La Lune, Mars et au-delà: la technologie derrière la nouvelle course à l'espace

L'été 2019 a marqué le cinquantième anniversaire de la mission Apollo 11, lorsque les humains ont marché pour la première fois à la surface de la Lune. L'ingénierie et la technologie ont progressé grâce à une course de deux chevaux entre les États-Unis et l'Union soviétique, où ce dernier semblait apparemment en tête dans tous les domaines. Cette bataille était alimentée par la suspicion, la peur et la volonté d'être "meilleur" que l'autre pays. Mais comme pour tous les sprints de la ligne d'arrivée, le rythme ne pouvait pas durer et l'urgence est vite passée. Mais maintenant, il y a une nouvelle race – pas de pays, mais celle combattue par entreprises. Le capitalisme, la croissance et les opportunités commerciales sont les nouveaux carburants, et les objectifs sont encore plus ambitieux: pas seulement retourner sur la Lune, mais aussi sur Mars et au-delà.

Un récapitulatif de la dernière course à l'espace

Quoi exactement est une «course à l'espace» cependant? De nos jours, les lancements de fusées, transportant des satellites dans l'espace, ont lieu près de 200 fois par an et de multiples engins spatiaux opèrent sur ou autour d'autres planètes de notre système solaire. Donc, l'idée de faire une course dans ou vers l'espace peut sembler plutôt étrange, mais si nous remontons 60 ans en arrière, la situation était très différent.

De nos jours, les lancements de fusées, transportant des satellites dans l'espace, ont lieu près de 200 fois par an.

Seuls deux pays avaient réellement la capacité de lancer n'importe quoi dans l'espace: les États-Unis d'Amérique et l'Union des républiques socialistes soviétiques (mieux connue sous le nom d'Union soviétique). Le premier objet fabriqué par l'homme connu à atteindre l'espace était une fusée allemande V2, lancée par l'Allemagne nazie au cours des derniers jours de la Seconde Guerre mondiale, vers juin 1944. Cet essai n'avait pas d'objectif scientifique; C'était un exercice purement militaire, atteignant une altitude de 176 km avant de retomber directement sur Terre.

La technologie à l'origine du V2 a été utilisée à la fois par les États-Unis et l'Union soviétique après s'être emparés de scientifiques, de techniciens en ingénierie et de plans techniques à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Les États-Unis ont réussi leur passage dans l'espace en utilisant le design allemand avec la fusée Bumper. programme, 4 ans plus tard, l’URSS réalisant cet exploit quelques mois plus tard.

Un mot rapide, cependant, doit être dit sur l'endroit où se trouve exactement la ligne de démarcation pour l'espace. L’US Air Force et la NASA, par exemple, fixent ce point à une altitude de 80 km, alors que la FAI (organisation mondiale qui enregistre les exploits aériens et aériens) utilise la définition théorique de Theodore von Kármán pour le début de l’espace. , environ 62 miles (100 km). Quelle que soit l'altitude, la densité atmosphérique est très faible: 99% de l'atmosphère de la Terre se trouve en dessous de cette région, ce qui rend un vol avec ailes est essentiellement impossible.

Le simple fait de se rendre dans l’espace n’était pas l’intérêt principal des deux pays, car ils voulaient atteindre l’orbite. Avec cela, ils pourraient placer des objets qui pourraient rapidement faire le tour de la planète, hors de portée d’un avion de combat, pour prendre des images ou livrer une charge utile armée. En d'autres termes, c'était un militaire et dans les années 1950, les conflits en Corée et au Vietnam, associés à une augmentation considérable du nombre d'essais d'armes nucléaires et à des tensions politiques accrues entre les États-Unis et l'URSS, ont entraîné une urgence désespérée dans la course.

Le tournant décisif dans tout cela fut le lancement par l'URSS de Spoutnik 1 – le premier objet artificiel à compléter une orbite complète de notre planète. En réalité, il a parcouru plus de mille orbites avant que la traînée atmosphérique ne le ramène, mais pendant 3 semaines, le satellite de 180 kg (85 kg) a émis un simple signal radio, indiquant au monde «je suis là».

La course à l'espace avait vraiment commencé.

L'Union soviétique a ensuite réalisé un nombre important de «premières»:

Il semble maintenant que l’Amérique semble rester assise derrière elle et laisser l’autre prendre toute la gloire, mais au cours d’une période similaire (les années 60), ils ont mis au point les premiers satellites à énergie solaire; les premiers satellites de communication, satellites et météorologiques; ils ont également atteint Mars d’abord (l’URSS a atteint Vénus quelques années auparavant) et ont effectué le premier rendez-vous orbital et son amarrage.

La véritable ligne d'arrivée de la première course dans l'espace était sans doute la Lune. Lorsque les Soviétiques ont atteint notre satellite naturel (et par atteint, nous entendons un impact supérieur à 7 000 km / h), il est devenu la cible évidente à viser, non seulement pour des raisons militaires, mais pour une place permanente dans l'histoire. En mai 1961, le président John F. Kennedy prononça son célèbre discours devant le Congrès, avec la ligne immortelle suivante:

"Je pense que ce pays devrait s'engager à atteindre l'objectif, avant la fin de la présente décennie, d'atterrir un homme sur la lune et de le ramener en toute sécurité sur la terre."

Comme cela a été dit juste un mois après que Youri Gagarine ait dit:Poyekhali! ' et entourant la Terre dans l’espace, cela a dû paraître presque impossible à réaliser en 9 ans seulement; et pourtant, comme nous le savons tous, il a fallu 5 mois pour le faire.

