Grâce à son programme « Moon to Mars », la NASA prévoit d'envoyer les premières missions équipées à Mars d'ici la fin de la prochaine décennie. Pour réaliser cette vision audacieuse, l'agence enquête sur les technologies avancées à travers de nombreux programmes. Cela comprend les technologies de propulsion avancées qui réduiront les temps de transit à Mars, limitant ainsi l'exposition des astronautes à la microgravité et au rayonnement cosmique. Les autres technologies à l'étude comprennent les méthodes d'élimination des déchets, la remise en état de l'eau, la santé et la sécurité des équipages et l'autosuffisance des ressources.
La NASA s'efforce également de faire évoluer des technologies clés qui permettra des missions d'exploration à faible coût à Mars et dans tout le système solaire. Cela inclut ce qui est considéré comme la technologie la plus importante: les systèmes de propulsion électrique sous-kilowatt pour les petits vaisseaux spatiaux – 500 kg (1100 lb) ou moins. Dans un article soumis à la 56e conférence lunaire et en sciences planétaires (2025 LPSC), une équipe de chercheurs de la NASA propose une nouvelle initiative: la propulsion de la salle commerciale pour les services de charge utile de Mars (Champs).
L'étude a été menée par les chercheurs de la NASA, Gabriel F. Benavides, Steven R. Oleson et Alain SJ Khayat. Benavides est un ingénieur de propulsion électrique dans l'espace au NASA Glenn Research Center (GRC), tandis qu'Alain SJ Khayat est chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA. Steven R. Oleson est le chef de l'équipe de conception des réacteurs de fission compacte au Los Alamos National Laboratory et la tête de l'équipe Compass de la NASA GRC. Cette équipe d'ingénierie collaborative effectue des analyses intégrées de systèmes de véhicules.
Un écart technologique
Comme ils l'indiquent, leur travail est basé sur des travaux antérieurs tels que les études de Smallsat (PSDS3) de la science planétaire (PSDS3) et le programme innovant des missions pour l'exploration planétaire (Simplex). Ces études ont établi l'importance des propulseurs à effet électrostatique de la salle électrostatique à faible puissance (HET) avec un blindage magnétique optimisé. Ces systèmes de propulsion reposent sur l'énergie solaire (ou une autre source d'énergie pour ioniser un propulseur de gaz inerte (comme le xénon), qui est canalisé par des champs magnétiques pour générer une poussée.
Selon le programme Artemis, ces systèmes propulseront les deux premiers éléments de la passerelle lunaire – l'élément de puissance et de propulsion (EPI) et de l'habitation et de la logistique avant-poste (Halo) – à leur orbite proposée autour de la lune. Cette mission, actuellement prévue pour 2027, verra les deux éléments lancés par un Falcon Heavy de la Terre à une orbite lunaire. Une fois là-bas, les modules PPE et Halo s'appuieront sur leurs systèmes de propulsion solaire-électrique (SEP) de haute puissance pour établir une orbite de halo quasi-rectiligne (NRHO).
Malheureusement, ce domaine a eu un écart technologique, la NASA a donc lancé le projet de propulsion électrique de spatiaux (SSEP) en 2017. Ce programme vise à développer des versions miniaturisées des systèmes de propulsion solaire-électrique (SEP) de la propulsion solaire (SEP) de la NASA de haute puissance de la NASA. Le H71M de la NASA est l'exemple actuel d'un SEP à haute performance miniaturisé. Avec un débit de propulseur prévu de plus de 140 kg (310 lb), ce système génère suffisamment de puissance pour propulser un vaisseau spatial de 450 kg (990 lb).
La NASA a commencé à collaborer et à lier le H71M avec des partenaires commerciaux pour assurer la disponibilité du système pour les futures missions de petits spatiaux. Cela a conduit Oleson et l'équipe Compass à développer leur concept Champs pour les missions potentielles à Mars. Cette étude envisage un vaisseau spatial à l'aide d'une version commerciale du H71M – le système NHT-1X développé par Northrop Grumman. Ces missions s'appuieraient sur des opportunités de lancement plus fréquentes et à moindre coût plutôt que sur une orbite de transfert directe à mars.
