Comment allez-vous survivre à un aller-retour vers Mars

Le 17 avril, la société SpaceX était sur le point de franchir l’une des grandes étapes de l’exploration spatiale : le premier essai en vol orbital du vaisseau. Vaisseau spatial et la fusée spatiale la plus puissante jamais créée, la Super Heavy. À peine 40 secondes avant le lancement, un problème de gel dans l’une des vannes de pressurisation de la fusée a conduit à l’annulation du vol jusqu’à la prochaine fenêtre de lancement. lancementprévue le 20 avril.

Si tout se passe comme prévu, le vaisseau sera propulsé par le Super Heavy pendant environ 3 minutes. À partir de là, les deux seront découplés. La fusée atterrira en mer près du golfe du Mexique, tandis que l’avion poursuivra sa trajectoire jusqu’à ce qu’il atteigne l’orbite terrestre entre 150 et 250 km d’altitude. Après une heure et demie de vol (sans terminer l’orbite), il tombera dans l’océan Pacifique, à environ 400 km de l’île de Kauai, à Hawaï.

Pourtant, l’ambition de SpaceX et de son PDG, Elon Musk, est d’atteindre Mars avec une mission habitée. Non seulement atteindre, mais aussi revenir sur Terre, ce qui représente un défi technologique jamais relevé dans l’histoire de l’exploration spatiale.

L’important est de revenir de Mars

L’un des principaux défis est la conception de votre bouclier thermique. La principale exigence à respecter, outre la garantie de la survie de la charge utile ou des astronautes qu’elle transporte, est de permettre la réutilisation du vaisseau pour le retour sur Terre. À ce jour, tous les engins spatiaux qui ont utilisé un bouclier thermique similaire ont été exposés à une seule manœuvre de rentrée dans l’atmosphère terrestre. Dans ce cas, il devrait en subir deux : celui martien et celui de retour à la surface terrestre.

Les programmes spatiaux ont utilisé des capsules de rentrée de conceptions similaires pendant des décennies, y compris les capsules Mercure, Gémeaux, Apollon, Orion et la gélule Dragon de SpaceX. Tous ont besoin d’un bouclier thermique pour dissiper la chaleur générée lors de la rentrée, qui peut représenter jusqu’à 50% de sa structure.

Les boucliers thermiques utilisent des matériaux ablatifs, qui se décomposent pour dissiper la chaleur transmise à la capsule par le flux de gaz à grande vitesse entourant le véhicule. Lors de la rentrée, des températures allant jusqu’à 3 000 ºC peuvent être atteintes à la surface du bouclier, ce qui est incompatible avec les astronautes vivant à l’intérieur. La réponse combinée du matériau ablatif et de la dissipation thermique par rayonnement devrait empêcher la structure de la capsule et son intérieur de surchauffer.

Les modules de rentrée pourraient-ils être utilisés pour un aller-retour ? Réelement non. Ceux-ci ne sont pas réutilisables, en raison de la forte dégradation qu’ils subissent pendant le vol.

Le programme de la navette spatiale Navette spatiale dans les années soixante-dix, cela signifiait la première étape du développement des véhicules de rentrée. L’objectif du bouclier thermique dans les deux cas était le même : minimiser le transfert de chaleur vers l’intérieur du véhicule. Cependant, les moyens utilisés différaient sensiblement car la navette spatiale suivait une trajectoire basée sur un vol soutenu, moins exigeant thermiquement, atteignant des températures plus basses.

La conception du bouclier reposait sur l’utilisation de diverses variétés d’isolants thermiques, principalement sous forme de tuiles, ce qui permettait un remplacement facile après la rentrée. Ces dalles étaient constituées d’un garnissage en fibres de silice très peu conductrices (pratiquement composées à 90% d’air) auquel on a donné la rigidité nécessaire grâce à un revêtement dont les propriétés lui ont également permis de maximiser la dissipation thermique par rayonnement.

La navette spatiale a été réutilisée après l’entretien correspondant entre les vols et, si nécessaire, les tuiles endommagées ont été remplacées par exactement les mêmes.

En un Voyage vers Mars, dans laquelle le Starship devra effectuer une manœuvre pour entrer dans l’atmosphère martienne, il faut s’attendre à ce qu’une partie du bouclier thermique se détériore en raison des températures élevées auxquelles il sera exposé. Un processus de réparation serait nécessaire avant de retourner sur Terre.

Cependant, ce n’était pas dans les plans d’Elon Musk. Dans ses mots : « Le vaisseau spatial doit être prêt à voler à nouveau immédiatement après l’atterrissage. Zéro rénovation.

Un vaisseau spatial à double peau

La première idée qui est venue à l’esprit des ingénieurs de SpaceX était absolument révolutionnaire : un vaisseau en acier inoxydable complètement exposé, sans aucune trace de bouclier thermique pour protéger le vaisseau lors de la rentrée. Comment devait-il être atteint ?

Si nous prenons la nature elle-même comme référence, nous pourrions nous demander comment le corps humain se refroidit. La sueur, essentiellement de l’eau, s’évapore lorsqu’elle entre en contact avec un environnement sec. Cependant, pour évaporer l’eau, elle a besoin d’énergie qu’elle puise dans notre propre corps, parvenant ainsi à maintenir sa température. Ce processus est appelé refroidissement par évaporation, quelque chose qui a été utilisé pendant des décennies dans l’industrie et dans les centrales thermiques et nucléaires comme mécanisme de refroidissement.

Si nous transférons cela à la conception du Starship, un vaisseau spatial à double peau pourrait être développé. Les plus externes seraient poreux, de sorte que lors de la rentrée un flux de méthane liquide circulerait entre eux, par exemple, étant donné la facilité avec laquelle il est possible de s’en procurer sur Mars. Le méthane absorberait une grande quantité de chaleur lors de la rentrée, s’évaporant et sortant du véhicule à travers les pores. Mais c’est trop complexe.

carreaux de type céramique

La complexité de ce type de solution a conduit SpaceX à opter pour un bouclier thermique passif qui présente de nombreuses similitudes avec la navette spatiale sur le plan conceptuel.

Les derniers tests montrent que pratiquement les deux tiers de la surface de l’engin spatial seront recouverts de plus de 18 000 tuiles (en l’occurrence en céramique) de forme hexagonale, disposées sur la structure en acier inoxydable. Une sorte de couverture en fibres de silice ou d’alumine sera placée entre les tuiles et la structure pour isoler la structure interne de l’extérieur, exposée à des températures plus élevées.

Ces tuiles sont fixées par trois points de jonction, en maintenant un certain mouvement relatif entre elles, sauf dans les parties les plus critiques du bâtiment, où un adhésif est utilisé pour réduire le risque de détachement.

L’homogénéité de la conception du bouclier permet de remplacer relativement facilement les tuiles endommagées par d’autres, sans avoir à disposer de pièces de rechange spécifiques pour chacune d’entre elles comme c’était le cas avec la navette spatiale.

Outre d’autres innovations en matière d’ingénierie et de technologie, le bouclier thermique du vaisseau ouvre la voie à un voyage vers Mars et à d’autres explorations spatiales à longue distance, qui pourraient s’avérer essentielles pour l’avenir de l’humanité dans l’espace.