Interplanetary Transport System

Décollage.

Retour du premier étage sur Terre.

Ravitaillement en ergols du transporteur par le ravitailleur.

SpaceX a commencé le développement du moteur de fusée Raptor destiné au Transporter Colonial Martien avant 2014. Le PDG de SpaceX, Elon Musk a dévoilé les détails de l'architecture de la mission spatiale au Congrès international d'astronautique qui a eu lieu du 26 au 30 septembre 2016[1]. Musk a déclaré en juin 2016, qu’un premier vol sans pilote du MCT à destination de Mars est prévu dès 2022, et le premier MCT habité partira en 2024[2].

En 2007, Elon Musk a fait part de son objectif de rendre l'exploration et la colonisation de Mars possible[3]^,[4]. Il a déclaré dans une interview en 2011 qu'il espérait envoyer des humains à la surface de Mars dans les 10 - 20 prochaines années[4]. Fin 2012, Musk a déclaré envisager une colonisation de Mars par des dizaines de milliers de colons arrivant à partir du milieu des années 2020[5]^,[6]^,[7].

En octobre 2012, Musk a déclaré son intention de construire un deuxième système de fusée réutilisable aux capacités bien supérieures aux Falcon 9 et Falcon Heavy[8] Ce nouveau véhicule sera « une évolution du Falcon 9 de SpaceX [...] en beaucoup plus grand ». Mais Musk a indiqué que SpaceX ne ferait pas de déclaration publique à ce sujet jusqu'en 2013[9]^,[5]. En juin 2013, Musk a déclaré qu'il avait l'intention de retarder l’introduction en bourse de SpaceX jusqu'à ce que le « Transporter Colonial Martien vole régulièrement »[10]^,[11].

En février 2014, Musk a déclaré que le Transporteur Colonial Martien serait « 100 fois plus grand qu'un SUV » et capable d’emmener 100 personnes à la fois vers Mars. Le chef du développement du moteur Raptor, Tom Mueller, a déclaré que SpaceX utiliserait neuf moteurs Raptor par fusée, suivant une configuration similaire à l'utilisation des neuf moteurs Merlin sur les Falcons 9. Selon lui, le MCT sera capable de « mettre plus de 100 tonnes de fret sur Mars » par vol[12]^,[13]. Début 2014, une estimation de la taille de la fusée de lancement du MCT montrait qu’elle devrait posséder un diamètre d’au moins 10 mètres, soit près de trois fois le diamètre et plus de sept fois la section transversale d’un Falcon 9[14].

Les premiers plans du véhicule de lancement du MCT rendus public en avril 2014 consistaient en un ou trois lanceurs d’un diamètre de 10 mètres (33 pieds) comparable à la Saturn V. À l'époque, il était envisagé d’utiliser neuf moteurs Raptor LOX / méthane par propulseur[13]^,[14]. La possibilité d'éliminer la version trois propulseurs pour un unique lanceur mais de plus grand diamètre (de 12,5 à 15 mètres) a été évoquée fin 2014[15] puis confirmée par Elon Musk début 2015[16].

En août 2014, des sources médiatiques ont spéculé qu’un vol test initial du véhicule de lancement super lourd pourrait se produire dès 2020, et ce, dans le but de tester les moteurs dans des conditions de vol orbital[17]^,[15].

En janvier 2015, Musk déclarait espérer rendre publics les détails de la « toute nouvelle architecture » pour le système de transport vers Mars dès la fin 2015, mais ces plans ont dû être changés[18] et en janvier 2016, Musk indiquait que l'architecture des missions martiennes et la prochaine génération de fusées et d'engins spatiaux SpaceX serait rendues publiques lors de la conférence du Congrès astronautique international[1], qui est prévu pour septembre 2016[19]^,[20].

