Pourquoi se mettre en orbite avant d'aller sur la lune?

[invite2af68a3a]

Bonjour à tous,

Je suis plutôt néophyte et une question me tracasse depuis peu....Quel facteur fait que lorsque nous envoyons qque chose vers la lune nous cherchions à atteindre une vitesse permettant à un satellite d'échapper à la gravité terrestre au lieu d'aller à une vitesse modérée en ligne droite vers la lune?

Je précise que dans le cas où la finalité est la satellisation, je conçois tout à fait cette recherche de vitesse pour maintenir l'effet de chutte perpetuelle et que je comprends très bien qu'il faille alors atteindre les 11km/s pour sortir de cette orbite avec suffisamment de vitesse pour échapper à la Terre.

Là ou j'aimerais confirmation c'est sur ce qui est bloquant dans l'idée d'avancer à une vitesse constante et dans une trajectoire rectiligne...

En effet si je suis capable de me propulser ne serait-ce qu'à 1000km/h à la verticale, pourquoi ne pas continuer à me propulser à cette vitesse à la verticale vers la lune? D'autant que plus j'approcherai de la lune moins j'aurais besoin d'énergie pour avancer, jusqu'au point de lagrange à 63000 km environ de la lune, où si je ne m'abuse, je n'aurai plus qu'à me laisser tomber sur la lune...

La seule explication que je trouve est qu'il est probablement encore plus couteux en carburant de procéder ainsi que se satelliser à une dizaine de km/s puis d'accélérer encore un peu pour se propulser vers la lune....

Est-ce donc la seule explication? Est-ce donc qu'il est plus couteux de maintenir 1000km/h pendant environ 330 000 km que de se satelliser dans un premier temps à une vitesse environ 40 fois plus rapide?

D'avance merci pour tout éclaircissement!
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[Gilgamesh]

La seule explication que je trouve est qu'il est probablement encore plus couteux en carburant de procéder ainsi que se satelliser à une dizaine de km/s puis d'accélérer encore un peu pour se propulser vers la lune....

C'est bien cela et c'est la seule raison. Maintenir une poussée capable de soutenir le poids de l'engin pendant des heures voire des jours (sans l'aide d'une portance aéodynamique en plus !) ça nécessiterait une quantité de carburant absolument délirante.

a+

[Gilgamesh]

===========

[Gilgamesh]

Pour fixer les idées.

On a :



avec
le "gain de vitesse"
m₀ la masse de la fusée + carburant en début d'accélération
m la masse en fin d'accélération (charge utile)
v_e la vitesse d'éjection du carburant (disons 4100 m/s pour LOX/LH2)

Imaginons qu'on veuille se maintenir immobile dans le champs de gravité terrestre par la seule force des moteurs pendant une durée t=1 journée (86400 s). Si je ne me goure pas, le "gain de vitesse" doit correspondre à celui acquis par chute libre d'une journée à g₀=9,81 m/s².



D'où on tire :



soit ln(m₀/m) ~ 206

soit m₀/m ~ 10⁸⁹

Pour chaque kg de charge utile il faudrait 10⁸⁹ kg de carburant. Rappelons qu'il y a moins de 10⁸⁰ atomes dans l'Univers

a+

[A voir en vidéo sur Futura]

[Lockheed]

En me cantonnant que sur l'historique, il y a un demi-siècle, le voyage Terre-Lune directe était la première option envisagée (du côté US)

La première évocation sur ce thème, de la part de la NASA, provenait d'une conférence tenue à Londres en août 1959. Il était question d'une expédition aller et retour lunaire, se dirigeant sans trajectoire intermédiaire, au moyen d'une énorme fusée.
Cet accès direct allait prévaloir initialement des les esprits de l'Agence, plus par facilité que par conviction, pour s'élancer vers notre satellite naturel.
Le problême était la réalisation et la mise en oeuvre d'un gigantesque véhicule nécessaire que l'on dénomma Nova (un Saturn à puissance dix !)
Toutefois ce challenge ne faisait pas peur aux ingénieurs d'Huntsville, à condition de leur laisser le temps et de les alimenter en budgets adéquats, ils pouvaient élaborer un Super Nova allant jusqu'à 9000 tonnes de poussée !

