Cette etude a etait presenté au cours de la conference global sur l’exploration spatial (GLEX) organisé par la federation astonautique international en juin 2021 a Saint-Petersbourg.
Le but de cette étude est d’estimer au globale les besoins pour une première mission habité dans l’atmosphere de Vénus avec des technologie disponible actuellement ou dans la prochaine décennie.
Choix structurant
Le dimensionnement se base sur plusieurs choix structurent. le premier et le nombre de membre d’équipage qui est fixé a 6 personnes, soit le maximum pour des mission martien équivalente. un tel nombre permet une meilleur répartition des compétences mais aussi de favorisé les accords internationaux. De plus c’est une marge de conception car il serais possible de réduire l’équipage a 5 ou 4 si le budget masse est dépasser.
Afin de minimisé les delta-V, les orbites de transfert interplanétaire sont des transfert de hohmann se qui impose une mission de conjonction d’une durée de 2ans avec 2 trajets ‘aller et retour) de 5 mois chacun.
la base utilisera des ballons a hydrogene et sera implanté a 55km d’altitude afin de bénéficier d’une température de 30°C et une pression de 0,6bar.
les habitats seront divisé en l’habitat spatial (DSH) et l’atmosphérique (Vesthab). Afin de minimisé les masse et les DV, le DSH restera sur une orbite venusien haute pendant que l’équipage sera sur Vénus. Une capsule de taille minimal est utilisé pour faire le transfert entre l’espace et l’atmosphère de Vénus. Pour le retour, un lanceur (VAV) produisant ces ergols sur place (isru) ramené la capsule vers l’orbite venusien basse. De là, une remorqueur prépositionné, ramène la capsule vers le DSH en orbite haute.
Technologie utilisé
technologie de propulsion utilisé sont chimique avec des ergols hypergolique pour les manœuvre spatial même des mois après le lancement. Les ergols LCH4/LOX sont utilisés pour les étages inferieur du VAV car fournie une bonne poussé. Les ergols LH2/LOX sont utilisés pour l’étage supérieur du VAV car a une bonne impulsion spécifique.
En complément , un étage de propulsion électrique sera utilisé pour modifier l’argument de l’orbite du DSH afin de passé de l’orbite d’arrivé a l’orbite de depart.
Afin d’évité un développement couteux, les lanceurs utilisé sur terre seront des lanceurs existant ou en développement. ils sont divisé en catégorie de performance avec:
CAT1: 130t en LEO CZ-9, SLS bloc2
CAT2: 105t en LEO SLS bloc1B
CAT3:95t en LEO SLS bloc1
CAT4 64t en LEO Falcon heavy
CAT5 25t en LOE Ariane6.4, CZ-5, Falcon 9 consomable , H3 heavy, New gleen, Vulcan
CAT6 10T en LOE Angara A5, Ariane 6,2, Atlas V, falcon 9 reutilisable , H3
Le couple starship/superheavy pourra être utilisé dans certain scénario.
Element spatiaux
plusieurs element necessaire au train spatial doivent etre dimensionné pour en connaitre les masses.
les capsules sont les éléments centrale du projet qui contiennent l’équipage au décollage de la Terre, a l’entré dans l’atmosphere Vénusien, au décollage de Vénus et au retour sur terre. Elle doit donc pouvoir abrité 6personnes pendant une courte durée, supporté une rentrée atmosphérique depuis une trajectoire interplanétaire et pouvoir se stabilisé que se soit dans l’atmosphère de Vénus ou de la Terre. Apres dimensionnement, la masse équipage compris est de 8t.
le DSH pour Deep Space Habitat abrite l’équipage pendant les transits Terre=>Vénus et Vénus=>Terre. Pendant que l’équipage est sur Vénus, il se place sur une orbite Vénusien haute et transite progressivement de l’orbite d’arrivé a l’orbite de depart dont l’argument est diffèrent. Il peut servir d’habitat de replis si la base atmosphérique subissais une défaillance. Il a une masse « fixe » de 25,21tonnes, comprenant la structure, les equipements, mais aussi les fournitures qui doivent être conservé jusqu’à la fin du voyage comme les éléments médicaux ou les pièces de rechange. les consommable (nourriture, eau, produit d’hygiène) on une masse de 1,227t pour le voyage aller, 1,227t pour le voyage retour et 3,823t de réserve au cas ou l’équipage ne puisse pas descendre dans la base atmosphérique et reste dans le DSH toutes la mission.
train spatial
le train spatial désigne l’ensemble des propulsions nécessaire au transite des éléments spatiaux. Apres diverse etude, deux sernarios sont presenté ici.
