Et pourquoi pas les Maglev ?

[inviteb72f7dee]

Bonsoir à tous les membres des forums de Futura

Je vous suis depuis un petit moment déjà (environ 2 ans ) et j'ai une question à vous soumettre

Ne serait-il pas possible d'utiliser des maglevs pour confectionner des catapultes EM, et ce afin de réduire les coûts des lancements spatiaux ?

Je m'explique : prenons un Maglev tel qu'ont sait les faire aujourd'hui en Allemagne ou à Sanghai. Sauf que la ligne ne fait qu'une vingtaine de km, avec un anneau de dix km de périmètre et une ligne droite de même taille, et se termine en décrivant une parabole haute comme la Taipei 101 ou feu les tours du WTC. Sur cette ligne on fixe un chariot avec des aimants supraconducteurs qui servirait à propulser des navettes réutilisables (pour les navettes j'envisageais quelque chose basé sur le SR-71 avec deux moteurs-fusées comme ceux du X-15 mais surboostés à la place des réacteurs et des boosters sur l'extrados, voire même un moteur cryo à l'arrière du fuselage).
Pour le catapultage on pourrait procéder ainsi :
1. la navette est posé sur le chariot Maglev
2. le chariot est envoyé dans la section annulaire où ils est progressivement accéléré jusqu'à des vitesses de 500/600 km/h.
3. a ce moment le chariot est redirigé vers la section linéaire, et donc la catapulte à proprement parler.
4. dès que le chariot commence l'ascension le long de la parabole on allume les boosters ou les moteurs-fusées tandis que la propulsion magnétique est maintenu constante à la vitesse maximale.
5. Une fois que la navette est catapultée on largue le chariot puis les boosters qui sont récupérés pour être réutilisés. Les moteurs-fusées sont alors allumés (si on ne l'a pas fait lors du catapultage) pour fournir l'ultime impulsion afin de se satelliser.

En bref et pour me pardonner de ce post un peu long, j'aurais voulu savoir:
1. si c'est réalisable et ce que vous en pensez
2. si ça peut s'avérer effectivement utile et avoir un impact positif sur l'industrie spatiale, notamment vis à vis du coût des lancements

En vous remerciant par avance de vos réponses
Valkyrie
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[Saint-Sandouz]

Je crois qu’à ce jour toutes les options ont été imaginées et pour certaines testées. En particulier, on a beaucoup réfléchi sur les configurations permettant la récupération d’un maximum d’éléments mais l’exemple de la navette a prouvé que ce n’est finalement pas économique. Dans Ariane tout est jetable.

L’idée de la catapulte me semble présenter les défauts suivants :
* Le ∆v (~500 km/h) que tu proposes est dérisoire par rapport au ∆v final de l’ordre de 10km/s. Il me semble de toutes façon exclu de dépasser la vitesse du son. Donc pour un gain aussi petit le système risque de ne pas être rentable.
* En l’état actuel de la technologie, à ma connaissance le maglev n’est pas capable de supporter des charges énormes, donc pas celle d’une navette (~2000 tonnes).
* Malgré les apparences, les fusées, surtout quand elles sont chargées d’ergols, sont extrêmement fragiles et ne peuvent pas supporter leur propre poids en position horizontale. Les Soviétiques ont toujours déplacé leurs fusées (à vide) horizontalement jusqu’au pas de tir pour les mettre droites par un système de bras énormes mais très délicats. Les occidentaux ont toujours préféré les assembler et les déplacer en position verticale pour éviter tout risque. Avec ton circuit maglev annulaire puis qui s’élève la fusée va subir des accélérations transversales (sans compter les vibrations) qui lui seront fatales.

ND

[inviteb72f7dee]

C'est effectivement ce que je me suis dit en y réfléchissant. Mais rien n'empêche de poser quand même la question nan ?

Ce qui par contre me pose un vrai problème c'est l'usage kleenex que nous faisons actuellement de nos fusées.
Ne devrait-on pas essayer de construire des systèmes entièrement réutilisables, à l'instar de celui que j'ai proposé (même si ce n'est qu'une vue de l'esprit d'un non-spécialiste), plutôt que des fusées jetables dont une partie des éléments est perdue et va accroître la pollution d'orbites déjà bien saturées en débris ?

[Saint-Sandouz]

C'est effectivement ce que je me suis dit en y réfléchissant. Mais rien n'empêche de poser quand même la question nan ?

Sûr, il n’y a pas de question idiote. Ce sont les réponses qui peuvent l’être. Il faut poser toutes les questions (en faisant tout de même attention de ne pas reposer toujours les mêmes).