[Carcharodon]

Est-ce donc la seule explication? Est-ce donc qu'il est plus couteux de maintenir 1000km/h pendant environ 330 000 km que de se satelliser dans un premier temps à une vitesse environ 40 fois plus rapide?

D'avance merci pour tout éclaircissement!

Non seulement c'est plus couteux, regarde le chiffre hallucinant de Gilgamesh (Pour chaque kg de charge utile il faudrait 10⁸⁹ kg de carburant), mais en plus t'as intérêt a sacrément bien viser, parce que la lune ne va pas a seulement 1000 km/h.
Donc, au moment ou tu arriverais a sa proximité, la vitesse différentielle t'interdira tout simplement de te satelliser ou de te poser, sans procéder a une accélération importante afin de synchroniser ta vitesse avec celle de l'astre.
Donc tu accélèrerais a la fin seulement, d'une valeur quasi identique a celle qu'il t'aurais fallu au départ, en consommant entre temps une quantité d'ergols inimaginable.

Que des inconvénients absolument rédhibitoires, a tout les niveaux.

En gros, ça ne peut définitivement pas se faire comme ça.

[invite2af68a3a]

Wow!

Et bien merci à tous les 3 pour vos réponses rapides, complémentaires et bigrement intéressantes.

Je dormirais moins bête ce soir!
Merci

[invite2af68a3a]

Grâce à la remarque de Lockheed j'ai effecuté qques recherches sur la fusée nova...

En effet "l'ascension directe" a bien été une hypothèse sérieuse concurrente du rendez vous en orbite lunaire qui fut finalement adopté...Le projet Nova a bien été abandonné essentiellement pour des questions de carburant mais dans une mesure pas aussi disproportionnée que le résultat de Gilgamesh le laisse penser

A l'avantage de Gilgamesh, il est vrai je n'ai pas trouvé la vitesse de vol supposée d'une telle fusée...mais j'imagine que le principe était le même : une forte accélération pour atteindre une dizaine de km/s puis on coupe les moteurs....ce qui, il est clair, n'a rien à voir avec le fait de faire tourner le moteur plusieurs jours...

@Carcharodon la lune tourne autour de nous à 1km/s de ce que j'ai cru lire...donc finalement à une vitesse tout de même bien inférieure au 11km/s nécessaire à échapper à l'orbite terrestre...
Toutefois tu as bien raison, je n'avais pas pensé à ce facteur, et une vitesse inférieure à ce km/s est du coup inutile vu que tu devrais comme tu l'as dit accélérer pour pouvoir alunir en douceur...à 1000km/h par rapport à la Terre l'alunissage serait disons...compliqué

[Lockheed]

Ton intervention Pirochh me procure l'occasion d'en rajouter une petite couche sur le lanceur Nova, un projet qui ''aurait pu envoyer une locomotive'' sur la Lune si les budgets avaient été débloqués.



http://farm3.static.flickr.com/2647/...3b99a4a2_b.jpg

[Saint-Sandouz]

Très intéressant. J’ignorais cette étude d’ascension directe, comme dans Tintin. Est-ce vraiment faisable ?

ND

[Lockheed]

Oui Nicolas, mais à quel prix ?

http://farm3.static.flickr.com/2728/4049652338_2283da8848.jpg

[Saint-Sandouz]

Oui Nicolas, mais à quel prix ?

C’est le sens de ma question. Certes les dollars coulaient à flot mais il me semble qu’il y a aussi la question de la masse à faire décoller. Est-ce qu’au delà des 3000 tonnes de Saturn V il n’y a pas une limite, en particulier en termes de résistance de la structure ? Au décollage, elle provoquait un mini tremblement de terre perceptible à des dizaines de kilomètres à la ronde. Avec 8 ou 10 moteurs il faudrait non seulement prévoir des mesures antisismiques pour les batiments environnants mais aussi pour la fusée elle-même, ne faudrait-il pas ?

Les Chroniques martiennes commence par L’été de la fusée où au décollage elle fait fondre la neige de toute la région.

ND

PS
J’avais zappé dans mes souvenirs l’option Direct ascent et n’avais retenu que les LOR et EOR.

[triall]

Pour fixer les idées.

