L’état de la propulsion spatiale

Dérivé du sujet « Le surprenant moteur spatial qui « ne devrait pas » marcher ? », ce topic parlera de la propulsion spatiale en général, y compris celle obsolète.

Le précédent sujet est hypothétique est probablement une fausse annonce, malheureusement. Pourtant il semble qu’avec les techniques éprouvées, des petits miracles sont en cours.

J’expliquerai ce que c’est plus tard, je ne mentionne que ça : les moteurs ioniques, qui actuellement permettent à une sonde d’atteindre Mars en 6 mois, sont sur la voie de réduire cette durée de 4 à 5 semaines, et peut‑être moins encore. C’est ce qui est dit dans une vidéo postées dans le précédent sujet, aux environs de 00:21:00.


Secrets of the space probes — History Channel — 2010
Série “The Universe”, saison 5, épisode 5, “Secrets of the space probes”.
[Vidéo disparue]

Un exposé en amphi, de Canal‑U TV. Ils y parlent des méthodes de modélisation de la combustion, la combustion étant toujours le principe de base pour la propulsion.

Lanceurs spatiaux et problème de propulsion

J’ai tendance à facilement me moquer des technologies actuelles pour s’arracher de la gravitation Terrestre, en disant qu’on en est encore à faire des boites en tôle, coller une bombe derrière et partir avec ça, et qu’on est la risée de la galaxie pour nos méthodes primitives.

Pourtant, en plus d’être la seule technologie disponible (il en existe d’autres, mais utilisables seulement dans l’espace), il semble que le rendement énergétique des combustions en général, est jugé satisfaisant.

Entre 00:10:00 et 00:11:00 de la précédente vidéo, il fait remarquer avec un ton satisfait, qu’avec 5 l d’essence, on peut quand‑même déplacer une masse d’une tonne sur 100 Km.

Ce type de rendement qu’il juge bon, est pourtant jugé insuffisant par bien d’autres, faisant remarquer que le poids du carburant pour les vaisseaux au départ de la Terre, est un problème de haute priorité.

Je crois que dans la suite, il parle des méthodes d’amélioration du rendement de la combustion, avec un nouveau concept de bruleur. Je fais noter que cet exposé universitaire date de 2012, qu’il est donc bien d’actualité.

Entre 00:15:30 et 00:19:15, il explique qu’il existe deux catégories de flammes : de diffusion et de prémélange avec une catégorie plus théorique les combinant, et deux types de propagation de flammes : déflagration et détonation.

Une flamme est dite de diffusion, si c’est un combustible qui brule dans un comburant; par exemple une flamme de bougie dans l’air.

Une flamme est dite de prémélange, si le carburant et le comburant sont liés ensembles. Ces combustions sont les plus violentes et les plus dangereuses, car impossible à étouffer.

Ce n’est pas une catégorisation sortie de son imagination à seule fin de son exposé, c’est réellement une catégorisation reconnue.

Si une flamme se propage à une vitesse inférieure à la vitesse du son, on appel ça une déflagration. Si une flamme se propage à une vitesse supérieure à la vitesse du son, on appel ça une détonation (et quand c’est égale à la vitesse du son ? … il ne précise pas).

Il n’en dit rien, mais j’imagine que pour parler de déflagration, il faut une vitesse minimale aussi. Je ne crois pas qu’il est raisonnable de dire qu’une flamme de bougie est une déflagration .

Les flammes de prémélange, sont stables (ne s’éteignent pas facilement), mais posent des problèmes de sécurité. Les flammes de diffusion sont maitrisables, mais ne sont pas toujours propres et brûlent parfois mal.

Les flammes chimères, sont des flammes à l’étude, combinant les caractéristiques des flammes de diffusion et des flammes de prémélange, pour ne garder que le meilleur de chacun des deux types.

Les moteurs ioniques sont actuellement en usage dans une mission de la NASA, nommée Dawn, et allant vers Ceres pour l’étudier. Lancée en 2007, cette mission est la première à faire un usage exclusif de cette technique de propulsion.

Voir :

• dawn.jpl.nasa.gov
• Dawn (nasa.gov)

Apollo 10 au moment de son entrée dans l’atmosphère terrestre, détient le record de la plus grande vitesse pour un vaisseau embarquant des humains à son bord, avec 39 897 km/h (soit 11 km/s). C’était en grande partie sous l’effet de la gravitation terrestre.

La sonde New Horizon, quand elle a été lâché, avait une vitesse initiale de 58 536 km/h (soit 16 km/s). Si c’était sous l’impulsion initiale d’un lanceur ou pas, je ne sais pas, je ne comprends pas bien ce qu’il dit à ce moment là.