Grâce à cet objectif présidentiel, au dynamisme et à l'engagement de milliers de scientifiques et à une pile de dollars saine, le programme spatial Apollo a introduit une série de nouveaux développements techniques – notamment dans les domaines de l'informatique, des matériaux et des technologies de fusée. Donc, pour préparer le terrain de cet article sur la nouvelle course à l'espace, jetons un coup d'œil à ceux-ci.

La nouvelle technologie de la vieille garde

La fin des années 50 et le début des années 60 marquaient l’aube des numérique Les systèmes informatiques et mécaniques et analogiques étaient utilisés avant et pendant cette période, mais ils ne disposaient pas des capacités de traitement requises pour gérer un système de fusée complexe, ils étaient trop fragiles pour pouvoir dépendre de milliers de kilomètres dans l’espace ou étaient éloignés, loin trop gros pour être utilisé dans un vaisseau spatial.

Heureusement pour le programme Apollo, les circuits intégrés monolithiques (alias un puce) avaient été inventés quelques années auparavant et leur rythme de développement était tel qu'ils pouvaient être fabriqués avec une qualité et une quantité suffisantes pour servir de base aux ordinateurs pour gérer les systèmes de guidage de la fusée.

Du début au milieu des années 1960, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont utilisé la nouvelle invention pour créer un ordinateur puissant (environ 85 000 opérations par seconde), compact (seulement 70 livres ou 32 kg) et très fiable. Cela peut sembler totalement archaïque par rapport aux normes actuelles, mais il était parfaitement adapté aux besoins de la NASA et a été utilisé pendant près de 10 ans dans de multiples missions. Il s'appelait officiellement l'AGC, Ordinateur de guidage Apollo.

Le fonctionnement et l’affichage en sortie de l’ordinateur ont été gérés par une unité distincte, appelée DSKY (écran et clavier); la saisie d’un programme s’est faite avec seulement deux commandes (verbe et nom) et les numéros associés. Cette simplicité était sa force: les astronautes pouvaient recevoir de nouveaux programmes du contrôle au sol, les entrer rapidement, sans avoir à s'inquiéter du fait qu'ils n'étaient pas des informaticiens de pointe.

Les 'noyaux' multiples ne sont pas une nouveauté

Tous les ordinateurs ont besoin de mémoire, bien sûr, et l’AGC n’était pas différent – il avait lecture seulement mémoire (ROM), pour contenir le logiciel d’exploitation, sous forme de mémoire de corde de base. Pensez à cela comme à un tapis tissé à la main, où des milliers de brins de fils sont enroulés autour ou alimentés par de petites boucles métalliques.

Ces boucles, appelées les noyaux, font partie d'un composant de circuit appelé transformateur d'impulsions et en fonction de la façon dont les brins ont été tissés autour des cœurs, le transformateur générera une sortie nulle (0) ou une sortie à onde carrée (1) – c’est-à-dire que chaque cœur a essentiellement un bit de stockage.

La CAG qui contrôlait la navette Apollo 11 comptait 540 kilobits (36 864 jeux de 16 cœurs – 15 pour les données et 1 pour les contrôles de parité) de mémoire ROM et tous les logiciels conçus par les scientifiques du MIT ont été minutieusement fabriqués par des équipes de femmes hautement qualifiées. dans les usines de Raytheon.

En plus de la mémoire ROM, l'AGC disposait également d'une petite quantité de mémoire réinscriptible, à savoir 30 kilobits de mémoire à noyau magnétique. Semblable en structure et en fonctionnement à la mémoire de câble de base, cette RAM de base, mais fiable, utilisait une induction électromagnétique dans les noyaux pour générer les valeurs 0 et 1 pour chaque bit.

Contrairement à la technologie de pointe utilisée pour contrôler les systèmes de vol de l'espace Apollo, l'Union soviétique utilisait des systèmes électromécaniques, tels que son unité de navigation Globus IMP. Cet ordinateur «d'horlogerie» était étonnamment sophistiqué et est resté utilisé (même si d'importantes modifications ont été apportées), pendant presque 40 ans.

Il convient de noter que, contrairement à l'AGC de la NASA, la machine Globus ne contrôlait pas directement le vaisseau spatial. Les premières missions spatiales de l'Union soviétique étaient automatisées et / ou contrôlées depuis la Terre – les cosmonautes étaient littéralement au rendez-vous. Cependant, le vaisseau spatial est resté en contact radio avec le contrôle de mission pendant une période relativement brève au sein de chaque orbite, et l'ordinateur Globus à engrenages a fourni un système robuste permettant de maintenir la position correcte et de fournir à l'équipage les informations nécessaires pour modifier leur position, si nécessaire.

Les ordinateurs à nouveau sur Terre

L'utilisation révolutionnaire des ordinateurs ne visait pas uniquement à contrôler les roquettes. Redescendre sur Terra Firma, La NASA a utilisé les dernières machines d’IBM pour traiter les données renvoyées par les missions et, lors du premier atterrissage sur la Lune, c’était une collection de systèmes / 360-91 qui assurait le traitement des chiffres.

C'étaient des machines vraiment remarquables – capables de gérer des opérations sur 32 bits en nombres entiers et en virgule flottante de 64 bits, jusqu'à 16 millions de calculs à la seconde. Elles ont été parmi les premières machines à effectuer des opérations de pipeline en profondeur et des exécutions dans le désordre. La mémoire système variait de 2 à 4 Mio et disposait de plusieurs canaux de mémoire pour améliorer les performances de lecture / écriture.

Les ordinateurs de contrôle au sol en URSS étaient tout aussi avancés. À peu près au même moment où la NASA utilisait pleinement les supercalculateurs d’IBM dans le programme Apollo, l’Académie soviétique des sciences avait conçu et construit une machine (le BESM-6) dotée d’un pipeline d’instructions parallèles et d’un processeur en virgule flottante à 48 bits (opérations à nombres entiers). ont été traités par les mêmes unités).