On a :



avec
le "gain de vitesse"
m₀ la masse de la fusée + carburant en début d'accélération
m la masse en fin d'accélération (charge utile)
v_e la vitesse d'éjection du carburant (disons 4100 m/s pour LOX/LH2)

Imaginons qu'on veuille se maintenir immobile dans le champs de gravité terrestre par la seule force des moteurs pendant une durée t=1 journée (86400 s). Si je ne me goure pas, le "gain de vitesse" doit correspondre à celui acquis par chute libre d'une journée à g₀=9,81 m/s².



D'où on tire :



soit ln(m₀/m) ~ 206

soit m₀/m ~ 10⁸⁹

Pour chaque kg de charge utile il faudrait 10⁸⁹ kg de carburant. Rappelons qu'il y a moins de 10⁸⁰ atomes dans l'Univers

a+

C'est une blague ce calcul, g diminue, jusqu'à s'annuler , comment il s'appellee déjà , ce point ...de Lagrange. entre autres . Puis à 11km/ s terminé on coupe le contact au bon moment !

Sinon, pour la mise en orbite, il doit y avoir ce qu'on appelle l'effet de fronde, que je n'ai jamais trop compris !
Saluts

[Lockheed]

Tu as peut être raison Nicolas, mais d'après les écrits de l'époque, cela n'avait pas l'air de perturber le team von Braun.
Bien moins en tout cas que les ingénieurs soviétiques qui se débattront pour mettre au point le N-1 (croquis ci-joint)
Ce dernier souffrait visiblement du manque de domestication de l'agglomérat des 30 moteurs nécessaires pour assurer un décollage parfait (échec total des essais en vol)

http://farm3.static.flickr.com/2498/4046532714_c63ea8112b_b.jpg

[Carcharodon]

Sinon, pour la mise en orbite, il doit y avoir ce qu'on appelle l'effet de fronde, que je n'ai jamais trop compris !
Saluts

Pas pour la mise en orbite.
La fronde gravitationnelle consiste a "voler" un peu d'énergie gravitationnelle à une planète pour accélérer.
Plus la planète est grosse, mieux ça marche, car le puits gravitationnel est évidemment plus important.
La meilleure fronde de notre système, soleil a part, c'est, bien sûr, Jupiter.
La fronde gravitationnelle, ça ressemble a la balle de golf (engin spatial) qui fait un demi tour du trou (puits gravitationnel) avant de ressortir.
Sauf que dans ce cas, elle ressort plus vite qu'elle n'est entrée.

Mais ça ne sert qu'a accélérer un truc dans l'espace (donc déjà en trajectoire hyperbolique ou elliptique), ça ne sert a rien pour mettre quelque chose en orbite.

[Lockheed]

Bon en ce qui me concerne, car elle m'a permis de vivre durant une vingtaine d'années, l'effet de fronde profite pleinement à Ariane.

En effet, pour injecter un satcom destiné à rejoindre l'orbite GEO, la position de Kourou permet d'obtenir un bonus de 463 m/sec

Ce chiffre retombe à 410 au niveau de Cap Canaverale, 320 depuis Baïkonour et 210 à Plesetsk, la base spatiale la plus septentrionale qui soit.

Cela permet à un lanceur mis à feu depuis l'équateur d'obtenir de précieux kg supplémentaires (voire des dizaines) au bénéfice de sa CU.

Bien entendu, il faut que le tir s'effectue vers l'est car sinon le résultat est inversé. Ainsi, les Israéliens obligés d'effectuer leurs missions vers l'ouest pour éviter des problèmes avec les pays arabes les entourant, dégradent fortement les performances de leur lanceur.

