Le Mars Excursion Module : concept américain d’atterrisseur habité pour Mars

Le Mars Excursion Module, ou MEM, était un concept américain d’atterrisseur habité destiné à déposer des astronautes sur Mars, à soutenir leur séjour à la surface, puis à les ramener vers un vaisseau placé en orbite martienne.

Le projet a été étudié à partir de 1966 et développé plus précisément en 1967 par North American Rockwell dans le cadre des plans de missions habitées vers Mars élaborés après le programme Apollo. Il représentait le dernier élément du programme intégré destiné à conduire des astronautes sur Mars dans les années 1980.

Le MEM était étroitement associé à l’Integrated Program Plan de la NASA et à l’expédition martienne imaginée par Wernher von Braun. Le concept a été présenté en 1969 au Space Task Group et adopté comme élément de la réflexion de la NASA sur l’après-Apollo.

Caractéristiques générales du Mars Excursion Module

Le projet était modulaire, de sorte que la masse totale de l’atterrisseur pouvait être comprise entre 30,0 et 49,4 tonnes métriques en supprimant le propergol d’ascension, certains compartiments internes et des réserves destinées aux opérations de surface.

La version allégée, dépouillée de certains équipements, devait partir d’un orbiteur martien placé sur une orbite basse et y revenir après avoir soutenu seulement deux astronautes pendant quatre jours à la surface.

La version lourde et complète devait accueillir quatre astronautes pendant trente jours et disposer d’un delta-V suffisant pour rejoindre un orbiteur situé sur une orbite martienne elliptique plus élevée.

Pourquoi la conception du MEM a changé

Le design du MEM a été le premier à intégrer les résultats de Mariner 4 concernant la faible densité de l’atmosphère martienne.

Avant les données de Mariner IV, la NASA estimait que la pression atmosphérique de Mars atteignait environ 25 millibars, soit près de 2,5 % de celle de la Terre. Les mesures ont montré qu’elle était en réalité d’environ 6 millibars.

Les concepts précédents reposaient sur des corps portants et des parachutes censés exploiter l’atmosphère pendant la descente. Avec une atmosphère aussi ténue, ces solutions perdaient une grande partie de leur efficacité.

La forme proposée par le Marshall Space Flight Center en juin 1966 ressemblait à une capsule Apollo agrandie. Elle répondait directement au problème posé par l’atmosphère martienne.

Après son entrée dans l’atmosphère martienne, même le corps en forme de capsule du MEM n’aurait ralenti que jusqu’à une vitesse terminale de 900 m/s avant de poursuivre sa descente à cette vitesse jusqu’à l’approche du sol.

La conception a ensuite été confiée à North American Rockwell. En novembre 1967, ses principales caractéristiques avaient été définies et l’engin était déjà reconnaissable comme le véhicule présenté par von Braun en 1969.

En 1969, le nez du véhicule a évolué : il est devenu tronqué plutôt qu’arrondi, tandis que la section inférieure a été agrandie afin de permettre, au moins en théorie, le stockage d’un rover.

Une architecture inspirée de la capsule Apollo

Le MEM reprenait la forme aérodynamique de la capsule de commande Apollo, une configuration déjà parfaitement comprise par les ingénieurs.

La capsule mesurait environ 30 pieds de diamètre à sa base, soit 9,1 mètres, et 29 pieds de hauteur, soit 8,8 mètres. À l’entrée dans la phase de descente, sa masse atteignait 46,1 tonnes.

Dans son ensemble, le MEM avait approximativement la taille du vaisseau Apollo CSM complet, si le module de service de ce dernier avait prolongé la pente de la capsule au lieu de descendre parallèlement jusqu’au moteur.

Pendant la descente, l’équipage se trouvait dans le module de commande, situé à l’avant de la forme conique du MEM.

Le pont inférieur abritait le laboratoire, les quartiers d’habitation et un sas externe. Ces espaces étaient accessibles par un sas interne et un tunnel.

Le schéma de 1969 montrait les pilotes en position debout ainsi que le tunnel conduisant au laboratoire et à la zone de vie installés dans la partie inférieure.

Descente et atterrissage sur Mars

Après avoir quitté le vaisseau d’expédition martien, le MEM devait utiliser un moteur-fusée à propergol solide pour quitter l’orbite martienne, puis un moteur à ergols liquides pour effectuer l’atterrissage.

Les parachutes étaient presque inutilisables dans l’atmosphère très mince de Mars. Le système de descente devait donc s’appuyer principalement sur la protection thermique, la traînée aérodynamique limitée et la propulsion.

Le bouclier thermique était conçu pour permettre une rentrée dans les atmosphères terrestre et martienne. Il aurait ainsi pu être testé de manière approfondie depuis l’orbite terrestre avant toute mission vers Mars.

Après avoir ralenti jusqu’à une vitesse proche du régime supersonique, la capsule devait être stabilisée par un parachute de freinage, puis par un ballute.

À 3 km au-dessus de la surface, le ballute devait être largué et le moteur principal devait s’allumer pour amener la capsule jusqu’à un atterrissage en douceur.