Même s’il ne correspondait pas au système / 360, en termes de vitesse d’horloge et de mémoire (le bus d’adresse n’avait qu'une largeur de 15 bits par rapport aux 21 bits d’IBM), c’était toujours un ordinateur très performant – à tel point qu’ils restaient en place. utiliser, comme tant de technologie soviétique au début, pendant près de deux décennies.

Le rythme des progrès de la technologie informatique a relégué ces machines dans l’histoire en à peine deux décennies (par exemple, le processeur 80486 d’Intel sorti en 1989 pouvait traiter jusqu’à 20 millions d’instructions par seconde et adresser 4096 Mo de RAM), mais le fait que les smartphones de Aujourd’hui ont des capacités dont les ingénieurs dans les années 1960 ne pouvaient que rêver, ne doit pas rien du tout grâce aux recherches et au développement effrénés des États-Unis et de l’Union soviétique.

Matériaux pour homme et machine

L'électronique numérique n'a pas été le seul domaine à avoir connu un développement et des progrès. Pour effectuer la mission de 8 jours sur la Lune et à l'arrière, l'équipage avait besoin de 3 engins spatiaux et de 3 fusées. Dans le cas des premiers, ils étaient les suivants:

  • Le module de commandement et de service Apollo (CSM) – il était utilisé par les astronautes pendant le vol et contenait également l'hydrogène et l'oxygène nécessaires à l'air, à l'eau et à l'électricité.
  • Apollo Lunar Module (LM) – la machine qui a amené Neil et Buzz sur la Lune et à leur retour en orbite
  • Apollo A7L – la combinaison spatiale autonome pour marcher sur la Lune

Il peut sembler un peu étrange de considérer la combinaison spatiale de la même manière que le CSM / LM, mais leur fonction était très similaire: maintenir l’équipage en vie dans l’espace. Ils comprenaient plusieurs systèmes, avec des couches pour le refroidissement – à la lumière directe du soleil, les températures sur la Lune peuvent atteindre 250 ° F / 120 ° C – une protection contre les micrométéorites et les roches lunaires brutes, et un récipient sous pression permettant de faire face au manque d'atmosphère. .

Les combinaisons complètes ont été conçues et fabriquées par International Latex Corporation (ILC), une entreprise spécialisée dans les produits à base de polymères et de silice. L'A7L utilisait toute la gamme: caoutchoucs de latex; des fibres de polyéthylène téréphtalate; films polymides; alliages de nickel et de chrome; coquilles de polycarbonate; couches de polysulfone plaquées or.

Il ne faut pas s'étonner de constater que la NASA et les différents fabricants ont ensuite conclu des accords commerciaux, dont beaucoup constituaient des produits que nous connaissons et utilisons encore aujourd'hui.

Le A7L a été un tel succès pour ICL que la structure globale est toujours utilisée, même si elle a été fortement modifiée pour répondre aux besoins actuels des missions à bord de la Station spatiale internationale.

Des matériaux spécialisés ont été utilisés tout au long de la construction de la fusée Saturn V, impliquant une multitude d’alliages d’aluminium, de titane et d’acier. Il y avait 3 étapes au total: la première, utilisant du kérosène raffiné et de l'oxygène liquide comme carburant, ne durerait que 2 minutes mais suffirait pour que la fusée atteigne une vitesse de 5 000 mi / h.

La deuxième étape était plus petite et moins puissante, brûlant de l’hydrogène et de l’oxygène liquides pendant 6 minutes pour augmenter la vitesse de 10 000 mph.

La phase finale, semblable à la seconde, a été utilisée pour placer la fusée en orbite terrestre puis de nouveau se diriger vers la Lune.

Entièrement alimentée, la structure entière pèse plus de 6 millions de livres (environ 3 000 tonnes métriques) et fait 363 pieds (111 mètres) de hauteur. Il détient toujours le record de la fusée la plus grande et la plus puissante jamais construite.

L’immensité de la Saturn V contredit le fait que le poids était essentiel au fonctionnement du programme Apollo, de sorte que le module lunaire avait une masse sèche de moins de 4500 kg (4 000 kg) et que, par endroits, les matériaux composites n’étaient pas plus épais. les murs d'une canette de soda. Les critères de conception en matière de sécurité étaient essentiellement non pas «sécuritaires, peu importe les circonstances», mais bien «suffisamment sécurisées».

L'Union soviétique avait également mis au point une fusée massive, simplement appelée la N1, bien que ce ne fût pas à la même échelle que la Saturn V. Les 3 premières tentatives de lancement se soldèrent par un échec et l'ensemble du projet fut semé d'embûches, batailles d'ego et de politique, et un manque de financement approprié.

Lorsque le programme Apollo a pris fin en 1972, les ingénieurs de l'URSS ont tenté en vain pendant quelques années encore de réussir, mais celui-ci a été abandonné sans fanfare en 1975.

La lune: trop loin, trop cher

Enhardie par les réalisations de ses ingénieurs au cours des années 1960, la NASA prévoyait de nombreux nouveaux programmes après Apollo, notamment des stations spatiales permanentes et une base sur la Lune, des véhicules réutilisables et des fusées nucléaires, ainsi qu'une mission humaine sur Mars.

Celles-ci ont été présentées au président Nixon et à son administration au début des années 1970 et la décision était clairement négative pour tout le véhicule réutilisable. Tout espoir de revenir sur la Lune, dans un programme Apollo v2.0, était catégoriquement détruit.

