Le projet de véhicule de transport interplanétaire et d’établissement d’une colonie humaine sur Mars d’Elon Musk

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Le dirigeant de SpaceX Elon Musk a exposé lors du 67ème congrès international d’astronomie, qui s’est tenu à Guadalajara au Mexique à la fin du mois de septembre 2016, son projet de véhicule de transport interplanétaire et d’établissement d’une colonie humaine sur Mars (vidéo de présentation d’Elon Musk et vidéo d’intervention). Cette intervention a été complétée le 23 octobre par une session de questions-réponses organisée sur Internet (échanges in extenso, article de SpaceNews).

Le véhicule de transport interplanétaire est destiné à être en mesure dans un premier temps d’emporter pour chaque vol une centaine de personnes vers Mars, afin d’y établir une colonie humaine, à terme autonome. La capacité d’emport de passagers par vol passerait à terme à 200, l’ambition d’Elon Musk étant de transporter jusqu’à Mars un million de personnes d’ici entre 40 et 100 ans, le rythme de lancement en pleine cadence pouvant atteindre 1000 vols par créneau de lancement (tous les 26 mois).

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Le véhicule de transport interplanétaire au décollage
SpaceX

Un concept des plus ambitieux

Elon Musk se fixe pour objectif de faire baisser le coût du transport habité vers Mars, estimé aujourd’hui à 10 Md$ par personne à un coût de 200 k$ par personne (le prix moyen d’une maison aux Etats-Unis) puis à 100 k$. Quatre axes conceptuels doivent permettre d’atteindre cet objectif très ambitieux :
-  une réutilisation intensive des systèmes de lancement (Elon Musk établit l’analogie avec le domaine de l’aviation, notant que le coût moyen d’un Boeing 737 serait de l’ordre de 500 k$ par passager si l’avion n’était utilisé qu’une seule fois et qu’il n’est que de 43 $ (+10 $ de kérosène) du fait d’une utilisation intensive de l’avion) ;
-  un réapprovisionnement en ergol dans l’espace (la réutilisation intensive des systèmes de lancement combinée avec l’envoi dans l’espace de cargos remplis d’ergol, destinés à réapprovisionner dans l’espace les véhicules habités, doit permettre des gains substantiels en capacité de transfert vers une orbite martienne) ;
-  la production des ergols sur Mars, qui permet en particulier de se libérer de la contrainte d’emport au départ des ergols nécessaires pour le retour ;
-  un choix judicieux pour ces ergols (méthane liquéfié densifié et oxygène liquide plutôt que du kérosène ou qu’un mélange oxygène/hydrogène, un mélange qui offre le meilleur compromis en termes de dimensionnement du système de lancement, de coût de propulsion, de réutilisabilité, de faisabilité d’une production sur Mars et de transfert d’ergol).

Le concept de lancement est celui de deux lancements successifs :
-  lancement du véhicule habité en orbite basse et retour sur Terre du premier étage ;
-  lancement immédiat de ce même premier étage avec un cargo rempli d’ergols, puis à nouveau retour sur Terre du premier étage ;
-  remplissage en ergol dans l’espace du véhicule habité à l’aide du véhicule cargo et retour sur Terre de ce dernier ;
-  transfert du véhicule habité vers Mars ;
-  atterrissage sur Mars et remplissage du véhicule à partir d’ergols produit sur Mars ;
-  retour sur Terre.

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Séquence de ravitaillement en ergol en orbite
SpaceX

Ce concept est sous-tendu par une réutilisation intensive des divers éléments du système de lancement :
-  jusqu’à mille fois pour le premier étage propulseur,
-  jusqu’à cent fois pour le cargo-réservoir,
-  une douzaine de fois pour le véhicule habité.

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Concept de lancement du véhicule de transport interplanétaire
SpaceX

Le véhicule de transport interplanétaire

Dans sa configuration avec véhicule habité au sommet, le véhicule de transport interplanétaire posséderait les caractéristiques suivantes (les chiffres entre parenthèses correspondent aux données relatives au lanceur emblématique Saturne V utilisé par la NASA dans le cadre des missions lunaires Apollo) : 122 mètres de haut (111), 12 mètres de diamètre (10), masse totale au lancement de 10500 tonnes (3039), poussée au décollage de 13000 tonnes (3580), capacité d’emport de 550 tonnes (135) dont 300 totalement réutilisables. Les éléments du système de lancement seraient en composites de carbone.