[Saint-Sandouz]

Tu as peut être raison Nicolas, mais d'après les écrits de l'époque, cela n'avait pas l'air de perturber le team von Braun.
Bien moins en tout cas que les ingénieurs soviétiques qui se débattront pour mettre au point le N-1 (croquis ci-joint)
Ce dernier souffrait visiblement du manque de domestication de l'agglomérat des 30 moteurs nécessaires pour assurer un décollage parfait (échec total des essais en vol)

D’après ce que j’ai retenu, le problème majeur était qu’aucun test n’avait été effectué sur les composants. C’était dû au fait que les transports se faisaient uniquement par voie terrestre entre les usines de production, plutôt situés en Russie, et Baïkonour et qu’il était impossible de transporter des éléments déjà intégrés comme les différents étages. Aux USA, au contraire, le transport des éléments est effectué par bateau et par péniche. Beaucoup de systèmes n’avaient jamais été testés en vraie grandeur avant les vols de N1.
Ajoutons à cela une pression énorme de la part des politiques et les rivalités entre les différents barons de l’industrie.
De plus le spatial émargeait au budget de l’Armée rouge qui s’en souciait comme d’une guigne. Le manque d’organisation du programme spatial soviétique est hallucinant, tout était cul par dessus tête.

ND

[Carcharodon]

Bon en ce qui me concerne, car elle m'a permis de vivre durant une vingtaine d'années, l'effet de fronde profite pleinement à Ariane.

Ha... désolé, moi je parlais de la fronde gravitationnelle et non pas du fait de profiter de la vitesse de rotation terrestre.
Je ne savais pas qu'on appelait ça aussi un effet de fronde.

[LaRacineCarree]

Je crois que vous confondez l'effet de fronde gravitationnelle (expliqué par Carcharodon) et l'effet de la rotation de la Terre.

La vitesse d'un point sur Terre et est plus importante à l'équateur car la distance (orthogonale) avec l'axe de rotation terrestre y est maximale. C'est ce qui explique pourquoi un lancement depuis Kourou est moins couteux en énergie qu'un lancement depuis Cap Canaveral.

[Lockheed]

Bonsoir Carcharodon,

C'est uniquement le terme ''effet de fronde'' qui m'a interpellé.
En effet pour Arianespace, il constitue un argument de vente. Ainsi en exemple, le satellite peut être rempli avec plus d'ergols pour lui permettre d'augmenter sa durée de vie en orbite.

Pour ce qui est de la gravité gravitationnelle, je n'oserais pas empiéter sur tes plates bandes, car tu es meilleur connaisseur que moi.

Amicalement.

[Carcharodon]

Pour ce qui est de la gravité gravitationnelle

j'espère que c'est pas si grave quand même !

[Carcharodon]

Bon, pour éviter que vous foutiez le bordel avec vos frondes, lisez ceci :

http://irh.unice.fr/spip.php?article18

Notez l'accélération assez prodigieuse, prise par l'engin, sur les petites animations.
Notez aussi la différence de point de vue entre un référentiel héliocentré, ou l'engin accélère, et le référentiel planétaire, ou la vitesse de l'engin reste identique.
La sonde a "volé" de l'énergie gravitationnelle à la planète pour accélérer dans le référentiel solaire.
Interessant non ?

Je vous conseille aussi le film HD sur Cassini-Huygens, sur la même page.
Cette grosse sonde à fait un trajet vraiment remarquable, grâce a de multiples frondes gravitationnelles.

[Saint-Sandouz]

Je suis plutôt néophyte et une question me tracasse depuis peu....Quel facteur fait que lorsque nous envoyons qque chose vers la lune nous cherchions à atteindre une vitesse permettant à un satellite d'échapper à la gravité terrestre au lieu d'aller à une vitesse modérée en ligne droite vers la lune.

Il faut garder à l’esprit que la ligne droite est inconnue dans l’espace. À tout instant un corps est soumis aux forces de gravitation des corps de son environnement, selon leurs distances respectives. À proximité de l’un, la Terre par exemple, les autres sont plus ou moins négligeables. Par conséquent on est toujours en orbite autour d’un corps et on n’échappe graduellement à sa gravitation que pour être soumis petit à petit à celle d’un autre, en passant par un équilibre entre les deux.
Voir la Mécanique_spatiale
http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9canique_spatiale
De fait les énergies en jeu sont énormes, il n’y qu’à voir la quantité de carburant nécessaire à la simple mise en orbite. Par conséquent on cherche toujours à y aller à l’économie quand il s’agit d’atteindre une des vitesses souhaitées.
Voir les Vitesses cosmiques
http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesses_cosmiques

Avec une quantité de carburant donnée il est clair qu’on va chercher à optimiser la distance parcourue en choisissant le parcours les plus économe, le plus simple étant l’orbite de Hohmann.
Voir Orbite de transfert
http://fr.wikipedia.org/wiki/Orbite_de_transfert
ou un peu plus étoffé en anglais :
http://en.wikipedia.org/wiki/Hohmann_transfer_orbit

Donc pour une mission sur la Lune, avec un même lanceur, tu as le choix entre envoyer en quelques heures un astronaute avec sa brosse à dents (à voir) ou plusieurs astronautes avec de l'équipement en quelques jours.