En avril 2016, Elon Musk déclare vouloir faire atterrir sur Mars une capsule Dragon en 2018 et commencer alors un programme intensif prévoyant d'envoyer des vaisseaux à destination de Mars tous les deux ans quand la Terre et Mars entrent en opposition. Cette séquence devra aboutir par une mission habitée qui touchera le sol de la planète rouge en 2025[21]^,[22]. Début septembre 2016, Musk décide de changer le nom du MCT car le système est maintenant prévu pour être capable d'aller bien au-delà de Mars. Ainsi, la nouvelle dénomination ne mentionne plus Mars mais désigne le projet en tant que Système de Transport Interplanétaire (de l’anglais Interplanetary Transport System (ITS))[23].

Pour amener sur Mars 100 astronautes, quatre principes architecturaux sont retenus[24] :

• tous les engins spatiaux sont complètement réutilisables ce qui permet d'abaisser leur cout (le premier étage est conçu pour voler 1 000 fois) ;
• le transporteur martien qui amène les astronautes sur Mars est ravitaillé en ergols alors qu'il se trouve sur une orbite terrestre basse avant son transit vers Mars ;
• les ergols utilisés par les moteurs sont de l'oxygène et du méthane qui peuvent tous deux être extraits de l'atmosphère et du sol de Mars avec des techniques de type ISRU ;
• le transporteur peut ainsi faire le plein d'ergols à la surface de Mars pour redécoller et regagner la Terre dans le but d'être réutilisé.

Le lanceur a une masse de 10 500 tonnes soit environ 3 fois celle de la fusée géante Saturn V utilisée pour les missions habitées du programme Apollo. Haut de 122 mètres (Saturn V ; 111 mètres), il comprend deux étages tous deux réutilisables. La structure du lanceur est réalisée en fibre de carbone pour réduire la masse. Les ergols à l'état gazeux sont utilisés pour pressuriser les réservoirs ce qui permet de se passer de réservoirs d'hélium à l'origine de la perte de deux lanceurs Falcon 9. Ces ergols gazéifiés sont également utilisés pour les moteurs de contrôle d'attitude[25]^,[26]^,[27].

Le premier étage long de 77,5 mètres et d'un diamètre de 12 mètres est propulsé par 42 moteurs-fusées Raptor. Ce moteur en cours de développement chez SpaceX a réalisé sa première mise à feu en septembre 2016. Il brule un mélange oxygène liquide / méthane et sa poussée au sol est de 3,042 méganewtons (environ 310 tonnes)[28]. La poussée totale au décollage du lanceur est donc de 127,8 méganewtons (environ 13 000 tonnes). L'étage a une masse de 6 700 tonnes avec le plein d'ergols et de 275 tonnes à sec. Le second étage est développé en deux versions : une version utilisée pour le transport vers Mars et l'autre pour le ravitaillement en ergols du transporteur martien une fois que celui-ci a atteint son orbite. Cet étage est long de 49,5 mètres pour un diamètre maximal de 17 mètres. Il est propulsé par 3 moteurs-fusées Raptor à tuyère courte (impulsion spécifique de 361 secondes) et 6 moteurs Raptor optimisés pour la propulsion dans l'espace (tuyère longue avec impulsion spécifique de 382 secondes). La version transporteur embarque 1 950 tonnes d'ergols contre 2 500 tonnes pour le ravitailleur. La masse à vide est de 150 tonnes pour le transporteur contre 90 tonnes pour le ravitailleur. Le transporteur peut placer une charge utile de 300 tonnes sur une orbite basse puis après ravitaillement de 450 tonnes sur le sol martien. Le ravitailleur peut emporter 380 tonnes d'ergols en orbite basse[25]^,[26]^,[27].

Transit vers Mars.

Arrivée du vaisseau en vue de Mars.

Rentrée atmosphérique du vaisseau avant son atterrissage sur le sol de Mars.

Le système de SpaceX pourrait être utilisé pour explorer d'autres planètes (ici à la surface d'Europe satellite de Jupiter).