Ce qui par contre me pose un vrai problème c'est l'usage kleenex que nous faisons actuellement de nos fusées.
Ne devrait-on pas essayer de construire des systèmes entièrement réutilisables, à l'instar de celui que j'ai proposé (même si ce n'est qu'une vue de l'esprit d'un non-spécialiste), plutôt que des fusées jetables dont une partie des éléments est perdue et va accroître la pollution d'orbites déjà bien saturées en débris ?

Le réemploi pose au moins deux problèmes majeurs :
* Sur Ariane les boosters fonctionnent 2 minutes et le moteur Vulcain 10 minutes. Il faudrait que tous les systèmes soient renforcés pour pouvoir marcher plusieurs fois comme sur la navette dont les moteurs sont nettement plus lourds que des équivalents à usage unique. Comme on cherche au contraire à tout alléger au maximum tout en tirant les performances à leur limite l’équation devient difficilement soluble. Les conditions de température (très hautes et très basses), de pression, de corrosion et de vibrations sont extrêmes. Il est donc plus économique de ne concevoir les composants que pour dix minutes de fonctionnement après quoi ils sont hors d’usage.
* Comme par définition un lanceur se met en orbite, du moins la plus grande partie (hormis les boosters sur Ariane et la navette), pour le récupérer il faut le faire revenir sur terre, donc effectuer une rentrée dans l’atmosphère. Il faut donc qu’il ait les protections thermiques nécessaires et des moyens d’atterrissage, d’où un poids et des complications supplémentaires (voir la partie orbiter de la navette).
* Contrairement aux prévisions, sur la navette l’entretien entre deux lancements s’est révélé extrêmement long, compliqué et couteux, ce qui a contribué à ruiner le calcul de base : rendre le système économique grâce au réemploi. Elle est donc la démonstration que ça ne marche pas.

Finalement le système Kleenex est plus économique. C’est navrant de voir tout ce beau matériel foutu en l’air mais il ne semble pas qu’il y ait d’autre solution.

Sur la question des débris, leur accumulation est due au comportement irresponsable des opérateurs qui n’ont pratiquement jamais pris les précautions nécessaires. Il y a en effet une bonne part composée par les réservoirs des lanceurs qui ont explosé au lieu d’avoir été envoyés se consumer dans l’atmosphère mais aussi de multiples satellites qui se sont désintégrés.

ND

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitef122887c]

http://www.popsci.com/technology/art...acecraft-orbit

Canon électromagnétique("railgun") + scramjet(statoreacteur) en lancement horizontale(à la manière d'un avion).Est-ce possible?

[Saint-Sandouz]

Encore un article qui ne cite guère ses sources. Popular Science fait partie de ces magazines américains qui ont popularisé une forme plutôt fiction de la science.

Presque toutes ces solutions ont déjà été envisagées et pour certaines testées et elles ont été rejetées comme non faisable ou non économiques. D’autres, comme le Scramjet et le vol à Mach 10, sont loin d’être du domaine du faisable dans un avenir prévisible. Alors faire déjà des plans sur la comète en pensant que ça couterait moins cher que la navette (ce qui n’est pas difficile vu qu’elle est de loin la solution la plus chère) c’est particulièrement naïf… mais ça fait vendre de la copie.

ND

[Moinsdewatt]

Dans un autre genre, il y a le lanceur electromagnétique qui va équiper le nouveau porte avion Américain. ca va remplacer l' antique catapulte à vapeur.

http://www.meretmarine.com/article.cfm?id=115433

[Geb]

Bonsoir,

Encore un article qui ne cite guère ses sources.

Universe Today avait lui aussi un article sur le sujet :

NASA Considering Rail Gun Launch System to the Stars

Et eux ils citent cette source : Emerging Technologies May Fuel Revolutionary Launcher

[...] le Scramjet et le vol à Mach 10, sont loin d’être du domaine du faisable dans un avenir prévisible."]le Scramjet et le vol à Mach 10, sont loin d’être du domaine du faisable dans un avenir prévisible.

Tout à fait d'accord. Pouvoir se servir de moteurs aérobies jusqu'à Mach 10, c'est d'ailleurs ce qu'on a essayé de faire avec le projet National AeroSpace Plane (NASP) entre 1986 et 1993. Résultat : 3 milliards de dollars de dépenses et un moteur beaucoup trop lourd et pas assez puissant.

Pour faire un véhicule fiable, autant se limiter à des régimes qui sont déjà bien explorés et plus ou moins maîtrisés. Je pense évidemment à l'ancêtre, le moteur J-79 du SR-71, mais surtout à son héritier, le moteur YJ102R de Lockheed, fruit du projet RATTLRS (pour Revolutionary Approach to Time-Critical Long-Range Strike).