le premier scenario utilisé des lanceurs consommable classique. une lanceur de CAT4 commence par lancé le remorqueur en orbite Vénusien basse. un lanceur de CAT1 place ensuite en orbite terreste basse le train (DSH et des éléments de propulsion). il est rejoins par une capsule avec l’équipage lancé par un CAT6. le premier et le plus gros element de propulsion, fonctionnant a l’hydrogene, propulse l’ensemble sur une trajectoire de transfert vers Vénus. Arrivé a proximité de Vénus, la capsule avec l’equipage se precipite dans l’atmosphere pour rejoindre la base pendant qu’un element de propulsion hypergolique frein le train pour le placé en orbite Vénusien haute. Pendant les 14mois d’activité dans l’atmosphere de venus, le train utilise des propulseur électrique pour corrigé lentement sont orbite et se mettre en configuration pour rejoindre la Terre. Lorsque l’équipage remonte de l’atmosphere avec le VAV, il utilise le remorqueur préposition pour remonté jusqu’au train. se dernier , constituer désormais du DSH et d’une capsule est propulse sur la trajectoire de retour vers la terre par le dernière element de propulsion. Arrivé a proximité de la Terre, la capsule avec l’équipage se sépare pour effectuer une rentre atmosphérique pendant que le DSH est renvoyer dans l’espace profond.
Avec un couple starship/superheavy, il est possible de placé un stock d’ergol en orbite terrestre basse. Un starship contenant le DSH, une capsule et l’équipage l’utilise pour se réapprovisionner complètement. Il peut ensuite partir vers Vénus et se placé en orbite venusien basse d’où la capsule avec l’équipage rejoint la base atmosphérique. Apres les activité atmosphérique, l’équipage remonte directement du starship qui contient encore assez d’ergols pour rentré sur Terre.
elements atmospherique
Tout les éléments déployer dans l’atmosphere on besoin de trois éléments. Premièrement, un bouclier thermique susceptible de résister a une rentré atmosphérique depuis une trajectoire interplanétaire. deuxièmement, un système de gonflage de ballon par de l’hydrogene. Cette hydrogene est stocké a l’état liquide pendant le transport et il est nécessaire d’avoir une turbine oxygène/hydrogene afin de fournir l’énergie de vaporisation a l’hydrogene liquide. Troisièmement, un système de navigation qui se fait principalement grâce au vent. La base étant situer a l’équateur, les cellules de hadley y rabattrait naturellement un objet en flottaison a 55km. De plus, il en jouant sur l’altitude du modules, on utilise le gardian de vent pour rattrapé la base atmosphérique. Cependant , une propulsion électrique est ajouté afin d’accélérer le rendez-vous et effectuer des manœuvre de précision comme l’amarrage.
Pour des raisons pratique mais aussi de sécurité, la base est constituer de plusieurs modules qui doivent être maintenu a une certaine distance. Vu qu’il sont en flottaison dans l’air, ils risque d’être dispersé avec le temps et doivent donc être relier par un cable. Mais cela entrain le risque qu’au contraire, les module se rapproche et se percute. Pour l’éviter, la base utilise le gardian de vent (la vitesse du vent vers l’ouest augmente a l’altitude) en étage les modules en altitude. le cable reste ainsi tendu selon une diagonal allant du haut a l’ouest et du bas a l’est. ce cable est creux pour permettre un transfert d’hydrogene pour compensé les fuites des ballon. Il support aussi un téléphérique qui permet de se déplacé entre les modules.
liste des éléments de la base
L’element le plus complexe est probablement le VAV (venus ascent vehicule) qui est un en véritable lanceur capable de mettre en orbite venusien basse depuis la base atmosphérique. il est constituer de 3 étages (2 méthane et 1 hydrogene) pour une masse total de 123t. La majorité de cette masse est évidement des ergols qui peuvent être produit sur place. c’est le rôle des modules ISRU qui produise de l’oxygène et du méthane a partir du CO2 de l’atmosphere et de l’hydrogene apporté. A long terme, cette hydrogène pourrais être produire a partir des nuages d’acide sulfurique, mais ce cas n’est pas prit en compte pour cette premier mission. Ce même module produit du monoxyde de carbone (gaz portant sur Vénus) qui sert a gonflé les ballons du pas de tir afin de compenser l’augmentation de masse du VAV au fur et a mesure de son remplissage. Une module cryogénique peut-être ajouté afin de maintenir a température les ergols d’un VAV prêt a décollé pendant que le module ISRU en remplie un autre.
En plus, de la partie VAV, la base est constituer d’une zone « vie » qui comprend notamment le VESTHAB (VEnus STabilisated HABitat) qui est l’habitat dans lequel vas vivre l’équipage dans l’atmosphere. Il est construit avec 5 étage au planché rigide mais parois souple (elle ne serve qu’a protéger de l’atmosphere, pas a tenir la pression) qui permet un pliage comme un accordéons. il est constituer avec 2 étage « vie », 1 étage technique et 2 étage de laboratoire et matériel scientifique. Le reste de la base est constituer de module cargo qui apporte les consommables et fourniture supplémentaire.