Quelle est la distance entre la Terre et Mars ?

Mars est la deuxième planète du système solaire la plus proche de la Terre après Vénus. En raison de sa couleur rougeâtre, la planète a été nommée d’après le dieu de la guerre. L’une des premières observations télescopiques (D. Cassini, 1666) a montré que la période de rotation de cette planète est proche des 24 heures et 40 minutes de la Terre. A titre de comparaison, la période de rotation exacte de la Terre est de 23 heures 56 minutes 4 secondes, et pour Mars, cette valeur est de 24 heures 37 minutes 23 secondes. L’amélioration des télescopes a permis de détecter des calottes polaires sur Mars et de commencer à cartographier systématiquement la surface de Mars.

Contexte

Images de Mars prises par le télescope spatial Hubble lors de la grande opposition de 2003.

À la fin du XIXe siècle, des illusions d’optique ont donné naissance à l’hypothèse selon laquelle Mars possédait un vaste réseau de canaux créés par une civilisation très avancée. Ces hypothèses ont coïncidé avec les premières observations spectroscopiques de Mars, qui ont confondu les raies de l’oxygène et de la vapeur d’eau de l’atmosphère terrestre avec celles de l’atmosphère martienne.

Représentation artistique du lancement vers Mars des héros du roman «Aelita» d’A. Tolstoï. Le roman «Aelita» de Tolstoï.

Par conséquent, à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle, l’idée de l’existence d’une civilisation avancée sur Mars est devenue populaire. Les illustrations les plus frappantes de cette théorie sont les romans «La guerre des mondes» de G. Wales et «Aelita» d’A. Tolstoï. Dans le premier cas, les Martiens belliqueux ont tenté de s’emparer de la Terre à l’aide d’un canon géant, qui a tiré des cylindres avec une équipe de débarquement en direction de la Terre. Dans le second cas, les Terriens utilisent une fusée à essence pour se rendre sur Mars. Alors que dans le premier cas, le vol interplanétaire dure plusieurs mois, dans le second cas, il s’agit d’un vol de 9 à 10 heures.

La distance entre Mars et la Terre est très variable : de 55 à 400 millions de kilomètres. En général, les planètes se rapprochent l’une de l’autre une fois tous les deux ans (confrontations ordinaires), mais en raison de la forte excentricité de l’orbite de Mars, les rapprochements (grandes confrontations) se produisent une fois tous les 15-17 ans.

Le tableau montre clairement que les grandes oppositions diffèrent également parce que l’orbite de la Terre n’est pas circulaire. À cet égard, il y a aussi les plus grandes oppositions, qui se produisent environ tous les 80 ans (par exemple, en 1640, 1766, 1845, 1924 et 2003). Il est intéressant de noter qu’au début du 21e siècle, les gens ont assisté à la plus grande confrontation depuis plusieurs milliers d’années. Lors de la confrontation de 2003, la distance entre la Terre et Mars était inférieure de 1900 kilomètres à celle de 1924. D’autre part, on pense que la confrontation de 2003 a été la confrontation la plus faible des cinq derniers millénaires.

Les grandes oppositions ont joué un rôle majeur dans l’histoire de l’exploration de Mars, car elles ont permis d’obtenir les images les plus détaillées de Mars et de faciliter les voyages interplanétaires.

Au début de l’ère spatiale, la spectroscopie infrarouge au sol avait considérablement réduit les chances de vie sur Mars : il a été déterminé que le principal composant de l’atmosphère était le dioxyde de carbone, et que la teneur en oxygène de l’atmosphère de la planète était minime. En outre, la température moyenne de la planète a été mesurée et s’est avérée comparable à celle des régions polaires de la Terre.

Le premier radar de Mars

Antenne de réception du radar ADU-1000 (Pluto) en Crimée

Les années 1960 du XXe siècle ont été marquées par des progrès significatifs dans l’étude de Mars, avec l’avènement de l’ère spatiale et la possibilité de réaliser des radars martiens. En février 1963, en URSS, à l’aide du radar ADU-1000 («Pluto») en Crimée, composé de huit antennes de 16 mètres, le premier radar martien a été réalisé avec succès. La planète rouge se trouvait alors à 100 millions de kilomètres de la Terre. Le signal radar a été émis à une fréquence de 700 mégahertz, et le temps total pour que les signaux radio voyagent de la Terre à Mars et vice-versa a été de 11 minutes. Le coefficient de réflexion à la surface de Mars était inférieur à celui de Vénus, même s’il atteignait parfois 15 %. Cela prouve que Mars possède des zones horizontales planes de plus d’un kilomètre.