Le moteur principal devait utiliser de l’oxygène liquide et du méthane liquide. Une quantité suffisante de propergol était prévue pour permettre un vol stationnaire de deux minutes.

Le véhicule devait se poser sur six jambes d’atterrissage capables de supporter des pentes allant jusqu’à 15 degrés.

Deux membres de l’équipage devaient rester debout pour piloter l’engin, probablement maintenus par un harnais pendant les phases de forte décélération.

La protection thermique

L’atmosphère ténue de Mars présentait un avantage : les boucliers thermiques pouvaient être beaucoup plus légers que ceux nécessaires pour une rentrée dans l’atmosphère terrestre.

Le bouclier situé sous le véhicule devait être constitué d’un nid d’abeilles en titane recouvert d’AVCOAT ablatif, un matériau également utilisé sur la capsule Apollo et prévu pour l’Orion MPCV.

Les protections thermiques placées sur les surfaces supérieures inclinées du MEM devaient être fabriquées en titane ou en alliage de cobalt L605, selon l’intensité thermique à laquelle elles auraient été soumises.

Ces protections supérieures pouvaient être larguées afin de réduire la masse du véhicule pendant une partie de la descente vers la surface.

Le séjour des astronautes à la surface

Une fois posé, l’équipage du MEM devait commencer un séjour de trente jours sur Mars dans la version complète du véhicule.

À la surface, le MEM devait être alimenté par deux piles à combustible installées dans le module de mission.

Le module inférieur regroupait le laboratoire, les espaces de vie et le sas externe. Cette organisation devait permettre aux astronautes de conduire des activités scientifiques, de prélever des échantillons et d’explorer l’environnement martien.

La version de 1969 devait notionnellement pouvoir transporter un rover grâce à l’agrandissement de sa section inférieure.

Après l’exploration de la surface martienne et la collecte d’échantillons, un étage d’ascension séparable devait ramener l’équipage et les échantillons vers le vaisseau-mère en orbite autour de Mars.

L’ascension depuis Mars

Le retour vers l’orbite martienne constituait probablement la partie la plus difficile de la mission.

North American Rockwell a constaté que même une combinaison d’oxygène liquide et d’hydrogène liquide n’offrait pas une puissance suffisante pour effectuer cette étape.

La solution finalement étudiée employait du FLOX, composé de 70 % d’oxygène liquide et de 30 % de fluor liquide, comme oxydant, ainsi que du méthane comme carburant.

Cette architecture reposait sur une mise en scène soigneuse des réservoirs de l’étage d’ascension afin de réduire la masse au cours du vol.

Jusqu’à huit réservoirs de propergol fixés latéralement devaient alimenter le même moteur pendant l’ascension. Ils auraient été largués à mesure que leur propergol était consommé.

Pour éviter de gérer deux familles différentes d’ergols, le moteur d’atterrissage aurait utilisé les mêmes ergols que le moteur d’ascension.

Cette solution était particulièrement audacieuse, car le FLOX et le méthane n’avaient jamais été utilisés ensemble dans un moteur-fusée opérationnel. Les moteurs Atlas avaient toutefois été testés avec du FLOX et du kérosène avant 1967.

Lorsque la mission était terminée, le module de mission toroïdal et le train d’atterrissage du MEM devaient être abandonnés.

Rendez-vous avec le vaisseau en orbite

Le MEM ne constituait pas à lui seul l’ensemble du véhicule interplanétaire. Il devait être transporté par un grand vaisseau d’expédition martienne, ravitaillé avec précaution par du personnel utilisant des remorqueurs spatiaux.

Le voyage interplanétaire devait durer des centaines de jours et pouvait éventuellement inclure un survol de Vénus. Sa durée exacte dépendait de l’année de lancement de la mission.

À l’arrivée, le vaisseau devait se placer sur une orbite allongée autour de Mars.

La moitié de l’équipage devait rester à bord du vaisseau en orbite, tandis que les six autres astronautes devaient descendre vers la surface.

Cette configuration correspond au profil général de l’expédition martienne présentée en 1969, même si l’étude de 1967 du MEM indiquait une configuration de quatre membres d’équipage pour la version complète de l’atterrisseur.

Après son départ du vaisseau d’expédition, le MEM devait descendre vers Mars, effectuer les opérations de surface, puis rejoindre l’orbiteur grâce à son étage d’ascension.

Le rendez-vous orbital devait permettre de transférer les astronautes et les échantillons martiens vers le vaisseau-mère avant le retour interplanétaire.

Essais prévus avant la mission martienne

North American estimait que le développement devait commencer en 1971 afin de soutenir un atterrissage sur Mars en 1982.

Avant la mission principale, plusieurs essais en orbite terrestre devaient être réalisés au moyen de six véhicules expérimentaux.

Trois lanceurs Saturn V à deux étages et trois boosters Saturn I devaient placer ces véhicules sur des trajectoires suborbitales et orbitales.

Lors de l’essai final prévu en 1979, un MEM et un Apollo CSM habité devaient être placés en orbite terrestre.

L’Apollo CSM devait se séparer, effectuer une manœuvre de transposition, puis s’amarrer au MEM.