ND

[Saint-Sandouz]

Bon, pour éviter que vous foutiez le bordel avec vos frondes, lisez ceci

À mon avis l'expression "fronde gravitationnelle" est assez mal choisie parce qu'elle laisse penser que l'effet est dû à la gravitation alors que l'accélération, ou la décélération d'ailleurs, est une quantité de mouvement cédée par la planète... et donc perdue pour elle.
Au début où je m'intéressais à l'astronautique cette expression me perturbait parce que je ne voyais pas comment le seul effet de la gravitation pouvait donner une accélération au final.

ND

[triall]

Pas pour la mise en orbite.
La fronde gravitationnelle consiste a "voler" un peu d'énergie gravitationnelle à une planète pour accélérer.
Plus la planète est grosse, mieux ça marche, car le puits gravitationnel est évidemment plus important.
La meilleure fronde de notre système, soleil a part, c'est, bien sûr, Jupiter.
La fronde gravitationnelle, ça ressemble a la balle de golf (engin spatial) qui fait un demi tour du trou (puits gravitationnel) avant de ressortir.
Sauf que dans ce cas, elle ressort plus vite qu'elle n'est entrée.

Mais ça ne sert qu'a accélérer un truc dans l'espace (donc déjà en trajectoire hyperbolique ou elliptique), ça ne sert a rien pour mettre quelque chose en orbite.

OK, merci, mais je n'ai jamais compris comment la sonde pouvait "voler" cette énergie, et ressortir avec plus d'énergie .
La balle de golf ne ressort pas plus vite qu'elle est entrée dans la ronde, au meilleur des cas, même vitesse par rapport au trou /planète ?

[Carcharodon]

OK, merci, mais je n'ai jamais compris comment la sonde pouvait "voler" cette énergie, et ressortir avec plus d'énergie .

effectivement, la sonde "vole" de l'énergie a la planète.
Même quand toi tu sautes simplement sur le sol, ou tu marches dans la rue, tu induis des minusculissimes changements dans le moment cinétique de la terre.
Mais dans les deux cas, ces changements sont si faibles qu'ils sont imperceptibles.
Même reproduits des milliards de milliards de fois, ça reste négligeable en comparaison de la masse terrestre qui est le grand moteur de tout ça.

La balle de golf ne ressort pas plus vite qu'elle est entrée dans la ronde, au meilleur des cas, même vitesse par rapport au trou /planète ?

normal, c'était une image qui présente des failles qu'il faut bien comprendre :
le trou de golf et la balle est une représentation en 3D d'un espace temps en 4D.
c'est comme l'histoire du tissu tendu avec une bille de fer qui le déforme, pour symboliser la courbure de l'espace temps =>


http://www.journaldunet.com/science/...u-noir/7.shtml

Dans le cas de la balle de golf, il y a, en plus, le champ gravitationnel terrestre qui la freine, et qui l'empêche de ressortir plus vite qu'elle n'est rentrée (sans compter aussi la petite résistance atmosphérique ainsi que le frottement sur le green).
Il faut la prendre comme une représentation symbolique.

http://eurserveur.insa-lyon.fr/LesCo...pacetemps.html

Mais dans les faits, lorsqu'un objet passe dans le champ gravitationnel d'une planète, il interagit avec celui ci et le modifie très légèrement.
Ça ne change strictement rien pour la planète, extraordinairement massive en comparaison, mais ça peut tout changer pour l'objet en question, si sa trajectoire est correctement calculée pour en tirer parti.
Et lorsque c'est le cas, comme dans les exemples mentionnés, alors l'objet peut voler de l'énergie à la planète afin d'en bénéficier et d'en tirer une augmentation de vitesse dans le référentiel héliocentré (et non pas dans le référentiel planétaire).

