par Robert Zubrin

Avril 2005

Le Président Bush a demandé à la NASA de mettre en œuvre un programme d'exploration humaine de la Lune avec le double objectif de soutenir des opérations lunaires et de développer les technologies qui rendront possibles des missions martiennes habitées. Le problème est de savoir comment tout cela doit être réalisé.

Il faut résoudre trois problèmes essentiels : la stratégie du lancement, l'architecture des missions lunaires et les capacités d'évolution de l'exploration lunaire vers l'exploration martienne.

En ce qui concerne la stratégie de lancement, la question cruciale est de savoir si, oui ou non, il nous faut un lanceur lourd (Heavy Lift Vehicle ou HLV). Actuellement, ceux qui s'opposent au développement d'un tel lanceur ont avancé des arguments en faveur d'une architecture de mission de type quadruple lancement-quadruple rendez-vous (architecture "quadruple") qui fait appel à des lanceurs de taille intermédiaire (Medium Lift Vehicles ou MLVs). Comme le succès ou l'échec du programme dépend de la simplicité de mise en oeuvre de sa stratégie de lancement, ce concept mérite d'être examiné avec le plus grand soin.

Concept Boeing

Concept Lockheed Martin

Concepts péliminaires de CEV

Avec le plan de mission " quadruple ", un véhicule de transport de l'équipage (Crew Excursion Vehicle ou CEV), doté d'une propulsion capable d'effectuer le voyage Lune-Terre, est lancé sur orbite où il effectue un rendez-vous avec un étage de propulsion capable de le placer sur orbite basse lunaire. Parallèlement, un module d'atterrissage et de décollage de la surface lunaire (Lunar Surface and Ascent Module ou LSAM) et un autre étage de propulsion sont lancés à leur tour sur orbite où ils effectuent un rendez-vous. L'étage de propulsion place ensuite le module d'atterrissage et de décollage lunaire sur orbite basse lunaire. Le CEV effectue un rendez-vous avec le module lunaire pour y transférer l'équipage et atterrir à la surface de la lune. Pour le retour, l'équipage décolle de la Lune avec le même véhicule qui l'a amené et effectue un rendez-vous avec le CEV sur orbite basse lunaire. L'équipage revient sur Terre avec le CEV en effectuant une entrée directe dans l'atmosphère suivie d'un atterrissage.

Si l'on utilise le couple oxygène liquide/hydrogène pour la propulsion de l'étage de transfert vers la Lune (EDS) et l'étage d'atterrissage du module lunaire, et le couple oxygène liquide/méthane, stockable dans l'espace, pour la propulsion de l'étage de transfert Lune-Terre du CEV et l'étage d'ascension du module lunaire, on peut déterminer les masses des véhicules : 12 tonnes pour le CEV (y compris l'étage de transfert Lune-Terre), 15 tonnes pour le module lunaire (y compris les étages d'atterrissage et de décollage), 27 tonnes pour le module de propulsion de départ de la Terre du CEV et 33 tonnes pour celui du module lunaire.

Donc, du point de vue de la masse, on pourrait effectivement lancer la mission " quadruple " avec deux lanceurs moyens capables d'envoyer chacun 30 tonnes sur orbite basse terrestre (LEO) et deux lanceurs moyens capables d'envoyer chacun 15 tonnes sur orbite basse terrestre (LEO). Il faut cependant remarquer que :

1. Les contraintes de protection de la charge utile ont été ignorées, et il n'est pas évident que la petite coiffe de lancement d'un lanceur moyen de 15 tonnes sur orbite basse terrestre suffira à protéger le module lunaire, il faudrait donc un lanceur moyen plus grand.
2. Il faut lancer quatre lanceurs moyens par mission.
3. Les quatre lancements en question doivent se succéder très rapidement, car le module de transfert Terre-Lune et le module lunaire transportent des propergols cryotechniques, oxygène liquide (LOX)/ hydrogène (H2), et le CEV habité est lancé le dernier.
4. Chaque mission nécessite quatre opérations de rendez-vous, toutes critiques pour la mission.
5. L'équipage voyage vers la Lune séparément du module lunaire.

Les points 1) et 2) ci-dessus concernent les coûts du programme. Employer plusieurs lanceurs moyens pour lancer la charge utile d'un lanceur lourd n'est pas très rentable. Il est bien connu que les gros lanceurs sont plus économiques que les petits ; leurs coûts de lancement au kilo sont, grossièrement, inversement proportionnels à la racine carrée de la charge utile. Donc, en répartissant la masse de la mission sur quatre lanceurs, on va approximativement doubler le coût total de lancement par mission.

Les points 3) et 4) concernent la faisabilité. Le programme exige de lancer quatre lanceurs moyens en un temps très court. En fait, il faut effectuer quatre lancements en quelques semaines seulement, dont trois avec des étages supérieurs cryotechniques et le quatrième avec un véhicule habité, et tout çà depuis Cap Kennedy. On n'a jamais effectué autant de lancement en aussi peu de temps, même avec des charges utiles banales. Supposer y parvenir, à plusieurs reprises, avec des charges utiles aussi complexes, est vraiment très optimiste.