Le projet de véhicule réutilisable finira par devenir le programme de la navette spatiale (une station spatiale temporaire a également été approuvée sous la forme de Skylab), mais une chose est claire: il n'y aura pas d'argent pour placer les humains plus loin que Low Earth Orbit, seul pour viser un atterrissage sur un autre corps.

Le programme Apollo avait coûté 25 milliards de dollars en 1973 (au moins 5 milliards de plus que l'estimation de 1961 et plus du double des prévisions initiales) et absorbait près de la moitié du budget de la NASA chaque année. Pour comprendre à quel point il s'agissait d'argent, considérons le fait que le budget fédéral des États-Unis pour l'année du premier homme sur la Lune était d'environ 180 milliards de dollars.

Les dépenses à ce niveau ne seront jamais viables, et ni les États-Unis ni l'Union soviétique ne peuvent se permettre de réaliser le rêve de voir des êtres humains vivre sur la Lune ou sur Mars. Les vols spatiaux devaient devenir beaucoup plus rentables, en particulier par rapport à Apollo, où chaque mission coûtait plus de 300 millions de dollars, couvrant l’engin, le carburant, les effectifs, etc. (évaluation autour de 1974, 1,5 milliard de dollars en 2019).

Chaque fusée Saturn V était essentiellement unique, elle n’était pas conçue pour être fabriquée en série, et chacune d’entre elles comportait de nombreuses révisions permettant de résoudre les problèmes rencontrés lors des vols précédents. Aucune partie de la fusée n'était réutilisable non plus; la seule partie qui soit revenue sur Terre était le module de commandement, et ils n'ont jamais revu le service après la mission.

La NASA a jeté les espoirs de rentabiliser et rentabiliser les vols spatiaux grâce à la navette spatiale principalement réutilisable (seul le réservoir orange principal a été gaspillé à chaque vol); l’Union soviétique, puis après l’effondrement de l’ancien État, la Russie, a brièvement expérimenté une copie de la navette (appelée Bourane), mais n’a pas atteint le noble objectif de disposer d’un engin spatial pouvant être utilisé encore et encore. Les échecs étaient dus soit à des problèmes de conception fondamentaux, à des coûts de fonctionnement ou à un manque de financement pour le développement.

La Russie a abandonné son programme sur le Bourane en 1993 et ​​la NASA a mis fin à la flotte de la navette en 2011; chaque mission coûtait alors plus de 400 millions de dollars. Cependant, les lancements de satellites et de sondes spatiales, ainsi que ceux vers la Station spatiale internationale, sont devenus une routine, grâce aux nombreux systèmes de lancement américains, russes et européens actuellement en service. La dépense reste étonnamment élevée, cependant, et toutes les plates-formes de fusée utilisées restent inutilisables.

Eh bien, c'était le cas jusqu'à il y a deux ans.

Une nouvelle course commence

Par un agréable jeudi soir, le 30 mars 2017, une fusée a été lancée à partir du complexe de lancement du Centre spatial Kennedy, portant un satellite de communication géostationnaire.

Ce lancement présentait deux caractéristiques spéciales: la première étape avait été utilisée pour lancer quelque chose dans l’espace avant, puis, une fois le satellite mis en orbite, le même étage était revenu sur Terre et avait atterri sur la Terre. plate-forme autonome, juste au large des côtes de la Floride dans l'océan Atlantique.

Ce n'était pas une mission militaire top secrète ou une machine expérimentale de la NASA; Il s’agissait d’un lanceur Falcon 9 FT, conçu et fabriqué exclusivement par SpaceX. Cette organisation privée, conçue et fondée par Elon Musk à l'aide de fonds provenant d'entreprises précédentes (Zip2 et X.com, qui est devenue PayPal), avait à peine 16 ans à l'époque.

La première fusée de SpaceX en orbite terrestre basse avait eu lieu six ans plus tôt et, si l’on peut dire que la compagnie s’est tenue sur les épaules de la NASA et de la Russie, pour paraphraser quelque peu Isaac Newton, leur rythme de développement et leur niveau de succès en vol ont été météorique.

Dès le début de SpaceX, Musk souhaitait être réutilisé pour réduire les coûts et maximiser les revenus. Mais contrairement à l'approche adoptée par la NASA pour les propulseurs à carburant solide utilisés dans le cadre de ce programme de navette spatiale, les ingénieurs de SpaceX ont envisagé une approche plus radicale.

Les boosters de la navette étaient conçus pour fournir la majorité de la poussée de lancement requise et, une fois enflammés, ils brûlaient presque à vide. À ce moment-là, ils seraient éjectés de la navette, continueraient à brûler jusqu'à ce qu'ils soient vides, puis retomberaient librement sur Terre.

Les boosters déploieraient ensuite des parachutes pour ralentir le taux de descente avant de s’immerger dans l’océan Atlantique. Sans carburant, ils pourraient flotter assez facilement et resteraient à la surface jusqu'à ce qu'ils soient récupérés par un navire.

Pour SpaceX, cela n’était pas suffisant, d’autant plus que les boosters de la navette devaient être récupérés manuellement et qu’il fallait ensuite beaucoup de travail pour être prêts pour un autre lancement.

Ce qu’ils voulaient, c’était une fusée dotée de moteurs dotés de multiples capacités (vectorisation de poussée, limitation et fonction de redémarrage), mais sans l’entretien coûteux que les moteurs de la navette nécessitaient.

Ils voulaient aussi que les fusées voler eux-mêmes de retour sur Terre, atterrissant sur une structure telle qu’ils puissent être récupérés avec un minimum d’intervention pratique.