La mission type comprend deux lancements. Le premier lancement permet de placer en orbite basse le transporteur martien avec son équipage. Le premier étage une fois sa mission accomplie revient se poser à son point de départ sur le complexe de lancement en utilisant la technique mise au point avec le lanceur Falcon 9 réutilisable (freinage avec des moteurs phase de vol planée, puis atterrissage en utilisant à nouveau la propulsion). Le deuxième étage (le transporteur martien) utilise une partie du carburant qu'il transporte pour atteindre l'orbite basse. Le premier étage est réutilisé peu de temps après avoir refait le plein et effectué des tests pour lancer un deuxième étage de type ravitailleur qui emporte des ergols au transporteur placé en orbite. Une opération de transfert d'ergols a alors lieu entre les deux engins spatiaux[25]^,[26]^,[27].

Une fois les ergols transférés, le transporteur utilise sa propulsion pour quitter l'orbite basse terrestre et s'insérer sur une trajectoire de transit vers Mars. Arrivé à proximité de cette planète, il met en marche sa propulsion pour se freiner puis pénètre dans l'atmosphère martienne. Son bouclier thermique de grande taille (17 mètres de large), constitué par la coque de l'étage et dont une face est recouverte par un matériau réfractaire, le protège de la montée en température et est utilisé pour réduire sa vitesse. Arrivé à proximité du sol, le transporteur se pose sur sa queue en utilisant à nouveau sa propulsion. Du carburant est produit sur Mars à partir des ressources locales (ISRU), ce qui permet au transporteur de redécoller puis de revenir sur Terre pour être réutilisé[25]^,[26]^,[27].

Un projet aussi ambitieux coute très cher. Son prix évalué en septembre 2016 à environ 10 milliards US$ est obtenu grâce à la réutilisation systématique des engins spatiaux utilisés. Le premier étage est conçu pour être réutilisé 1 000 fois, le ravitailleur qui ne va pas au-delà de l'orbite basse terrestre 100 fois et le transporteur 12 fois[25]^,[26]^,[27].

Il est prévu que la fusée décolle depuis le pas de tir 39A de la base de lancement Kennedy en Floride. C'est de ce pas de tir qu'ont décollé les fusées Saturn V qui ont placé les vaisseaux Apollo en orbite. Le pas de tir est en 2016 en cours d'aménagement par SpaceX pour y lancer son lanceur mi-lourd Falcon Heavy. Pour qu'il puisse être utilisé par le lanceur lourd ITS, il faudrait toutefois effectuer des travaux de renforcement car le pas de tir permet de supporter une masse totale de 12 700 tonnes trop réduite pour le lanceur superlourd et les installations de lancement[25].

Le dirigeant de SpaceX, Elon Musk, avançait en septembre 2016 un cout de développement de 10 milliards US$ pour la réalisation de l'ensemble du système de transport. Le cout de fabrication d'un seul lanceur avec un deuxième étage de type ravitailleur et un vaisseau destiné à transporter l'équipage est évalué à 560 millions US$[29]. Il prévoit de financer le développement de son lanceur géant grâce aux bénéfices réalisés par la société qu'il détient et de sa fortune personnelle. Il considère que la colonisation de Mars, objectif ultime de son projet, doit être vue comme un gigantesque partenariat public/privé comme celui qui a abouti, selon sa vision, à la formation des États-Unis. Pour le futur colon martien, le prix du voyage pourrait descendre à environ 100 000 à 140 000 US$ et le retour vers la Terre serait gratuit[30].

Robert Zubrin, ingénieur américain, expert en systèmes de propulsion spatiale et concepteur d'un scénario bien connu de équipage humain vers Mars baptisé Mars Direct a analysé la proposition de Elon Musk[31] :

Grande taille du lanceur

Le lanceur proposé par Musk est quatre fois plus gros que la fusée Saturn V. Bien que la société SpaceX rencontre un succès commercial indéniable, il n'est pas douteux que SpaceX n'aura pas les moyens de financer le cout d'un engin aussi colossal dont le cout est évalué par ses concepteurs à plus de 10 milliards US$.