Le propulseur de base (étage inférieur) de 77,5 m de haut, 12 m de diamètre et 275 t de masse sèche, emportant 6700 tonnes d’ergols serait équipé de 42 moteurs Raptor (cf. infra). 7 % des ergols seraient utilisés pour la rétropropulsion et le retour sur Terre. Selon SpaceX, le défi technologique crucial serait d’assurer l’étanchéité des réservoirs en fibre de carbone et d’éviter leur oxydation. Ceci pourrait nécessiter en particulier l’application d’une couche inerte, éventuellement par vaporisation. De fines feuilles d’invar pourraient devoir être soudées sur la face intérieure des réservoirs.

Le véhicule interplanétaire, de 49,5 m de hauteur et de 17 m de diamètre maximal serait équipé de 9 moteurs Raptor lui fournissant une poussée dans le vide de 3156 tonnes. Ce véhicule serait composé d’une partie habitée (150 tonnes de masse sèche et 1950 tonnes d’ergols) et d’un réservoir (90 tonnes de masse sèche et 2500 tonnes d’ergols).

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Les réservoirs seraient fabriqués en matériaux pré-imprégnés de fibres de carbone
SpaceX

Le moteur Raptor, moteur de nouvelle génération développé par SpaceX avec une participation du Département de la Défense, serait de dimensions assez analogues au moteur Merlin actuellement utilisé par les Falcon 9, tout en étant trois fois plus puissant. Ce moteur prévoit une pressurisation autogène (pas de système de pressurisation externe recourant à l’hydrogène). La turbopompe devrait être fabriquée à partir d’un nouvel alliage métallique extrêmement résistant à l’oxydation. Un premier test de mise à feu de ce moteur a été réalisé le 25 septembre 2016.

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Les caractéristiques du moteur Raptor
SpaceX

Le calendrier

Selon le scénario le plus optimiste, le développement du système de propulsion devrait se dérouler jusqu’à la fin 2019 avec les premiers essais du propulseur et serait suivi d’une séquence de tests s’achevant début 2021. Le développement des structures puis les tests du vaisseau devraient se dérouler jusqu’en 2020. Les tests orbitaux, conduits à partir de 2020, devraient permettre un vol inaugural non-habité depuis le pas de tir 39A du Kennedy Space Center lors du premier créneau de lancement fin 2022 puis un vol habité lors du créneau de lancement suivant en 2024. La durée du vol vers Mars de plus de 100 jours pourrait à terme être ramenée à 80 voire même réduit à 30 jours.

Financement du projet

Le coût de mise en œuvre du véhicule de transport interplanétaire est estimé à 10 Md$ (à titre de comparaison le coût de développement des navettes spatiales était estimé au lancement du programme en 1972, hors surcoût, à 30 Md$ aux conditions économiques actuelles). Le coût de développement de l’ensemble constitué du premier étage de propulsion, d’un véhicule réservoir et d’un véhicule de transport de passagers est estimé à 550 M$.
SpaceX entend prendre en charge sur ses fonds propres une partie des coûts du programme, en utilisant notamment les revenus générés par ses activités de lancement de satellites (civils publics, de défense et commerciaux) et de transport vers la station spatiale internationale (fret et astronautes), ainsi que via des partenariats public-privé de grande envergure. 

Les premières étapes de l’établissement d’une colonie martienne
Le premier véhicule spatial (dénommé Heart of Gold d’après le roman de science-fiction The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy) effectuerait un premier vol inhabité vers Mars, qui aura été précédé de missions exploratoires de la capsule Red Dragon dès 2018. Ce vol serait en particulier dédié à l’emport du matériel nécessaire pour la construction d’une unité de production d’ergols sur Mars et du système d’alimentation électrique de la future base martienne, tout comme les premiers vols habités, lesquels ne devraient pas accueillir plus d’une douzaine de personnes. La cadence de lancement des vols serait doublée tous les 26 mois.
Les installations martiennes comporteraient deux parties : un dôme géodésique en surface formé de panneaux de verre soutenus par des cadres en fibre de carbone et un espace sous-terrain construit grâce à des robots.