Et ainsi la fusée Falcon est née. La version 1 effectua son premier vol en mars 2006. Comme beaucoup d’essais, la petite fusée Falcon 1 échoua au début de son voyage inaugural après seulement 40 secondes, touchant le sol à une centaine de mètres du lieu où elle avait décollé.

On pourrait penser que, après 50 ans de lancements, la tâche de concevoir et de construire une nouvelle fusée serait un processus relativement simple. Mais les fusées spatiales sont des machines qui suivent une ligne désespérément mince qui les sépare des véhicules commerciaux ou des engins explosifs très onéreux.

Les objectifs de conception de Falcon, et même de toute fusée capable de réaliser les mêmes exploits, sont très différents de ceux généralement utilisés. Vous pouvez avoir une idée de cela en équilibrant une longue perche du bout des doigts. Pour le garder droit, vous devrez constamment déplacer votre main, bien que ce soit plus facile si vous poussez constamment vers le haut.

Une fois qu'une fusée normale a atteint l’altitude désirée (elle l’atteint par un effort constant d’équilibrage de la poussée ascendante) et déployé sa charge utile, le vol est terminé. Pour une fusée Falcon, ce n’est que la moitié du trajet: elle doit retourner sur Terre.

La phase de retour doit être aussi légère que possible et avoir un contrôle aérodynamique pendant le voyage de retour. La fusée Saturn V était essentiellement une construction en alliage d’aluminium, jugée trop lourde. Falcon utilise donc un alliage aluminium-lithium. Ce choix de matériau présente ses propres difficultés, mais son utilisation accrue dans l’ensemble de l’industrie aérospatiale a permis de résoudre la majorité des problèmes. leur.

Le contrôle de la fusée pendant le vol de retour est assuré par l’utilisation de la fusée principale, de petits propulseurs et d’ailerons aérodynamiques, comme indiqué ci-dessous.

Ceux-ci sont rangés pendant le lancement, puis se replient en redescendant. Initialement fabriqué à partir d’un alliage d’aluminium, SpaceX a opté pour un alliage de titane, estimant que son choix antérieur ne tenait qu’à supporter les contraintes thermiques du vol supersonique dans l’atmosphère.

Vous pouvez avoir une idée du chemin du retour dans cette vidéo de SpaceX, capturée via une caméra embarquée, située tout en haut de la scène de la fusée:

Tout cela est contrôlé par des systèmes informatiques sur les fusées. Compte tenu de la vitesse et de la complexité de l'atterrissage, vous seriez pardonné de penser qu'une technologie sur mesure et de pointe est également utilisée ici. Bien que nous ne sachions pas exactement quels sont les systèmes utilisés par SpaceX, nous savons que les processeurs sont à double cœur et de nature x86, ce qui laisse supposer que les puces utilisées sont «standards».

Les ordinateurs fonctionnent sous un système d'exploitation Linux et utilisent des logiciels développés entièrement en interne. Ils sont également configurés en plusieurs groupes afin de vous protéger contre les problèmes causés par les radiations et les pannes matérielles. L'électronique numérique moderne est sensible aux rayonnements ionisants, et il existe deux moyens de le combattre: durcissement par rayonnement et tolérance aux radiations.

Dans le premier cas, les copeaux doivent être fabriqués de manière unique, de manière à être beaucoup plus minces que leurs cousins ​​domestiques. Un copeau plus fin absorbe moins les radiations pénétrantes que les plus épais, mais le processus impose des restrictions quant à la complexité du copeau. et ajoute considérablement au coût.

Un système tolérant les radiations ignore complètement ce problème en utilisant trois ensembles de processeurs pour chaque système informatique embarqué. Ainsi, si les radiations affectent les calculs de l’un d’eux, les deux autres produiront des résultats identiques mais différents de ceux affectés par les radiations. Le logiciel le détecte et tout se déroule en conséquence.

Là où tout sur les fusées Saturn V pourrait être contrôlé manuellement, que ce soit par l'équipage ou au sol, toutes les machines de SpaceX sont conçues pour être totalement autonomes – le seul cas où les humains interviennent est si quelque chose ne va pas ou s'ils doivent donner leur approbation finale. avant qu'une action commence.

C'est le cas du cargo Dragon, lorsqu'il s'agit de s'amarrer à la Station spatiale internationale. L'ensemble du vol est géré par l'engin lui-même mais il est suspendu depuis la dernière manœuvre d'amarrage jusqu'à ce que l'équipage de l'ISS donne le signal.

SpaceX a parcouru un long chemin en 20 ans et a montré qu'il reste encore beaucoup à faire pour le développement de fusées.

Il y a plus d'un cheval dans cette course

Elon Musk n'est pas le seul sosie de James Bond qui est chargé d'argent et d'ambitions dans l'espace. Né à l’absence totale de fanfare, Blue Origin a été créé par Jeff Bezos d’Amazon en 2000, mais a lancé des fusées-test de son propre projet il y a à peine 5 ans.

Les deux compagnies ne pourraient pas être plus différentes si elles essayaient: SpaceX est toujours bouillonnant, se régalant de théâtralité; Blue Origin, en revanche, a été beaucoup plus discret et prudent au fil des ans. Au total, SpaceX a réalisé plus de 80 lancements, alors que Blue Origin en a à peine atteint 11 en une période similaire.

Cependant, SpaceX représente plus de trois fois la taille de Blue Origin en termes de personnel et, malgré les énormes sommes d’argent que Bezos a personnellement investies dans la société, la plus petite entreprise a reçu beaucoup moins d’investissements extérieurs et presque aucun contrat de lancement. Cela n'a pas empêché l'équipe de Bezos d'explorer de nouvelles technologies, en particulier en ce qui concerne les moteurs de fusée.