Utilisation du méthane et oxygène liquides

Le scénario prévoit d'utiliser pour toutes les phases propulsées (lancement, transit et retour sur Terre depuis la surface de Mars) les ergols méthane et oxygène liquides. C'est un excellent choix de scénario car ces ergols ont une bonne capacité énergétique tout en étant plus denses et moins volatils que le mélange hydrogène/oxygène. C'est d'ailleurs le choix effectué par Zubrin dans son scénario de mission martienne de référence Mars Direct. Toutefois, bien que la fabrication de méthane et d'oxygène à partir du dioxyde de carbone et de l'eau martienne soient probablement faisables, ce ne sera pas sans beaucoup d'effort, d’énergie et d'investissement. Aussi, le scénario retenu pour le transport martien doit faire en sorte de maintenir ce fardeau imposé à la base martienne dans des limites gérables.

Très grandes quantités de méthane/oxygène liquide fabriqués à la surface de Mars

Dans la mesure où tout le scénario de Musk repose sur ce choix, il est essentiel de lier l'échelle du projet (le nombre de personnes transportées, le tonnage du vaisseau) à la capacité de production des ergols sur le sol évaluée de manière réaliste.

Tous les engins spatiaux sont réutilisables

C'est un choix central qui permet de limiter les couts et pour lequel SpaceX a déjà fait ses preuves avec le lanceur Falcon 9. Toutefois, le caractère réutilisable n'impose pas obligatoirement un retour sur Terre. En général, il serait plus pertinent de réutiliser les engins déjà dans l'espace. Ce principe est mis en œuvre en partie par le scénario de SpaceX avec le remplissage en orbite du seconde étage, mais il est ignoré ailleurs avec des conséquences importantes sur le cout réel du programme. Par ailleurs, la fréquence avec laquelle un engin spatial peut être utilisé doit être pris en compte.

Remplissage des réservoirs du second étage dans l'espace

Transférer des ergols cryogéniques en gravité nulle constitue un défi technique qui n'a jamais été relevé. Le problème est qu'en gravité nulle, l'ergol se trouve à la fois dans deux phases mélangées entre elles et que, dans ces conditions, l'utilisation de pompes devient difficile. Toutefois, une solution peut sans doute être trouvée.

Utilisation du second étage pour descendre sur le sol martien et en revenir

Ce choix du scénario est une très mauvaise idée. Il impose de descendre sur le sol martien tout l'appareil propulsif d'une masse d'au moins 60 tonnes ainsi que les énormes réservoirs utilisés depuis l'orbite basse terrestre ce qui entraîne une diminution importante de la charge utile et impose un niveau de production important pour l'usine de production d'ergols installée sur Mars. Par ailleurs, ce vaisseau de grande taille, couteux en capitaux, ne pourra effectuer un aller-retour Terre-Mars qu'une fois tous les quatre ans compte tenu de l'ouverture d'une fenêtre de lancement tous les 2 ans.

Transit d'un habitat de grande taille de la Terre à Mars et retour

C'est une très mauvaise idée car cet habitat ne sera utilisé que dans un seul sens et une fois tous les 4 ans. Si l'objectif est de construire une base ou une colonie sur Mars, tout habitat de grande taille doit rester à la surface de la planète pour servir de quartier d'habitation aux colons.

Transit rapide vers Mars

Le transit rapide vers Mars proposé dans le scénario (115 jours), en partant du principe qu'il est réalisable, impose un surcout important. Ce choix ne se justifie absolument pas car il impose de tripler le cout du transport pour réduire de 65 jours (en moyenne) le temps de transport.

Utilisation de rétrofusées durant la phase de vol supersonique de la descente sur le sol Martien

Le recours aux rétrofusées dans la phase de vol supersonique pour faire atterrir des masses importantes sur le sol est une percée majeure de SpaceX qui a effectué des démonstrations couronnées de succès avec le retour des premiers étages du lanceur Falcon 9 sur Terre. Le recours sur Mars à une telle technique est démontré en principe. Mais SpaceX propose de la mettre en œuvre sur un engin 50 fois plus massif. Par ailleurs, cette technique impose des contraintes supplémentaires sur le système propulsif rendant l'objectif d'un transit rapide encore plus difficile à atteindre.

