Traduction de l'anglais par Etienne Martinache
et Bertrand Spitz
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2 - Le Plan de Mission
Voyons à présent si le mode de mission du rendez-vous sur orbite lunaire (LOR), considéré comme nécessaire par beaucoup, est vraiment optimal pour une base Lunaire.
Le programme Apollo a utilisé le plan de rendez-vous sur orbite lunaire (LOR) pour réduire la masse totale de la mission. Mais remarquons qu'Apollo a employé des hypergols (propergols dont les ergols réagissent spontanément entre eux. Ex. : hydrazine et peroxyde d'azote.) peu performant pour toutes les manoeuvres propulsives postérieures à la manœuvre d'insertion sur trajectoire lunaire , un choix de conception qui augmente l'intérêt de stocker du propergol sur orbite basse lunaire. Cet avantage diminue fortement si l'on utilise des propergols plus performants comme les couples oxygène liquide(Lox)/hydrogène ou oxygène liquide (Lox)/méthane pour les manoeuvres propulsives postérieures à l'insertion sur trajectoire lunaire.
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| Images NASA |
En plus de ses avantages de masse, la mission avec retour direct augmente aussi la sécurité totale du programme. Dans ce mode, la fenêtre de lancement du vol de retour vers la Terre est toujours ouverte, il n'est pas nécessaire d'attendre la synchronisation des orbites. On élimine aussi le risque de l'échec d'une manoeuvre de rendez-vous sur orbite lunaire (qui mettrait en péril la vie de l'équipage). Les orbites lunaires sont instables, et les vaisseaux en attente sur ces orbites sont perdus s'ils ne sont pas utilisés à temps. Il y a aussi des choix douloureux en ce qui concerne l'entretien de vaisseau sur orbite. On peut décider de laisser quelqu'un à bord de l'orbiteur pour le surveiller, auquel cas on soumet délibérément un membre de l'équipage aux risques inhérents au vol spatial et aux effets néfastes de l'apesanteur et des radiations sans bénéficier en retour d'une capacité accrue d'exploration de la surface. Ou on peut décider de laisser l'orbiteur inhabité auquel cas on prend le risque de le perdre si un problème qui nécessite une intervention humaine survient quand il n'y a personne à bord.
Donc, pour un programme de base lunaire, le principe du retour direct est clairement préférable. Le tableau 1 permet de comparer les masses des deux plans de missions évoquées ci-dessus en fonction de 2 options de carburant. Il est basé sur les hypothèses que les 2 missions sont effectuées avec des lancements uniques avec un CEV d'une masse sèche de 9 tonnes et un module lunaire d'une masse de 5 tonnes. Dans le cas où l'on met en oeuvre la production de propergols locaux (In Situ Propellant Production ou ISPP), seule la production d'oxygène lunaire est envisagée. Le carburant brûlé avec l'oxygène (CH4 ou H2) sera transporté depuis la Terre.
Tableau 1 Masse Initiale sur LEO nécessaire pour effectuer des missions lunaires (en tonnes)
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Plan de mission |
Carburant pour retour |
Sans ISPP |
Avec ISPP |
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Rendez-vous sur orbite lunaire |
CH4 |
87,3 |
72,1 |
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H2 |
81,3 |
68,1 |
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Retour direct |
CH4 |
121,0 |
69,2 |
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H2 |
104,7 |
61,5 |
On voit dans le tableau 1 que si l'on ne met pas en œuvre d'ISPP la mission avec rendez-vous sur orbite lunaire est meilleure que la mission de retour direct en termes de masse absolue. Mais si l'on fait appel à l'ISPP, alors la mission de retour direct exige moins de masse que la mission avec rendez-vous sur orbite lunaire, et bénéficie d'un avantage majeur supplémentaire en efficacité de masse (c'est-à-dire en terme du rapport, nombre de personnes-jours sur la lune sur masse de la mission) à moins que la mission avec rendez-vous sur orbite lunaire ne soit disposée à courir le risque supplémentaire de laisser son CEV inhabité au cours de la descente sur la surface.
Le développement d'une base lunaire exigera aussi l'envoi (aller simple) sur le sol lunaire d'une grande quantité de cargaison. Ici encore le scénario de retour direct possède un gros avantage sur le scénario de rendez-vous sur orbite lunaire, car il peut utiliser, pour déposer sur la surface de gros modules d'habitation ou autres grands éléments de cargaison, le même grand atterrisseur standard qu'il utilise pour y déposer un CEV plein de propergol. Donc, dès la première mission, l'équipage disposera sur la Lune d'une infrastructure substantielle, ce qui augmentera ses capacités scientifiques, sa sécurité, et permettra donc des séjours en surface plus longs donc plus rentables. Par contre, dans le scénario de rendez-vous sur orbite lunaire, le module d'atterrissage a une capacité de cargaison bien moindre. Dès que l'on met en oeuvre l'ISPP, ces deux plans de mission peuvent transporter une quantité considérable de cargaison pour chaque vol habité (aucun d'eux n'en est capable sans ISPP), mais là encore la capacité de transport du plan de mission avec retour direct est triple de celle du plan de mission avec rendez-vous sur orbite lunaire.
Tableau 2 Capacité de transport de cargaison sur le sol lunaire (en tonnes)
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Plan de mission |
Carburant |
Masse en orbite |
Cargaison |
Cargaison |
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Rendez-vous sur orbite lunaire |
CH4 |
87,3 |
9,1 |
3,0 |
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H2 |
81,3 |
8,3 |
2,6 |
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Retour direct |
CH4 |
121,0 |
22,8 |
9,9 |
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H2 |
104,7 |
19,8 |
8,3 |
Comment obtenir une mobilité à long rayon d'action
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| Images NASA |
On voit donc que l'utilisation d'oxygène lunaire combinée à une architecture de mission avec retour direct conduit à augmenter d'un facteur 10 la rentabilité globale de la base lunaire. On peut ainsi prévoir des séjours en surface de longue durée, avec une grande quantité de matériel, et de visiter un grand nombre de sites différents par mission.
En outre, parce qu'il minimise le nombre d'opérations critiques, le plan de mission avec retour direct et lancement unique est considérablement moins risqué que le plan " quadruple ". Il est aussi nettement moins risqué que l'architecture de mission avec rendez-vous sur orbite lunaire à lancement unique, qui comme le plan "quadruple" est moins performant en capacité. De plus, le coût de développement et les coûts récurrents de la mission avec retour direct sont tous deux inférieurs aux coûts de développement et aux coûts récurrents des deux plans alternatifs. Bien qu'il faille effectivement développer un lanceur lourd de 120 tonnes sur orbite basse terrestre, on évite par contre le développement d'un nouveau système complet de transport spatial habité, le module lunaire, et on évite aussi de se payer un nouveau système pour chaque nouvelle mission lunaire.
Troquer le développement du module lunaire contre celui d'un lanceur lourd est une excellente affaire, car il faut de toute façon un lanceur lourd pour les missions habitées vers Mars, et pour toute une série d'autres objectifs nationaux (y compris un programme de très grande base lunaire). Le module lunaire ne permet par contre qu'une exploration restreinte de la lune.
Le plan " quadruple " aboutirait à un ensemble de missions inefficaces, coûteuses et infestées de problèmes techniques, qui ne nous mèneraient nulle part. Les missions avec retour direct et lancement unique fourniraient par contre un programme lunaire robuste et rentable qui permettrait le développement d'une partie significative du matériel pour aller sur Mars et au-delà.
| 1 - Le problème du lancement |  |
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3 - Évolution vers Mars |