Les divers systèmes de lancement utilisés de nos jours utilisent généralement l'un des trois types de carburant suivants:

  • Liquides cryogéniques, par exemple hydrogène avec oxygène ou kérosène raffiné avec oxygène
  • Liquides hypergoliques, par exemple hydrazine avec du tétroxyde d’azote
  • Matériaux solides, par exemple aluminium avec perchlorate d'ammonium, lié au butadiène

Chaque type présente des avantages et des inconvénients, et leur analyse constituerait un article à part entière, mais Blue Origin a opté pour une combinaison de gaz naturel liquéfié (GNL) et d’oxygène liquide. Il s’agit du deuxième système de carburant à combustion la plus propre, après l’hydrogène liquide, mais son principal avantage est que le moteur lui-même nécessite moins de complexité que les autres systèmes à carburant liquide.

Cette simplicité se traduit par une réduction des coûts et une maintenance moins coûteuse. SpaceX est resté sur une voie plus traditionnelle, utilisant du kérosène raffiné, mais malgré les différences d'approche des moteurs de fusée, les objectifs et la philosophie de conception des deux sociétés – faible coût, réutilisable, autonome – sont essentiellement les mêmes. C’est l’opposé des choix de la NASA pour le successeur du programme Space Shuttle.

Nommé par un comité de planification sans savoir ce que le mot signifie passionnant En d’autres termes, le Space Launch System (SLS, fabriqué par Boeing) est en train de renaître. Prenant des éléments du système de lancement de la navette spatiale, tels que les moteurs principaux et les fusées d'appoint, la NASA a conçu ce qui semble être, à première vue, une copie conforme de la fusée Saturn V.

Au moment de la rédaction de ce rapport, la NASA n’avait pas encore lancé de système SLS complet. La première mission d’essai n’était pas prévue avant 1 à 2 ans. Si les paramètres de conception sont pleinement réalisés, le SLS sera l’un des prétendants à la couronne de la plus grande et plus puissante des roquettes en opération, mais il disposera essentiellement des mêmes capacités de levage que la machine vieille de 50 ans qui a envoyé l’humanité à la lune.

La nature non réutilisable de SLS, les coûts de mission élevés associés et les retards de construction ont tous suscité de vives critiques de la part des administrateurs actuels et anciens de la NASA. Une partie de la source de ces problèmes est due au fait que la NASA est financée par les impôts, ce qui permet à divers politiciens de faire pression pour que l'organisation utilise des entreprises qui emploient des personnes dans les États qu'ils représentent. Un autre facteur consiste à retourner sur la Lune, mais nous en dirons plus à ce sujet dans un instant.

Le système de lancement spatial n'est pas le seul acteur dans le domaine des roquettes lourdes; Les modèles SpaceX et Blue Origin ont tous deux une conception qui, si elle est pleinement réalisée, est similaire en taille physique à SLS ou dépasse ses capacités de levage.

Il y a deux raisons principales pour lesquelles tous ces constructeurs poussent vers des fusées massives, capables de soulever près de 100 000 livres (environ 45 tonnes métriques) en orbite terrestre basse. La première est simple: depuis le Saturn V, il n’existe rien qui puisse supporter des tâches comme celles-ci. La navette spatiale a été évaluée à 54 000 livres (environ 24 tonnes métriques) et le Delta V Heavy de Lockheed Martin / Boeing ne peut déplacer que 8 000 livres de plus. La fusée Falcon Heavy de SpaceX est théoriquement capable de beaucoup plus, mais n'a pas encore été testée avec une charge utile supérieure à 14 000 livres (6 tonnes métriques).

Mais cela ne répond toujours pas à la question fondamentale de savoir pourquoi nous avons besoin d’une fusée capable de soulever une charge utile plus importante. Pourquoi la NASA a-t-elle besoin de SLS pour pouvoir mettre en orbite 230 000 livres?

Viser la lune (encore)

En 2005, le Congrès américain a signé une loi autorisant la NASA à lancer le programme Constellation. Son objectif était de mettre au point une solution de remplacement pour la navette spatiale, de manière à pouvoir poursuivre le développement de la Station spatiale internationale et à fournir à nouveau une nouvelle plateforme pour les missions habitées sur la Lune. Tout cela a été rapidement signé, à peine 5 ans plus tard, lorsque la véritable taille des coûts est devenue apparente.

Un retour sur la Lune a été un sujet de débat animé à plusieurs reprises depuis qu'Apollo 17 a quitté la «magnifique désolation» de 1972. Scientifiques et anciens astronautes d'Apollo ont constamment exprimé leur consternation devant le manque d'exploration de l'espace humain au-delà de l'orbite terrestre basse; les politiciens et les économistes ont toujours répondu à ces plaintes avec la même réponse: nous ne pouvons pas nous le permettre.

La NASA n'a pas pris la fermeture de Constellation à la légère. Un grand nombre de ses éléments ont été presque immédiatement recyclés dans un nouveau programme (SLS), avec une idée approximative d’une autre station spatiale; ce dernier ne devait cependant pas remplacer ISS. Initialement appelé Habitat de l'espace profond, il a été conçu pour être une porte d'entrée vers l'exploration lunaire et au-delà, et conçu pour rester en orbite autour de la Lune, pas de la Terre.

By 2016, things had changed (again) – a new US president was in power, who was rather keen on space projects, and a certain Elon Musk announced that his company had plans to colonize Mars. As it turned out, neither were vacuous promises, as within a year, Space Policy Directive 1 was announced (with a rather grumpy looking Buzz Aldrin in tow) and Musk provided more details, including fundamental rocket designs and the plan for how to pay for it.