Vaisseau Dragon de SpaceX sur Mars (Vue d'artiste).

Atterrissage d'un vaisseau sur Mars en 2018.

SpaceX est engagé dans plusieurs projets qui doivent contribuer à mettre au point des technologies ou des composants qu'il est prévu de réutiliser pour le Système de Transport Interplanétaire :

• la société a mis au point une technique permettant la réutilisation théorique du premier étage d'un lanceur grâce à une phase propulsive permettant de ramener celui-ci jusqu'à son point de départ et à un atterrissage en douceur ;
• SpaceX développe le futur moteur-fusée Raptor de 300 tonnes de poussée qui doit être utilisé par le nouveau lanceur ;
• enfin, la société met au point une technique de propulsion supersonique qui doit être testée sur un vaisseau Dragon chargé d'atterrir sur Mars dans le cadre d'une mission robotique qui pourrait avoir lieu vers 2018. Cette technique pourrait constituer un progrès important pour l'atterrissage des charges lourdes sur le sol martien car les techniques actuelles ne permettent pas de poser plus d'une tonne.

Le Transporteur Colonial Martien a été décrit comme un grand vaisseau spatial interplanétaire capable de transporter 100 personnes à la fois sur Mars[12]. Toutefois, les premiers vols devraient transporter moins de personnes et plus d'équipement[5]. L’utilisation d’un important réservoir d'eau est une possibilité envisagée pour protéger les occupants contre les rayonnements cosmiques et la teneur en oxygène des cabines devrait être jusqu'à deux fois supérieure à celle de l'atmosphère terrestre[5].

La colonie sur Mars envisagée par Musk commencerait modestement, avec un groupe initial de moins de dix personnes. Musk espère qu'un tel poste pourrait évoluer vers un dispositif beaucoup plus grand et devenir autonome et comprendre au moins un million de personnes. Selon Musk, « même avec un million de personnes, vous avez besoin d’une productivité incroyable par personne, parce que vous avez besoin de recréer l'ensemble de la base industrielle sur Mars. Vous avez besoin d'extraire et d'affiner l'ensemble des différents matériaux dans un environnement beaucoup plus difficile que celui de la Terre. Il n'y a pas d'arbres, pas d'oxygène ou d'azote qui sont comme sur terre juste disponibles, pas de carburants, mis à part les biocarburants qui peuvent être produits. Si vous pouviez prendre 100 personnes à la fois, vous auriez besoin de 10 000 voyages pour atteindre le nombre d’un million de personnes » dit-il. « Mais vous avez aussi besoin de beaucoup de fret pour soutenir tout ce monde. En fait, votre ratio fret/personne va être assez élevé. Il serait probablement de 10 voyages de fret pour un voyage de colons, donc plus probablement autour de 100 000 voyages. Et nous parlons de 100 000 voyages d'un vaisseau spatial géant »[32].

Musk a déclaré que son ambition de prix pour un tel voyage était de l'ordre de 500 000 $ US, quelque chose que « la plupart des gens dans les pays avancés, au milieu de la quarantaine ou quelque chose comme ça, pourrait investir [pour faire le voyage] »[5].

Avant que les premiers colons ne soient transportés vers Mars, un certain nombre de missions de fret serait entrepris d'abord afin d’acheminer les équipements nécessaires, les habitats et autres fournitures sur place[33]. L'équipement qui accompagnerait les premiers groupes comprendrait « des machines pour produire des engrais, du méthane et de l'oxygène à partir de l’azote et du dioxyde de carbone atmosphériques martiens et de la glace d'eau souterraine de la planète ». Les équipements devront aussi comprendre des matériaux de construction pour bâtir des dômes transparents pour permettre la croissance de cultures agricoles[5].

Selon Elon Musk, le MCT pourrait également servir de premier habitat aux colons sur Mars[34].