North American Rockwell déclarait pouvoir construire le MEM en sept ans à partir de 1971, soit jusqu’en 1978. Le programme devait notamment comprendre des essais du bouclier thermique depuis l’orbite, deux vols d’essai habités et une période de 242 jours en orbite terrestre basse destinée à simuler le transit vers Mars.

Une mission martienne réelle était alors envisagée à partir de 1981, tandis que l’objectif de référence du programme évoquait un atterrissage en 1982.

Le MEM dans l’Integrated Program Plan

Le MEM était le dernier élément d’un ensemble beaucoup plus vaste de programmes nécessaires à l’expédition martienne.

Dans l’ordre général, l’Integrated Program Plan prévoyait :

• une navette spatiale fondée sur un orbiteur ailé ;
• une station spatiale en orbite terrestre basse ;
• de petits remorqueurs spatiaux ;
• des dépôts de propergol en orbite ;
• des navettes nucléaires réutilisables ;
• une base lunaire ;
• éventuellement une station lunaire orbitale.

Le monde dans lequel l’Integrated Program Plan aurait été suivi aurait été très différent du monde réel. La réalisation du MEM dépendait donc d’une succession de programmes technologiques, industriels et logistiques qui dépassaient largement la seule construction de l’atterrisseur.

Le véhicule devait être ravitaillé et soutenu par des infrastructures spatiales permanentes. Les dépôts orbitaux, les remorqueurs spatiaux et les moyens de transport réutilisables étaient essentiels pour assembler, alimenter et envoyer l’expédition martienne.

La base lunaire et une éventuelle station lunaire orbitale devaient également servir de composantes à long terme d’une architecture spatiale étendue.

Pourquoi le projet n’a pas abouti

Le projet a échoué dans le contexte politique et économique du début des années 1970.

Richard Nixon ne s’intéressait pas aux programmes spatiaux habités et n’était disposé à soutenir que la navette spatiale, par crainte d’être considéré comme le président ayant mis fin à l’ère spatiale.

La situation politique ne constituait toutefois qu’un élément du problème.

L’économie ralentissait, la guerre du Vietnam coûtait une fortune, la majorité du public américain ne s’intéressait pas à une mission martienne et le Congrès était profondément hostile à un tel programme.

Le voyage habité vers Mars a donc été repoussé de manière indéfinie vers l’année 2000, une échéance située à au moins cinq administrations présidentielles.

Le MEM n’a pas été abandonné parce que son architecture technique était considérée comme impossible. Techniquement, le concept était jugé solide.

Sa réalisation aurait exigé une continuité politique, économique et industrielle que le programme spatial américain n’a pas obtenue après Apollo.

Ce qu’il aurait fallu pour réaliser le MEM

L’atterrissage martien de l’Integrated Program Plan représentait l’aboutissement d’un grand nombre de programmes complexes.

Pour que le MEM atteigne Mars, il aurait fallu développer successivement une navette spatiale à orbiteur ailé, une station en orbite terrestre basse, des remorqueurs spatiaux, des dépôts de propergol en orbite, des navettes nucléaires réutilisables, une base lunaire et peut-être une station lunaire orbitale.

La réussite aurait également nécessité des essais en orbite terrestre, des tests de rentrée, des vols habités, une longue simulation du transit martien et la mise au point d’un moteur utilisant les couples d’ergols envisagés.

La protection thermique devait être vérifiée dans les conditions de rentrée terrestre et martienne, tandis que les opérations d’amarrage avec un Apollo CSM devaient démontrer la compatibilité entre les différents véhicules.

Le séjour de trente jours à la surface aurait exigé des systèmes fiables de production d’énergie, de survie, de contrôle thermique, de stockage, d’exploration et de remontée en orbite.

Le retour des astronautes et des échantillons aurait dépendu de la réussite de l’étage d’ascension, du largage séquentiel des réservoirs et du rendez-vous avec l’orbiteur martien.

Documentation et représentations du projet

Le Mars Excursion Module a été présenté dans plusieurs études de la NASA et de ses partenaires industriels.

Le document An Initial Concept of a Manned Mars Excursion Vehicle for a Tenuous Mars Atmosphere, de Gordon R. Woodcock, a été produit par le Marshall Spaceflight Center de la NASA.

Le rapport Definition of Experimental Tests for a Manned Mars Excursion Module. Final Report, Volume IV-Briefing a été préparé par Geoffrey S. Canetti pour North American Rockwell.

Le document Integrated Manned Interplanetary Spacecraft Definition, Volume IV, System Definition a été attribué à Boeing.

Le MEM tel qu’il apparaît dans le document de 1967 intitulé Definition of Experimental Tests for a Manned Mars Excursion Module, Volume IV est présenté comme un élément central du profil de mission.

Une autre vue de 1969 montre le véhicule pendant les différentes étapes de sa mission : départ de l’orbite martienne, descente, séjour à la surface, ascension et rendez-vous avec l’orbiteur.

Cette représentation offre une vue détaillée du véhicule d’ascension central et de ses réservoirs, qui devaient quitter Mars en abandonnant le reste de l’atterrisseur.

Les images correspondantes sont des images du domaine public diffusées par la NASA.

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