modifier le code]

La fusée chargée de placer le conteneur à échantillon en orbite martienne comprend deux étages à propergol solide (1 et 2) et sa charge utile est constituée par le conteneur à échantillons (3).

Scénario[modifier | modifier le code]

La mission Mars sample return étudiée par la NASA a fait l'objet de nombreuses versions dont la plus aboutie impliquant l'Agence spatiale européenne a été annulée en 2012 à l'initiative de l'agence américaine. Le scénario de cette mission prévoyait trois lancements distincts[3] :

  • Un premier lanceur envoie vers la planète Mars un rover mi-lourd (la moitié de la taille de Curiosity), baptisé Mars Astrobiology Explorer-Cacher (ou MAX-C), chargé d'identifier les roches intéressantes sur le plan scientifique, de collecter les échantillons, et de les conditionner pour préparer leur récupération.
  • Une deuxième fusée lourde de la classe Ariane V/Atlas V 550 lance un orbiteur martien (3 tonnes dont 2 tonnes d'ergols) qui doit prendre en charge le trajet de retour de la capsule contenant les échantillons entre l'orbite martienne et l'orbite terrestre. Pour économiser une partie de la masse consacrée aux ergols, celui-ci se place en orbite autour de Mars en utilisant la technique de l'aérofreinage.
  • Un troisième lanceur lourd lance un engin spatial qui doit se poser sur le sol martien et dont la charge utile comprend :
    • un rover de petite taille (150 kg) chargé d'aller récupérer les échantillons du rover collecteur (MAX-C) et pouvant franchir la distance liée à l'imprécision de l'atterrissage. La distance maximale qu'il doit être capable de franchir est d'environ 20 km (aller-retour). Il dispose d'une année terrestre pour effectuer ce périple.
    • un mini-lanceur à deux étages à propergol solide (300 kg) capable de rejoindre l'orbite basse martienne avec le conteneur d'échantillon en charge utile dont la masse est estimée à 5 kg. Ce lanceur est stocké dans une coque qui doit maintenir sa température dans une fourchette réduite et qui doit lui permettre de séjourner un an à la surface. Ses deux étages sont stabilisés 3 axes par des propulseurs monoergol. Le lanceur haut de 2,5 mètres doit placer le conteneur sur une orbite basse elliptique de 500 x 100 km.
    • Un bras chargé de placer le conteneur au sommet du lanceur
    • Une plateforme de lancement (550 kg avec le bras)
  • Le mini lanceur rejoint l'orbite basse et l'orbiteur réalise un rendez-vous automatique sur les derniers mètres avec le conteneur à l'aide d'un détecteur optique et en se guidant grâce à un transpondeur implanté dans le conteneur. Le système de récupération a la forme d'un panier de basket dans lequel vient s'insérer le conteneur. Ce dernier est ensuite transféré dans la capsule de retour d'échantillon solidaire de l'orbiteur.
  • L'orbiteur utilise sa propulsion pour se placer sur une trajectoire de retour vers la Terre
  • La capsule contenant les échantillons est larguée à proximité de la Terre, effectue une rentrée atmosphérique et se pose sur le sol à grande vitesse sans parachute.

Après leur arrivée sur Terre, les échantillons sont entreposés dans un laboratoire de type P4 (niveau de sécurité cinq correspondant à une sécurité maximale). Les échantillons sont subdivisés en deux sous-ensembles dont l'un est stocké pour une période de 20 ou 30 ans, pour pouvoir profiter des progrès réalisés à cette échéance dans les techniques d'analyse. Les échantillons étudiés après leur arrivée sont analysés par l'intermédiaire de robots dans un environnement reproduisant les conditions martiennes.

Développement du projet[modifier | modifier le code]

Le projet est créé en 2009 dans la continuité du programme Mars Science Laboratory. La NASA prévoit de développer le rover MAX-C chargé de collecter des échantillons du sol et planifie une deuxième phase non financée pour la récupération. En 2010, pour faire face à des problèmes budgétaires, la NASA décide de fusionner son projet de rover avec celui de l'Agence spatiale européenne développé dans le cadre du programme ExoMars[4]. Mais la NASA décide finalement en 2011-2012 de renoncer à tout projet de retour d'échantillon martien.

Mars 2020[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Mars 2020.

À la suite du bon déroulement du rover Curiosity de la mission Mars Science Laboratory qui a atterri sur le sol martin fin 2012, la NASA décide de développer une deuxième mission permettant de capitaliser sur les développements effectués. La mission Mars 2020, qui doit être lancée par la NASA en 2020, constitue la première phase d'une mission de retour d'échantillons martiens. Il s'agit d'un astromobile (rover) développé par le centre JPL associé à l'agence spatiale américaine aux caractéristiques proches du rover Curiosity de la sonde Mars Science Laboratory mais dont le principal objectif est l'identification et la collecte d'échantillons du sol martien qui devraient être retournés sur Terre par une mission de retour d'échantillons qui n'est en 2013 ni financée ni planifiée[5].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Steve Squyres, « Visions and Voyages for Planetary Science in the Decade »,‎ mars 2011
  2. R. Braun et R Manning p.12-16
  3. a et b (en) Firouz Naderi, « Mars Sample Return Campaign: An Overview », NASA,‎ vers 2009
  4. Paul De Brem, « L'Europe relève le défi avec Exomars », Ciel et Espace, no 510,‎ novembre 2012
  5. « NASA Discusses Mars 2020 Plans In July 9 Teleconference », sur NASA,‎ 8 juillet 2013

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Scénarios
  • (en) Robert Zubrin et al., « A Comparison of Methods for the Mars Sample Return Mission », American Institute of Aeronautics and Astronautics,‎ 1996, p. 1-7 (lire en ligne)
    Comparaison des différents types de scénario (1996)
  • (en) Robert Oberto et al., « Mars Sample Return, A Concept Point Design by Team-X (JPL's Advanced Project Design Team) », IEEE,‎ 2002, p. 1-15 (lire en ligne)
    Scénario de la Team X du JPL en 2002
  • (en) H. Price et al., « Mars Sample Return Spacecraft Systems Architecture », NASA ?,‎ 1998 ?, p. 1-18 (lire en ligne)
    Scénario franco-américain fin des années 1990
  • (en) Firouz Naderi et al., « Mars Sample Return Campaign: An Overview », NASA,‎ 2009 ?, p. 1-31 (lire en ligne)
    Présentation du scénario de la NASA de 2009
  • Etudes consacrées à des aspects précis de la mission
  • (en) J. Withehead et al., « Defining the Mars Ascent Problem for Sample Return », American Institute of Aeronautics and Astronautics,‎ 8 août 2008, p. 1-10 (lire en ligne)
    Analyse des problèmes soulevés par le développement du lanceur chargé de placer les échantillons sur orbite martienne (2008)
  • (en) R. Braun et R Manning, Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges,‎ 2009 (lire en ligne)
    Description technique du problème soulevé par l'atterrissage sur Mars (EDL) et des solutions par 2 spécialistes
  • (en) Paulo Younse et al., « A Sample Handling, Encapsulation, and Containerization Subsystem Concept for Mars Sample Caching Missions », AIAA,‎ 2010, p. 1-56 (lire en ligne)
    Concepts de conditionnement et de stockage des échantillons de sol martiens (2010)
  • (en) Steven R. Oleson et al., « Mars Earth Return Vehicle (MERV) Propulsion Options », AIAA,‎ 2010, p. 1-56 (lire en ligne)
    Etude de la phase de retour sur Terre (2010)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]