Trajectoires possibles vers Mars

Trajectoires vers Mars

Un vol en ligne droite vers Mars n’est pas possible car la trajectoire de tout vaisseau spatial sera influencée gravitationnellement par le Soleil. Par conséquent, trois options de trajectoire sont possibles : elliptique, parabolique et hyperbolique.

Trajectoire elliptique (Goman) vers Mars

La théorie de la trajectoire de vol la plus simple vers Mars (elliptique), qui consomme un minimum de carburant, a été développée en 1925 par le scientifique allemand Walter Goman. Bien que cette trajectoire ait été proposée indépendamment par les scientifiques soviétiques Vladimir Vetchinkin et Friedrich Zander, elle est aujourd’hui largement connue sous le nom de trajectoire Goman.

La trajectoire de Goman vers Mars

En fait, cette trajectoire est un demi segment d’une orbite elliptique autour du Soleil, dont le péricentre (le point de l’orbite le plus proche du Soleil) est proche du point de départ (la planète Terre) et l’apocentre (le point de l’orbite le plus éloigné du Soleil) est proche du point d’arrivée (la planète Mars). Le passage à la trajectoire Homann la plus simple vers Mars nécessite une augmentation de 2,9 km par seconde de la vitesse du satellite de la Terre (dépassant la seconde vitesse spatiale).

Les fenêtres les plus favorables d’un point de vue balistique pour un vol vers Mars se produisent environ tous les 2 ans et 50 jours. En fonction de la vitesse initiale depuis la Terre (de 11,6 km par seconde à 12 km par seconde), la durée d’une mission vers Mars varie de 260 à 150 jours. La diminution du temps de vol interplanétaire se produit non seulement en raison de l’augmentation de la vitesse, mais aussi de la diminution de la longueur de l’arc de l’ellipse de la trajectoire. Mais en même temps, la vitesse de rencontre avec la planète Mars augmente : de 5,7 à 8,7 km par seconde, ce qui complique le vol par la nécessité de réduire la vitesse en toute sécurité : par exemple, pour entrer dans l’orbite martienne ou pour atterrir à la surface de Mars.

Exemples de durée d’une mission vers Mars sur une trajectoire elliptique

Au cours des 60 années de l’ère spatiale, 50 missions spatiales de sondes automatiques ont été envoyées sur Mars (y compris deux engins spatiaux qui n’ont utilisé Mars que pour un survol gravitationnel — Down et Rosetta). Seules 34 sondes spatiales sur ces 50 ont pu atteindre la trajectoire de vol interplanétaire vers Mars. La durée du vol vers Mars pour ces sondes (les missions échouées les plus célèbres sont également incluses) :

• «Mars-1» — 230 jours (perte de communication au 140e jour de vol)
• «Mariner-4» — 228 jours.
• «Probe-2» — 249 jours (perte de communication au 154e jour de vol).
• «Mariner-5» — 156 jours
• «Mariner-6 — 131 jours

x) 2x «Mars-69» — 180 jours (accident de RN)

• «Mars-2 — 191 jours
• «Mars-3 — 188 jours
• «Mariner-9 — 168 jours
• «Mars-4 — 204 jours
• «Mars-5 — 202 jours
• «Mars-6 — 219 jours
• «Mars-7 — 212 jours
• «Viking-1 — 304 jours
• «Viking-2 — 333 jours
• «Phobos-1 — 257 jours (perte de communication au 57ème jour de vol)
• «Phobos-2 — 257 jours.
• «Mars Observer — 333 jours (perte de communication au 330ème jour de vol)

(x) «Mars-96» — 300 jours (défaillance du booster de la fusée)

18) «Mars Passfinder» — 212 jours

19) «Mars Global Server» — 307 jours

20) «Nozomi» (1ère tentative) — 295 jours

20) «Nozomi» (2ème tentative) — 178 jours (perte de communication au 173ème jour de vol)

21) «Mars Clymed Orbiter» — 286 jours

22) «Mars Polar Lander» — 335 jours

(23) Mars Odyssey 2001 — 200 jours

24) Spirit — 208 jours

(25) Opportunity — 202 jours.