La sonde Voyager 1, a atteint la vitesse maximale de 62 141 km/h (soit 17 km/s) au moment de quitter le système solaire. C’était avec l’assistance gravitationnelle de Jupiter d’abord, puis de Saturne à la fin.

La sonde Helios 2 détient le record actuelle de la plus grande vitesse pour un vaisseau lancé par des humains, avec 252 792 km/h (soit 70 km/s). C’était avec l’assistance gravitationnelle du Soleil, via une orbite très excentrée.

La sonde Solar Probe Plus, devrait battre le record de vitesse d’Helios 2, avec 725 000 km/h prévu (soit 201 km/s). Ce sera avec le même principe d’assistance gravitationnelle que pour Helios 2, mais avec une orbite encore plus excentrée, passant encore plus près du Soleil. Son lancement est prévu pour 2018, et il faudra encore attendre plusieurs années après, avant qu’elle n’orbite autour du Soleil.

Les propulseurs à ions, dont la poussé est faible mais peut être tenue constante pendant des années, peuvent en théorie permettre d’atteindre la vitesse de 324 000 km/h (soit 90 km/s).

Daedalus, un projet des années 1970, abandonné parce que jugé trop dangereux car reposant sur la fusion nucléaire (il y avait des craintes fondées en cas d’accident d’un lanceur transportant un tel engin, ou même des peur fondées en cas de retombé accidentel sur Terre), aurait put permettre en théorie, d’atteindre la vitesse de 120 000 000 km/h (12% de la vitesse de la lumière), pour des engins inhabités. Il a existé Ghost, un autre projet reposant assez sur le même principe, permettant d’atteindre une vitesse cinq fois plus faible.

IKAROS, est un projet Japonais de voile spatiale, poussée par le vent solaire. Le concept a été testé en vrai. Suivant le même principe, des voiles de 4 m par 4 m, de quelques atomes d’épaisseur, poussé par la pression des photons d’un laser pointées sur elles depuis la Terre, pourrait atteindre la vitesse de 200 000 000 km/h, soit 20% de la vitesse de la lumière. C’est une des idées mises en avant pour envoyer des sondes prendre des photos de l’exoplanète découverte en orbite autour d’Alpha du Centaure.

Ces données sont tirées de la vidéo ci‑dessous.

Interstellar travel: approaching light speed — Jimiticus — 2016

À propos des voyages interplanétaires ou interstellaires, dans le documentaire ci‑dessous, à partir de 00:04:55, il est dit que la quantité de carburant nécessaire pour ralentir à l’arrivé, est plus importante que la quantité de carburant utilisé pour l’accélération pendant le voyage.

Interstellar travel challenges — Isaac Arthur — 2017

Il est question de l’équation de Tsiolkovski. Un de ces termes est nommé en Anglais, “exhaust velocity”, une expression que je ne connaissais pas (*), et dont je ne connais pas la traduction en français.

Je rapport l’équation ici : Δv = vₑₓₕ × ln(M₀ / M₁)

• Δv est la variation de vitesse.
• vₑₓₕ est le “exhaust velocity”.
• M₀ est la masse du vaisseau au départ.
• M₁ est la masse du vaisseau à l’arrivé.
• ln est le logarithme naturel.

(*) Une définition en est donnée sur un dictionnaire anglophone en ligne : Exhaust velocity (dictionary.com).

Assistance de Jupiter, Saturne, … et Uranus et Neptune.

Ces quatre planètes étaient alignée (du point de vue d’une orbite allant de l’une à l’autre), et cet alignement ne se produit que tous les 176 ans ; c’est dire le coup de chance qu’il y a eu en 1977.

Le principal problème que la NASA a dut résoudre avec les moteurs de la Saturne Ⅴ, c’est celui d’un comportement violemment chaotique dans la chambre de combustion.

Chaque fois qu’ils testaient le moteur, celui‑ci finissait pas exploser. Ce n’est pas avant de nombreux essais qu’ils ont fini par comprendre que le cause était une danse des variations de températures et de pressions. Ces variations chaotiques étaient tellement rapides, qu’elles disloquaient le moteur.

Le problème a été résolue en divisant les entrées de carburant et d’oxygène en de multiples petites parties. En plus de cette division en une somme de petites arrivées, le haut de l’intérieur de la chambre de combustion a lui‑même été divisé en segments, nettement plus grands.

Craignant le risque d’autres sources d’instabilité de la combustion en vol, ils ont testé le moteur en introduisant volontairement une forte perturbation dans le moteur pendant le test, une explosion volontaire. La combustion devenait momentanément instable mais revenait assez rapidement à un comportement stable, assez rapidement pour que le moteur ne soit pas endommagé.

C’est en résumé ce qui est expliqué dans le vidéo ci‑dessous.

NASA’s baffling engine problem — Primal Space — 2020