Concept de mission
L'un des plus grands défis pour le montage des missions scientifiques à moindre coût avec de petits vaisseaux spatiaux est l'identification et la tenue d'une opportunité de lancement particulière de Mars. Le lancement en tant que charge utile principale est potentiellement coûteux, tandis que le lancement en tant que charge utile secondaire peut entraîner des complications car les besoins de la charge utile principale conduisent la date de lancement et la trajectoire. De plus, pivotant une date de lancement alternative n'est pas toujours une option. L'architecture Champs aborde cela en optant pour un lancement de charge utile secondaire avec une mission CLPS.
Ces missions devraient livrer régulièrement des charges utiles sur la lune dans les années à venir. La trajectoire de lancement est bien comprise et il y a probablement de nombreuses opportunités de lancement alternatives. La mission effectuerait des vérifications d'instruments en observant la lune tout en effectuant une manœuvre d'assistance gravitationnelle pour gagner la vitesse. Cette manœuvre permettra à la mission de s'insérer temporairement dans un NHRO autour de la lune jusqu'à ce qu'un alignement de terres de terre favorable se produise.
La première manœuvre à faible poussée durera environ trois mois, suivie d'une phase de croisière de quatre mois et d'une autre manœuvre à baisse de sept mois. Une fois qu'il a atteint Mars, le vaisseau spatial établira une orbite de 15 km (9,32 mi) au-dessus de la surface, où il aura une couverture équatoriale complète tous les cinq sols (5.137 jours de la Terre). En attendant, il atteindra les objectifs scientifiques secondaires en étudiant Deimos, le plus petit des deux lunes de Mars. Après deux ans, le vaisseau spatial montera sur une orbite aérosychronique – 17 km (10,5 mi) au-dessus de la surface.
Cela permettra une couverture continue de l'atmosphère au-dessus des caractéristiques de surface critiques tout en agissant comme un relais de données pour les missions de surface.
Instruments et objectifs
La mission Champs effectuera plusieurs études scientifiques en utilisant divers instruments. Selon leur article, cela comprendra un imageur visible / UV, comme l'imageur de couleur Mars (Marci) utilisé par le Mars Climate Orbiter (MCO) et le Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). Il aura également un radiomètre infrarouge thermique (TIR) comparable au Sounder Climate (MC) utilisé par le Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), et un spectromètre proche infrarouge (NIR) comme l'instrument Argus utilisé pour mener des études atmosphériques ici sur Terre.
En utilisant ces instruments, la mission des champions mesurera la structure 3D de l'atmosphère pour déterminer sa pression, sa température, sa distribution d'aérosols, sa vapeur d'eau et sa teneur en ozone. Il surveillera également le comportement et l'évolution des nuages de poussière et de glace à l'eau martiens pour en savoir plus sur les conditions météorologiques de la planète et les tempêtes de poussière de saison. Troisièmement, il mesurera les conditions du plasma et la structure du champ magnétique autour de Mars et comment il interagit avec le rayonnement ultraviolet extrême (EUV) du soleil.
Ces études permettront aux scientifiques d'étudier les questions scientifiques clés sur le climat martien, notamment l'interaction et le transport des volatils entre la surface et l'atmosphère, comment l'atmosphère inférieure / moyenne réagit au chauffage solaire régional et mondial et une base quotidienne et saisonnière, comment le couplage se produit entre les différents niveaux de l'atmosphère et la façon dont l'espace influence l'atmosphère.
L'équipe souligne également que leur proposition est conforme à l'initiative 1 du plan du programme d'exploration Mars (MEP) de la NASA, qui déclare:
« Établir une cadence régulière d'opportunités de mission à moindre coût axées sur les sciences en tant que nouvel élément du portefeuille MEP pour fournir une réponse rapide et flexible aux découvertes, pour répondre à l'étendue des questions exceptionnelles de Mars et pour permettre une participation accrue par la diversité de la communauté scientifique de Mars. »