Earlier this year, NASA renamed their manned mission program Artemis and confirmed a date for the Moon.

The promotional video for the Artemis program is light on details — SLS we already know about is in construction, but a full test flight has yet to take place; a test Orion capsule has been built, launched into space on top of a Delta VI rocket, and it returned safely to Earth.

However, Gateway (essentially Deep Space Habitat rebranded) has barely started, does not have the design, nor has a manufacturer for the lunar lander been decided upon. The technology required to do this already exists, but politics and money are influencing its rate of progress. Thus there's a healthy dose of skepticism over NASA even getting to the Moon, let alone landing on it again, by 2024.

However, if we go back to 1964, five years before Neil and Buzz set foot on the Moon, the race to the Moon was in a similar state. The Apollo program had already begun, but no Saturn V rocket was ready and NASA was still battling with orbital rendezvous problems in the Gemini program. It would be another 4 years before humans were put in orbit around the Moon, in the Apollo 8 mission.

While NASA no longer enjoys the funding and manpower it experienced five decades ago, there are far more companies available to take design and manufacturing contracts — a total of eleven have so far been registered to develop lunar landing systems (complete and partial components) for consideration.

Blue Origin has already designed a lunar lander that has greater capabilities that the original LEM and plan to use variants of it in missions other than just Artemis. SpaceX is one of those eleven companies, but they also plan to send a tourist around the Moon, as part of an art project called #dearMoon.

And there's another reason why a lunar landing may just take place in 2024: there's a bigger prize at stake.

Going all out for Mars

As mentioned earlier in this article, Elon Musk is dead set on going to Mars (he's even been clear on what he means by 'dead', too) and to do this, SpaceX is in the process of developing two new machines: a reusable launch rocket called Super Heavy (previous called Big Falcon Rocket) and a Shuttle-esque spacecraft called Vaisseau spatial.

Together they look like something straight out of a sci-fi movie and while the final product might not be quite so pristine and shiny, the Californian company is fully committed to the project.

You might wonder why a vessel designed for spaceflight has wings, albeit rather small ones, but they're not for flying about on Mars — they're for aerobraking on entry. Starship will actually land vertically, whether on Earth or Mars, using systems similar to those found in the Falcon series of rockets.

SpaceX has set no firm dates for reaching Mars and other than agreements with investors, they're under no political pressure to achieve such a goal within a given time frame. For NASA, it's a little different. They are using the Artemis program to develop systems and structures that can be put into place, before any attempt can be made at sending humans to the distant, little planet.

However, the Moon program is clearly being sold as a precursor to Mars and the latter is even being used to forge commercial partnerships and strengthen political alliances.

Although administrations come and go, NASA will be under pressure to deliver Artemis on time and make good progress in all the various programs that need to be conducted in order to carry a manned mission to Mars.

But if Artemis is a success, and we do see humans walking on the surface of the Moon again by the end of the next decade, then is a trip to Mars is guaranteed?

The chasm to leap

Sending humans to Mars and bringing them back home is a task that makes going to the Moon look like an afternoon jaunt to the beach. The first hurdle is a simple one: distance. At their closest, Earth and Mars are roughly 35 million miles (56 million km) apart, which is about 150 times greater than the average gap between Earth and the Moon.

For the Apollo missions, the journey between the rocky bodies took around 4 days; assuming the speeds are the same, going to Mars would take 600 days or 1.5 années.

The longest amount of time any human has spent in space is 438 days, by Valeri Polyakov on board the Russian Mir space station. The long term effects of living in micro gravity environments have been studied in depth over the years, and despite measures to combat loss of bone density, changes to gene and cognitive behavior, there is no escaping the fact that humans spending over a year in space travelling to Mars, will not be in an ideal state to conduct missions on the surface of the planet.

It takes months of rehabilitation to adjust on Earth after a typical six-month space mission

It's worth bearing in mind that the 600 day journey in space would need to be done twice (there et back), and during this time, the planets continue to move, so Mars and Earth are at their closest every deux years.

So the actual distance to cover will be more than 35 million miles and the crew will need to spend a few months on Mars, to provide time for the planets to realign back to a minimum separation. The longest period of time spent on the Moon was 3 days, by Eugene Cernan and Harrison Schmitt in the Apollo 17 mission.

One obvious solution to this is to increase the speed of the craft taking the crew to Mars. Apollo 10 currently holds the record for the fastest manned vehicle, peaking at just under 24,800 mph (39,900 km/h), and at that speed, the trip to Mars would only take a couple of months. However, the gravitational pull of the Earth was responsible for this, and trips to Mars aren't going to be able to utilize this free ride.

The next big challenge is related to the first one, in that any humans on Mars will have to solve pretty much every serious problem by themselves. The quickest any radio signal can reach the little planet is 20 minutes or so (and that's during minimum separation), so there's no chance of just 'Googling' a solution or conversing with mission control in real-time.

That means every engineering and medical issue that arises will require a suitable expert to hand, but what happens if that expert falls ill or is incapacitated in some way?

To address this will almost certainly require the crew to be knowledgeable and talented into multiple areas, backed up with digital guides and documents. The men that flew in the Apollo missions were trained in as many areas as possible, but they also had the advantage that NASA was just a second or two away.

Where and what else is possible?

Mars and the Moon aren't the only goals in this new space race. Good old fashion tourism is right in the mix, even though it has been possible to 'just' buy a ticket for a journey to space for some time now.

In April 2001, Dennis Tito became the first space tourist in history, spending a week on the International Space Station, having paid the Russian Federal Space Agency an undisclosed sum of money for the training, place on the Soyuz rocket, and time on the ISS. While the figure paid is unknown, one reported estimate put it at $20 million.