Saturne V

Son équivalent dérivé de la Navette

Images NASA

Les points les 2), 3) et 4) concernent aussi la complexité et le risque de la mission. Par contraste avec le plan de mission Apollo qui n'exigeait qu'un seul lancement et qu'un seul rendez-vous, le plan " quadruple " exige la réussite consécutive de quatre rendez-vous et de quatre lancements, tous critiques pour la mission. C'est-à-dire huit événements risqués par mission (sans parler des phases d'atterrissage et de décollage lunaires) dont la défaillance opérationnelle ferait échouer la mission. Mais la mission échouerait aussi si un retard au lancement devait retarder suffisamment l'un quelconque des trois derniers lancements (2, 3 ou 4) pour compromettre la conservation du propergol cryogénique sur orbite à bord de la charge utile du premier lanceur (1) nécessaire à la manoeuvre d'insertion translunaire (TLI), ou si l'une quelconque des quatre charges utiles sur orbite était victime d'un impact de débris orbital pendant la phase d'attente sur orbite basse terrestre (LEO) avant insertion translunaire (TLI), ou si l'un quelconque des quatre vaisseaux spatiaux devait être victime d'une défaillance, ou si l'une ou l'autre des deux manœuvres d'insertion translunaire (TLI) ou l'une ou l'autre des deux manœuvres de capture sur orbite lunaire devait échouer, ou si l'un quelconque des quatre rendez-vous orbitaux devait échouer, pour ne citer que quelques causes potentielles supplémentaires d'échec de la mission qui se multiplient proportionnellement au nombre d'éléments en vol et d'opérations critiques. Par ailleurs, cette architecture de mission n'est pas seulement censée permettre une mission Lunaire unique, mais bien d'assurer un accès régulier et répété à la Lune. Introduire une telle dose de complexité et de vulnérabilité dans un système de transport est une invitation ouverte à l'échec du programme.

En fait, un calcul simple qui part d'hypothèses très optimistes (et exposé en détail sur le site www.spacenews.com) montre que, dans le meilleur des cas, le plan "quadruple" peut espérer bénéficier d'une fiabilité de mission d'environ 0,75. Cela signifie que l'on peut s'attendre en gros à ce qu'une mission sur quatre échoue. Si l'on lance trois missions par an, cela veut dire, en moyenne, un échec toutes les 1,3 années. Si l'on suppose une durée typique de suspension des opérations de deux ans après chaque échec, il faudrait donc suspendre le programme au moins 60% du temps pour le besoin des enquêtes sur les causes des échecs.

Ce n'est pas une bonne façon de concevoir un programme.

Le point 5) concerne le risque pour l'équipage. Les missions Apollo voyageaient vers la Lune avec le LEM fixé au module de commande. La disponibilité du LEM au cours du transit vers la Lune s'est révélée essentielle pour sauver la vie de l'équipage d'Apollo 13. Si le programme Apollo avait employé le plan de mission "quadruple", l'équipage d'Apollo 13 aurait péri.

Si la fiabilité de la mission "quadruple" est si peu élevée c'est à cause de l'incroyable prolifération d'événements critiques qui surviennent lorsqu'il faut quatre lancements, quatre rendez-vous et quatre vaisseaux spatiaux par mission. La façon de résoudre ce problème est simple : développer un lanceur lourd qui permettra de lancer toute la mission en une seule fois, exactement comme on l'a fait pour Apollo. Cela réduira les coûts de lancement d'un facteur deux et le risque d'échec de la mission d'un facteur quatre. Cela permettra aussi de mettre au point et de tester un système directement utile à l'exploration habitée de Mars, premier objectif du programme lunaire comme le déclare la directive présidentielle.

Quelques personnes dans la communauté aérospatiale ont bien compris que le développement d'un lanceur lourd était essentiel à la réussite du programme lunaire, mais souhaitent reporter l'étude de ce problème pour des raisons politiques. C'est très fâcheux. L'une des façons les plus économiques de concevoir un lanceur lourd est de reconvertir la Navette. Le système de propulsion de la Navette développe la même poussée au décollage qu'une fusée Saturne V. Si l'on remplace l'orbiteur par un étage supérieur fonctionnant avec le couple hydrogène/oxygène, on peut construire un lanceur de même capacité. Or le planning actuel de la NASA ne prévoit que quelques vingt-cinq lancements supplémentaires de la Navette, et sans plan de reconversion de la Navette en lanceur lourd, une grande partie de l'infrastructure industrielle nécessaire à la fabrication des composants essentiels du système Navette (tels que ses réservoirs extérieurs) sera bientôt démantelée. La récupération de telles capacités de fabrication, après les avoir ainsi perdues, coûtera des milliards aux contribuables.

Si l'on veut éviter cet énorme gaspillage, il faut que la NASA défende immédiatement la cause du lanceur lourd.

Page d'accueil PLANETE MARS