26) Mars Express — 206 jours

27) MRO — 210 jours

28) Phoenix — 295 jours

(29) Curiosity — 250 jours.

(x) Mars Phobos Cargo — 325 jours (resté en orbite terrestre)

30) MAVEN — 308 jours

31) MOM — 298 jours

32) Exomars 2016 — 219 jours.

Comme le montre cette liste, le vol le plus court vers Mars a été celui du petit atterrisseur Mariner 6 (412 kg) en 1969 : 131 jours. Les vols les plus longs ont été effectués par les missions orbitales et d’atterrissage Mars Polar Lander (335 jours), Mars Observer et Viking-2 (333 jours chacune). Il est évident que ces missions étaient à la limite des capacités des fusées existantes. La mission russe «Mars Phobos Soil» a dû effectuer un vol aussi long (11 mois) pour ramener le sol de Phobos sur Terre.

La mission Mars Phobos Grunt a été la première tentative d’élaboration d’un vol aller-retour vers Mars. La durée de ce vol devait être de 2 ans et 10 mois. Des projets similaires ont été développés en URSS dans les années 70 du 20e siècle, mais ils prévoyaient l’acheminement de terre non pas à partir de la surface de Phobos, mais à partir de la surface de Mars. À cet égard, ils prévoyaient l’utilisation de la fusée super-lourde H1 ou de deux lancements de la fusée lourde «Proton».

Par ailleurs, on peut noter les longs vols entre la Terre et Mars, qui ont été effectués par deux sondes destinées à étudier les petits objets du système solaire : Dawn (509 jours) et Rosetta (723 jours).

Conditions du voyage vers Mars

Les conditions de l’espace interplanétaire sur la trajectoire de survol de Mars sont parmi les plus étudiées des différentes régions de l’espace interplanétaire du système solaire. Le premier vol interplanétaire entre la Terre et Mars, effectué par la station soviétique «Mars-1» en 1962-1963, avait déjà révélé la présence de flux de météorites : le détecteur de micrométéorites de la station avait enregistré des impacts de micrométéorites toutes les 2 minutes à une distance de 20 à 40 millions de kilomètres de la Terre. Les mesures de la même station ont également permis de mesurer l’intensité des champs magnétiques dans l’espace interplanétaire : 3-9 nanoTesla.

Comme il existe de nombreux projets de missions humaines vers Mars, les mesures du rayonnement cosmique dans l’espace interplanétaire jouent un rôle particulier dans ces études. À cette fin, un détecteur d’environnement radiatif (RAD) a été installé à bord du rover martien le plus avancé (Curiosity). Ses mesures ont montré que même un vol interplanétaire de courte durée présente un grand danger pour la santé humaine.

Une expérience encore plus intéressante pour étudier l’effet des conditions d’un long vol interplanétaire sur les organismes vivants devait avoir lieu dans le cadre de la mission russe ratée Mars-Fobos-Grunt. Le véhicule de rentrée transportait un module LIFE de 100 grammes contenant dix micro-organismes différents ainsi que des échantillons de sol. L’expérience devait permettre d’évaluer les effets de l’environnement interplanétaire au cours d’une mission spatiale de trois ans.

Explorer la possibilité d’une mission humaine sur Mars

Parallèlement aux premières tentatives de lancement de sondes automatiques vers Mars, l’URSS et les États-Unis développent depuis 1960 des projets de mission habitée vers Mars, avec l’objectif de la lancer en 1971. Ces projets se distinguaient par la masse du vaisseau interplanétaire, qui se chiffrait en centaines de tonnes, et par la présence d’un compartiment spécial offrant un niveau élevé de protection contre les radiations cosmiques, où l’équipage devait s’abriter pendant les éruptions solaires. Ces vaisseaux devaient être alimentés par des réacteurs nucléaires ou de très grands panneaux solaires. Pour préparer ces missions, des expériences terrestres sur l’isolement humain («Mars-500» et sites d’essai martiens dans l’Arctique canadien, à Hawaï, etc.) et des expériences sur la création de biosphères fermées («BIOS» et «Biosphère-2») ont été menées. Comme le montre le nom de l’expérience «Mars-500», il s’agit d’une variante de vol vers Mars en 500 jours environ, ce qui est deux fois plus court que le schéma classique (2 à 3 ans).

