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Rentrée atmosphérique sur Mars

La rentrée atmosphérique sur Mars est l’entrée dans l’atmosphère de Mars. L’entrée dans l’atmosphère martienne à grande vitesse crée un plasma de CO2-N2, en opposition à O2-N2 pour l’atmosphère terrestre[1]. L’arrivée sur Mars est altérée par les effets du rayonnement de la chaleur produite par le CO2 et les poussières martiennes en suspension dans l’air[2]. Les différents types de vol pour l’entrée, la descente et l’atterrissage comprennent les systèmes d’aérocapture, de vitesse hypersonique, supersonique et subsonique[3].

Les systèmes de protection thermique et de friction atmosphériques ont été traditionnellement utilisés pour réduire une grande partie de l’énergie cinétique qui doit disparaître avant l’atterrissage, notamment avec l’aide de parachutes et parfois grâce à la rétropropulsion juste avant l’atterrissage. La rétropropulsion à grande vitesse et haute altitude est en cours de développement pour des vols transportant des charges plus importantes.

Par exemple, Mars Pathfinder est arrivé en 1997[4] Environ 30 minutes avant son entrée, l’étage de croisière et le véhicule de rentrée se sont séparés[4].Quand la capsule est entrée dans l’atmosphère, elle a décéléré en passant d’environ 7,3 km/s à 0,4 km/s en trois minutes[4]. Pendant la descente, le parachute s’est ouvert pour ralentir la chute, et peu de temps après, le bouclier thermique fut déployé[4]. Lors de l’entrée dans l’atmosphère, un signal a été envoyé à la terre, dont des signaux sous forme d’alphabet sémaphore lors des étapes importantes[4].

Graphique de comparaison entre l’altitude (axe y) et la vitesse (axe x) des atterrissages sur Mars
Ouverture du parachute de Phoenix (sonde spatiale) pendant la descente dans l’atmosphère martienne. Cette photo a été prise par Mars Reconnaissance Orbiter avec HiRISE
Bouclier thermique du MSL

Exemples
Le bouclier thermique largué par MER-B présent à la surface de Mars

Technologies

Un objet déployable comme un parachute peut ralentir un vaisseau spatial en complément, et à la suite du bouclier thermique[5]. Traditionnellement, le parachute utilisé est composé d’un disque, d’une ouverture et d’une bande, mais une autre option consiste à fixer ou à laisser trainer un dispositif gonflable d’entrée dans l’atmosphère[5]. Ces systèmes gonflables entraînés peuvent être sphere w/ fence(sphérique avec bordure), teardrop w/ fence(en goutte avec bordure), isotensoid(isotensoïde), torus(en forme de tore), ou tension cone(de forme conique), pour les systèmes fixés, il existe les formes isotensoid(isotensoïde), tension cone(conique), et stacked toroid blunted cone(de toupie)[5]. Les chercheurs de la période pendant laquelle fut développé le programme Viking étaient les pionniers de cette technologie, mais le développement a dû être repris à zéro après des décennies de négligence[5]. Les dernières études ont démontré que les formes tension cone, isotensoid, et stacked torus seraient les meilleurs systèmes à développer[5].

La sonde finlandaise MetNet pourrait utiliser un bouclier extensible d’entrée dans l’atmosphère si elle est lancée[6]. L’air martien peut aussi être utilisé pour de l’aérofreinage en vitesse orbitale (aérocapture), au lieu de simplement descendre et d’atterrir[1]. La rétropropulsion supersonique est une autre technique consistant à perdre de la vitesse[7].

La NASA mène des recherches sur les technologies de décélération rétropropulsive afin de développer de nouvelles approches sur l’entrée dans l’atmosphère de Mars. Le problème majeur des techniques de propulsion est la gestion des fluides et le contrôle d'attitude du vaisseau pendant la phase de descente et de rétropropulsion supersonique de l’entrée dans l’atmosphère. Plus précisément, la NASA mène des études depuis 2014 sur un capteur de thermographie infrarouge qui permettrait de collecter des informations à partir des tests de contrôle d’atterrissage à partir d’altitude élevée de SpaceX[8]. L’équipe de recherche est tout particulièrement intéressée par les 70 à 40 kilomètres d’altitude du SpaceX lors de sa « réentrée brûlante », c’est-à-dire, par les tests de l’entrée dans l’atmosphère terrestre du Falcon 9 puisqu’ils sont au plus près des « vols opérés lors de la rétropropulsion sur Mars » qui reflètent les conditions de l’entrée dans l’atmosphère de Mars et de la descente[9].

Exemple

Les données suivantes ont été collectées par l’équipe affectée à l’entrée, la descente et l’atterrissage du Mars Science Laboratory au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Elles donnent la chronologie des étapes cruciales de la mission du (heure du Pacifique, UTC−7)[10].

ÉvénementHeure de l’événement sur Mars (UTC−7)Heure de réception de l’événement sur Terre ( UTC−7)
Entrée dans l’atmosphère22 h 10 min 45 s 722 h 24 min 33 s 8
Déploiement du parachute22 h 15 min 04 s 922 h 28 min 53 s 0
Largage du bouclier thermique22 h 15 min 24 s 622 h 29 min 12 s 7
Rover gruté au sol22 h 17 min 38 s 622 h 31 min 26 s 7
Atterrissage22 h 17 min 57 s 322 h 31 min 45 s 4

Publication de l’équipe chargée de l’atterrissage de Curiosity dont voici la chronologie des événements cruciaux représentant l’atterrissage du Rover sur Mars.

Articles connexes

Références
  1. J. Louriero, et al. - Atmospheric Entry Research at the Plasma Physics Centre « Copie archivée » (version du 20 janvier 2011 sur Internet Archive)
  2. R. M. Haberle, et al. - A boundary-layer model for Mars - Journal of the Atmospheric Sciences
  3. Development of Supersonic Retro-Propulsion for Future Mars Entry, Descent, and Landing Systems « Copie archivée » (version du 27 février 2012 sur Internet Archive) (.pdf)]
  4. Mars Pathfinder Atmospheric Entry Strategy - NASA
  5. B. P. Smith, et al. - A Historical Review of Inflatable Aerodynamic Decelerator Technology Development « Copie archivée » (version du 24 avril 2012 sur Internet Archive)
  6. « MetNet EDLS »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)
  7. Hoppy Price - Austere Human Missions to Mars (2009) - JPL
  8. (en) Frank, Jr. Morring, « NASA, SpaceX Share Data On Supersonic Retropropulsion : Data-sharing deal will help SpaceX land Falcon 9 on Earth and NASA put humans on Mars », Aviation Week,‎ (lire en ligne, consulté le ) :
    « the requirements for returning a first stage here on the Earth propulsively, and then ... the requirements for landing heavy payloads on Mars, there’s a region where the two overlap—are right on top of each other ... If you start with a launch vehicle, and you want to bring it down in a controlled manner, you’re going to end up operating that propulsion system in the supersonic regime at the right altitudes to give you Mars-relevant conditions. »
  9. (en) « New Commercial Rocket Descent Data May Help NASA with Future Mars Landings, no. 14-287 », NASA, (consulté le )
  10. NASA - Timeline Mission Milestones During Curiosity's Landing

Liens externes
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