Le départ
Il existe de nombreux lieux de lancements pour les fusées, tels que Baïkonour, Cap Canaveral et Kourou qui sont presque tous proches de l’équateur afin de décoller avec une intensité de pesanteur le plus faible possible bien qu’il soit aussi possible de mettre en orbite depuis les pôles notamment pour certains lancements qui suivent des orbites très particulières. Néanmoins la plupart des lancements se font depuis l’équateur. Ceci s’explique par le fait que la Terre n’est pas totalement sphérique et en effet elle « s’aplatit » sur les pôles. Ainsi la distance surface-centre à l’équateur est plus grande.
La vitesse de rotation a pour effet de propager sa masse à son équateur, il s’agit de la force centrifuge. Les pôles s'aplatissent donc, puisqu'au niveau de l'axe de rotation de la terre, passant donc d’un pôle à l’autre, la force centrifuge est pratiquement nulle. On a donc un rayon polaire de 6357 Km et un rayon équatorial de 6378 km. La différence entre les rayons et donc 6378 - 6357 = 21 km.
On sait que p=mg, c'est-à-dire que la force de pesanteur équivaut à la masse de l’objet multiplié par l’intensité de pesanteur de son astre.
Schéma de la différence entre le diamètre polaire et le diamètre équatorial
On souhaite faire décoller une fusée d’environ 5000 tonnes, c'est-à-dire environ une masse équivalente à une moitié de Tour Eiffel. L’idéal serait que s’oppose une force de gravité la plus faible possible lors du décollage pour faire des économies de carburants en essayant de se rapprocher de l’équateur.
On sait que g = G (M/r²).
L’intensité de pesanteur est donc inversement proportionnelle au rayon de l’astre. Ainsi, l’intensité de pesanteur est plus faible à l’équateur qui est donc un lieu de décollage idéal.
Aux vues des proportions de la fusée, le pas de tir le plus convenable est celui de Saturn V au cap Canaveral. Rappelons que ce pas de tir est celui du décollage de Saturn V, fusée qui emmena l’être humain sur la Lune en Juillet 1969 et qui est encore actuellement la fusée la plus massive, chère et était capable d’envoyer 135 tonnes en orbite.
Au départ la BFR est constituée de deux parties, le vaisseau spatial et le propulseur. La fusée décolle jusqu’à l’orbite basse terrestre puis se sépare : le vaisseau reste en orbite et le propulseur retourne sur Terre en vue des prochaines utilisations.
Le système de décollage et d'atterrissage de la BFR
Mais le décollage n’est pas une expérience anodine même pour des professionnels. En effet durant cette étape les astronautes subissent une accélération importante. Par exemple pour un décollage de fusée Falcon 9 de SpaceX, on peut déterminer une valeur d’accélération moyenne à l’aide d’une étude sous Excel.
Tableau excel de l'accélération moyenne du décollage de la BFR et graphique de g en fonction du temps
On peut alors observer que les passagers ressentent un poids environ 3 fois supérieur à celui habituel. La circulation du sang ne posera donc pas de réel danger, il faudrait avoir une accélération bien supérieure. L’entrainement préalable des astronautes est tout de même nécessaire car il ne faudrait pas risquer un évanouissement. Cet entrainement pourra être effectué à bord de centrifugeuses, comme celle de l’ESA ayant un bras de 4m et tournant pendant 35s, avec un phase d’accélération et de décélération permettant une phase de 10s à une vitesse de rotation de π rd/s.
L’accélération normale dépendant de la vitesse de rotation et s’exerçant bien de manière à s’opposer au sujet d’étude, on peut bien calculer que le sujet subis une accélération maximum envions égale à
rσ’²= 4 x π² = 39.48 m/s² = 4g
Ils devront aussi suivre de nombreux cours pour pallier toutes éventualités sans forcément faire appel aux techniciens sur Terre. Cela leur permettra de réagir instantanément et de la meilleure des façons tout en pouvant se passer d’un ou plusieurs membres. C’est sur ce point que la formation des astronautes sera surement la plus longue : l’apprentissage de toutes les connaissances nécessaires (mécanismes BFR, possibilité de se soigner seul...) et leur capacité à conduire et amener à bon port le vaisseau et l’équipage. Mais on peut imaginer à long terme une équipe d’une dizaine de personnes surentraînées encadrant la masse de voyageurs qui auront payé leur place. Ces derniers n’auraient qu’à connaitre quelques bases pour survivre sur la planète rouge et se laisser guider durant le voyage. En tous cas il faudra que les passagers aient un mental d’acier pour affronter ce que les psychologues appellent « la Terre au-delà de l’horizon », ce sentiment incroyable qui prendra effet lorsque notre planète ne sera plus « qu’un grain de poussière » dans l’immensité du cosmos.