That's clearly way beyond the means of almost everyone, even those who would be deemed to be 'well off' by global standards. But it hasn't stopped a number of companies setting forth to conquer such high risk ventures, with the most notable being Richard Branson's Virgin Galactic.

Despite the name, the intended journey is only a brief flirtation with the edge of space. The spacecraft, bristling with composite materials and powered by a liquid fuel rocket, gets dropped from a bespoke heavy-lifting airplane at an altitude of 50,000 feet (15 km) and then powers on up to the Kármán line at 62 miles (100 km).

There, the crew and passengers experience a number of minutes of micro-g (i.e. floating around), before gliding back to Earth.

The project was unveiled in 2009, with initial ticket prices set at $200,000; around 300 people had apparently booked a place, even though they were told that it would 3 years until everything was ready.

It never was and the venture has yet to achieve its goals, especially due to the setback in 2014 when a test flight went seriously wrong (resulting in the death of one crew member, and heavily injuring the other).

SpaceX and Blue Origin are also interested in taking people for a blast into space, with the latter taking orders for flights on its New Shephard rocket for a quick blast to the Kármán line.

The above image shows how SpaceX envisions how the interior of the crew capsule of their Dragon craft might look like — the clinical nature and near total lack of instrumentation reflects the nature of how the craft functions and the nature of the crew, i.e. they're not required to fly it nor have any control over it. The same is true for Blue Origin's capsule (below):

A careful look at both images will show you how the choice of materials has changed since the days of Apollo. Cold metal panels, all painted military grey, are out; composite polymers and carbon fiber are in. The manufacturing costs of these have fallen dramatically in past decade or so, permitting a far more liberal use of them.

The benefit of this is, of course, weight saving and for every pound shaved off the spacecraft and launcher, the less fuel is needs to get into space and the cheaper and faster the whole flight becomes. One exception to this is SpaceX's Starship, which is expected to be constructed mostly out of steel alloys, despite the significant weight problem.

The reason given for this is that Starship is a much larger cargo/passenger craft than Dragon and at its size, the use of carbon fiber composites for the entire craft would be an unacceptable increase in cost to the program.

Space tourism is very much on the cusp of becoming affordable, although this term really only applies to millionaires. But there's money to be made elsewhere in space, in this new race, and it can be found in the form of huge lumps of rock, metal, and ice orbiting the Sun — otherwise known as asteroids.

These are essentially leftovers from the early days of our solar system — scraps of matter that didn't coalesce with the rest to form planets. They come in all kinds of shapes and sizes; a few are the size of a small planet (e.g. Ceres), but the majority are barely big enough to hold together under their own gravity.

One such example is a carbonaceous asteroid called 101955 Bennu. There's nothing particularly special about it, when compared to the millions of other asteroids out there, but this one just happens to orbit the Sun reasonably close to Earth; it's also around 1600 feet (488 m) in diameter, with an average density similar to that of water.

For those two reasons, NASA launched a space probe to it, 3 years ago, named OSIRIS-REx. The mission goals were simple: get to the asteroid, put the probe in orbit around it, collect a sample of the asteroid itself, and return the material to Earth for analysis.

The asteroid's proximity to us meant that it could be reached relatively quickly and it's small size ensured that retrieving a sample wouldn't require the use of a lander or drill. The collected pieces are scheduled for touchdown on Earth in December 2023, and scientists will be able to get a look at matter older than our planet.

So how exactly is this an opportunity for business? The OSIRIS-REx mission is one of the first steps needed for the mining of asteroids, many of which are known to be rich in metals, to become a commercial reality.

There are huge financial and technological hurdles to overcome; the first of which requires spaceflights to become far cheaper than they currently are, and this is where companies such as SpaceX and Blue Origin come in, with their reusable launch systems.

We're certainly decades, maybe hundreds of years, away from seeing asteroids replacing the Earth as being the source for all rare metals and minerals, but don't forget that the first powered flight by mankind took place at the start of the 20th century. It took less than 7 decades to go from Orville Wright's 12 second flight into the history books to driving electric buggies and playing golf on the Moon.

What to make of this space race?

This new space race is nothing like the last one. There is no superpower cold war driving urgency and funds into it. Promises of returning to the Moon or sending humans to Mars aren't new either, so these can't be used as the reason for the race existing.

And yet, there est a race. It's not a frantic sprint, though; this one is more akin to a marathon, and its competitors, bristling with ambition and no small amount of money behind them, are in for the whole distance. This is because there are clear financial incentives: rocket launches are becoming ever more cost effective and there are thousands of individuals and corporations willing to invest in space ventures.

There is an estimated 20 times more millionaires in the US alone, compared to the 1960s, and while this growth in individual wealth is partly due to the decrease in the value of the dollar, globalization and the spread of capitalism have also played their part. Where the notion of being a space tourist used to be nothing more than a flight of fancy, the chance of becoming a private astronaut is now very much a real thing.

The Apollo program helped generate so much new technology that we're still feeling the benefits of it, 50 years later. So will this new space race do the same again; will computers and materials of the near future owe their existence to Musk, Bezos, et al? Probablement pas. Despite all the funds that SpaceX and Blue Origin have taken in, they're still bound by the same limits. Space flight and human exploration of other worlds a to be affordable; resources ne peut pas be wasted. Apollo had no such constraints in its heyday and flew on a Saturn V of progress and development, the likes we'll probably never see again.

This new race is under way, with the start line now just a memory. But the Moon is still waiting for new people to take their own small step and giant leap, and Mars must wait even longer. They will wait, just as they have always done, and one day — 5 or 50 years from now — a new generation will watch these landings, and dream of running in their race, too.

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