Par rapport au schéma classique, le temps de séjour dans le système martien est ici réduit de 450 à 30 jours.

Trajectoire parabolique du vol vers Mars

Dans le cas d’un vol parabolique vers Mars, la vitesse initiale du vaisseau spatial devrait être égale à la troisième vitesse spatiale : 16,7 kilomètres par seconde. Dans ce cas, le vol entre la Terre et Mars ne durera que 70 jours. Mais dans le même temps, la vitesse de rencontre avec la planète Mars augmentera pour atteindre 20,9 kilomètres par seconde. La vitesse du vaisseau spatial par rapport au Soleil pendant le vol parabolique diminuera de 42,1 km par seconde sur Terre à 34,1 km par seconde sur Mars.

La mission de rentrée parabolique ne durera que 5 mois.

Mais dans le même temps, les coûts énergétiques liés à l’accélération et à la décélération seront multipliés par 4,3 par rapport à un vol sur une trajectoire elliptique (Goman).

L’urgence de ces vols augmente en raison des fortes radiations dans l’espace interplanétaire. Bien que les vols sur trajectoire parabolique nécessitent plus de carburant, ils réduisent les exigences en matière de protection contre les radiations et la quantité d’oxygène, d’eau et de nourriture pour l’équipage du vaisseau spatial. Les trajectoires paraboliques se situent dans une fourchette très étroite, il est donc beaucoup plus intéressant d’envisager un large éventail de trajectoires hyperboliques, au cours desquelles le vaisseau spatial se rendrait sur Mars à des vitesses de fuite du système solaire supérieures à la troisième vitesse spatiale.

Trajectoire hyperbolique d’une mission vers Mars

L’humanité a déjà maîtrisé la possibilité d’accélérer les engins spatiaux à des vitesses hyperboliques. En 60 ans d’ère spatiale, cinq sondes spatiales ont été lancées dans l’espace interstellaire (Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 et New Horizons). Ainsi, New Horizons n’a mis que 78 jours pour passer de la Terre à l’orbite martienne. Récemment découvert, le premier objet interstellaire «Oumuamua» a une vitesse hyperbolique encore plus grande : l’espace entre la Terre et l’orbite martienne, il l’a parcouru en seulement 2 semaines.

Matériel par thème

Actuellement, des projets sont développés pour des vols vers Mars selon des trajectoires hyperboliques. Pour ce faire, de grands espoirs sont placés dans les moteurs-fusées électriques (ioniques), qui peuvent avoir un débit allant jusqu’à 100 kilomètres par seconde (à titre de comparaison, les moteurs chimiques sont limités à 5 kilomètres par seconde). Cette voie est actuellement en plein développement. Ainsi, les moteurs ioniques de la sonde Dawn ont pu fournir une vitesse incrémentale de plus de 10 kilomètres par seconde, en n’utilisant qu’une demi-tonne de xénon pour 10 ans de mission, ce qui constitue un record pour toute station interplanétaire. Le principal inconvénient de ces moteurs est leur faible puissance, due à l’utilisation de sources d’énergie de faible puissance (panneaux solaires). Ainsi, la station européenne SMART-1 pour le vol de l’orbite de géo-transition vers la Lune a mis un an. En comparaison, les stations lunaires conventionnelles se sont rendues sur la Lune en quelques jours seulement. À cet égard, l’équipement des engins spatiaux interplanétaires avec des moteurs ioniques sera étroitement lié au développement de centrales nucléaires spatiales. Le moteur VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), d’une puissance de 200 mégawatts et fonctionnant à l’argon, devrait permettre d’effectuer des vols habités de 40 jours vers Mars. À titre de comparaison, les sous-marins de la classe Seawolf utilisent un réacteur nucléaire de 34 mégawatts et le porte-avions de la classe Gerald Ford un réacteur nucléaire de 300 mégawatts.

Des perspectives encore plus alléchantes dans le domaine des vols vers Mars promettent le projet de moteur X3, qui peut théoriquement amener un homme sur Mars en seulement 2 semaines. Récemment, ce moteur, développé par des scientifiques de l’université du Michigan, de l’armée de l’air américaine et de la NASA, a enregistré un record de puissance (100 kW) et de poussée (5,4 newtons). Le précédent record de poussée pour un moteur ionique était de 3,3 newtons.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023