Ceci se traduit, pour la planète, par un minusculissime ralentissement de sa période de rotation.
Quasiment incalculable tellement c'est misérablement faible.

Mais si c'était un corps de dimension planétaire qui faisait une fronde avec la terre (comme par exemple la lune qui passerait très près de nous) alors ça induirait un changement d'orbite de notre planète.

C'est parce que la masse des engins spatiaux est absolument ridicule, comparée a celle de la terre, que seul eux en subissent les conséquences, et pas la terre.

[triall]

OK, merci de l'effort, je connais très bien le pb du petit coup de pied imperceptible que l'on donne à la Terre , et cette valeur si l'on n'en tient pas compte peut provoquer des grosses erreurs.
J'avais proposé un petite énigme à ce propos mais celle ci est plus flagrante
http://forums.futura-sciences.com/sc...-lenergie.html

Donc je comprends très bien que si la sonde ressort un peu plus vite, la planète a perdu un peu à cause de la conservation de la quantité de mouvement .

Mais c'est le mécanisme que je ne cerne pas.
J'ai l'intuition que la sonde s'aide de la vitesse de rotation de la planète autour de son soleil , et met un petit coup de "gaz" au bon moment, à moins que ce soit une histoire dans le retard d 'information sur la gravité .

Car Newton et la Rg aussi connaissent l'action/réaction au sens FM=MmG/d²=-Fm , il est vrai qu'au point de vue vitesse la sonde a tout à gagner avec l'égalité de cette force pour accélérer, mais le pb, c'est que quand la sonde s'éloigne , cette égalité joue en sa défaveur .
Il doit donc y avoir une dyssimétrie entre l' attraction de la sonde vers la planète avec prise de vitesse, et l 'éloignement de la sonde à cause justement de la rotation de la planète .
Donc en écrivant là, j'entrevois la solution ..Me suivez-vous ? .
La sonde aurait intérêt, si je ne me trompe filer vers la planète dans le sens inverse de sa vitesse autour du soleil , les 2 vitesses s'ajoutant, la sonde accélère et fuit ensuite l'attraction de la planète avec une vitesse plus importante dans un temps plus court ..Elle a gagné de la vitesse !
Et du coup il me semble avoir compris le phénomène , en se pos
Cordialement

[triall]

OK, merci de l'effort, je connais très bien le pb du petit coup de pied imperceptible que l'on donne à la Terre , et cette valeur si l'on n'en tient pas compte peut provoquer des grosses erreurs.
J'avais proposé un petite énigme à ce propos mais celle ci est plus flagrante
http://forums.futura-sciences.com/sc...-lenergie.html

Donc je comprends très bien que si la sonde ressort un peu plus vite, la planète a perdu un peu à cause de la conservation de la quantité de mouvement .

Mais c'est le mécanisme que je ne cerne pas.
J'ai l'intuition que la sonde s'aide de la vitesse de rotation de la planète autour de son soleil , et met un petit coup de "gaz" au bon moment, à moins que ce soit une histoire dans le retard d 'information sur la gravité .

Car Newton et la Rg aussi connaissent l'action/réaction au sens FM=MmG/d²=-Fm , il est vrai qu'au point de vue vitesse la sonde a tout à gagner avec l'égalité de cette force pour accélérer, mais le pb, c'est que quand la sonde s'éloigne , cette égalité joue en sa défaveur .
Il doit donc y avoir une disymétrie entre l' attraction de la sonde vers la planète avec prise de vitesse, et l 'éloignement de la sonde à cause justement de la rotation de la planète .
Donc en écrivant là, j'entrevois la solution ..Me suivez-vous ? .
La sonde aurait intérêt, si je ne me trompe à filer vers la planète dans le sens inverse de sa vitesse autour du soleil , les 2 vitesses s'ajoutant, la sonde accélère et fuit ensuite l'attraction de la planète avec une vitesse plus importante dans un temps plus court ..Elle a gagné de la vitesse , la disymétrie est en sa faveur!
Et du coup il me semble avoir compris le phénomène , en se posant la bonne question . Un peu grâce à vous aussi...
Cordialement