Le mal de l'espace peut entraîner nausées et vomissements.
Le propulseur retourne sur Terre après une vingtaine de minutes de vol, ses réservoirs sont de nouveau remplis, et il ne reste qu’à fixer à la place du vaisseau spatial un réservoir identique au vaisseau. L’opération du décollage est répétée, ainsi que la séparation, de sorte que le réservoir se fixe au vaisseau spatial resté en orbite. Ensuite on commence le transfert du carburant nécessaire au vaisseau spatial pour rejoindre Mars. Ceci va être effectué grâce à des micros accélérations, pour l’instant aucun transfert d’ergols liquide de cette envergure n’a jamais été réalisé en microgravité. Finalement le réservoir revient sur Terre pour être à son tour réutilisé près d’une centaine de fois. Une fois rempli, le BFS entamera son long voyage vers Mars suivant une trajectoire précise qui se renouvelle tous les 26 mois en raisons des périodes orbitales différentes martienne et terrestre. Tout d’abord il devra s’éjecter de l’attraction gravitationnelle terrestre l’utilisation de moteurs chimiques rend cette opération extrêmement rapide (poussée forte et puissante), à peine quelques jours. Il va ensuite falloir choisir quelle est la bonne trajectoire.
Propulseur réutilisable de SpaceX
Les trajectoires sont soumises à différents critères de choix autant économiques que scientifiques : consommation de carburant et taille du vaisseau, séjour de l’équipage en milieu interplanétaire pour les radiations et la décalcification osseuse, durée du séjour sur le sol martien pour une étude approfondie, durée totale de la mission pour le ravitaillement. En plus de ces critères il faut rajouter ceux de la mécanique spatiale qui vont obliger des départs à des dates précises. Deux solutions s’opposent. La trajectoire dite « d’opposition » et celle « de conjonction ».
Le scénario de conjonction : Le but de ce scénario est de maximiser le temps passé sur Mars, et minimiser le temps de voyage interplanétaire ainsi que le carburant utilisé. L’équipage passe en effet deux fois 180 jours entre les deux planètes et 550 jours sur Mars. Malheureusement, le voyage est tout de même très long et oblige un gros apport de ravitaillement tout en exposant ses voyageurs longtemps aux radiations.
Le scénario d'opposition : Le but de ce scénario est de minimiser le temps passé hors de la Terre. Les astronautes feront un voyage de 180 jours à l’aller, puis 30 jours sur la surface martienne et enfin 430 jours de voyage retour qui comprend un survol de Vénus. Les inconvénients sont donc peu de jour passés sur Mars, voyage couteux en ergols. Il possède tout de même l’avantage de minimiser les radiations et de proposer un survol de Vénus.
Le scénario de conjonction a largement la préférence des scientifiques ainsi que celui de SpaceX. Le scénario d'opposition ne permet qu'un séjour d'environ 30 jours sur le sol martien. Cela complique la mise en place d’expériences et la réorientation en cas de découvertes majeures. De plus il n’est pas suffisant pour laisser la place à l’exploration, la mise en place d’une usine à ergols, la production des ergols de retour. À l'opposé les deux seuls inconvénients de la méthode de conjonction sont une exposition plus longue des astronautes aux rayons cosmiques et un coût légèrement supérieur.Une fois la trajectoire réglée, le vaisseau spatial entame donc son long voyage jusqu’à la planète Rouge avec à son bord environ 100 passagers et dure environ 130 jours pendant lesquels de nombreux problèmes vont se poser.
Déroulement des scénarios d'opposition et de conjonction : 1 : Lancement de l'équipage, 2 : Atterrissage sur Mars, 3 : Décollage du sol de Mars, 4 Assistance gravitationnelle de Vénus (scénario d'opposition uniquement), 5 Retour sur Terre.