L'extrait d'un article de Flightglobal.com :

Hyper activity: Hypersonics research in the USA

Key to RATTLRS - and certain other high-speed concepts - is a turbine engine able to operate to speeds of M3-4, beyond the normal limit of M2.5. Developed by Rolls-Royce's Liberty Works, the YJ102R turbojet has six times the specific power of the Lockheed SR-71's Pratt & Whitney J58. "That was a cruiser this is an accelerator. It does it a 6% of the weight, 25% of the diameter and 20% of the length - and it's dry: the SR-71 needed afterburner to accelerate and to cruise," says Ash.

In size and shape RATTLRS resembles an SR-71 nacelle, but the engine is much smaller, just 330mm (13in) diameter. "The J58 was four times the size, but only two times the dry power," says Johnston. Although similar, the flowpath is significantly simpler while maintaining performance that is hard to beat even today, according to Lockheed. "The SR-71 had a fairly complex flowpath and 1960s controls. We have very modern aerodynamics and control software," he says.

The "secret sauce", says Johnston, is Lamilloy, an R-R-developed material made from laminated layers of perforated metal through which compressor bleed air is blown to provide transpiration-like cooling of combustor and turbine components. "Lamilloy can operate at very high temperatures, so air goes to thrust not cooling," he says.

Une phase aérobie pour les lanceurs spatiaux serait certes intéressante, mais aujourd'hui on est sûr de rien au-delà de Mach 4. Sans oublier que "les problèmes augmentent comme le cube de la taille"

Cordialement

[Geb]

le moteur J-79 du SR-71

Il s'agissait bien sûr, du J-58 ! Toutes mes excuses

[invitef122887c]

Couplé avec un lanceur électromagnétique à acceleration acceptable et un moteur fusé pour la fin du trajet(en haute atmosphere),ca pourrait permettre une grande économie de carburant.Popular science est éffectivement peu rigoureux et pas toujours réaliste,mais les concepts du genre peuvent très bien devenir réalité.Ca vaut toujours la peine de les étudier.

[Saint-Sandouz]

Couplé avec un lanceur électromagnétique à acceleration acceptable et un moteur fusé pour la fin du trajet(en haute atmosphere),ca pourrait permettre une grande économie de carburant.Popular science est éffectivement peu rigoureux et pas toujours réaliste,mais les concepts du genre peuvent très bien devenir réalité.Ca vaut toujours la peine de les étudier.

Pratiquement tout a été étudié et parfois testé.
Le principe des lanceurs actuels, anaérobies, jetables, et n’utilisant pas la portance de l’air, semble être le moins optimisé possible. Économiser le comburant et la masse qu’il représente et réutiliser le matos seraient de grands progrès.
Néanmoins c’est un peu le prototype de la fausse bonne idée.
Les moteurs aérobies comme les turboréacteurs sont beaucoup plus lourds à poussée égale que les moteurs fusées et ils n’ont qu’un domaine de vol assez limité en altitude et en vitesse.
Les ramjets et les scramjets sont encore expérimentaux et même s’ils sont prometteurs n’ont qu’une poussée très limitée. Ils ne peuvent pas assurer une accélération vraiment suffisante. Eux aussi s’arrêtent de fonctionner correctement au-delà d’une certaine altitude.
Utiliser la portance de l’air, nettement plus efficace sur le plan énergétique, serait séduisant aussi mais entraine un surpoids (ailes, atterrisseurs, rigidité accrue de la cellule, etc.) et une trainée très pénalisants et qui réduisent de beaucoup les bénéfices potentiels.
Entre 0 et 400 km, la partie du voyage potentiellement aérobie est tout de même relativement mineure.
Pour se satelliser il faut parvenir à des vitesses très hypersoniques, la vitesse de satellisation minimale étant ~8 km/s, soit 28 500 km/h, alors que le lanceur se trouve encore soumis à la trainée de l’atmosphère, très ténue mais encore suffisante. On est loin d’être certain de pouvoir maitriser un jour les technologies à la fois pour les moteurs et pour la cellule.
Dernier point important : le temps entre le départ et la mise en orbite. Dès le moment où un engin s’élève au dessus du sol, par exemple verticalement pour une fusée, une partie de la poussée est consacrée à lutter contre la gravitation. C’est ce qu’il consommerait pour faire un point fixe en l’air comme un hélicoptère. L’autre partie est consacrée à son accélération. La première est une taxe fixe prélevée chaque seconde. Les fusées actuelles prennent environs 10 minutes pour rejoindre l’orbite basse. Pour un système qui prendrait 30 minutes par exemple, quelle que soit son efficacité par ailleurs, doit lutter contre la gravitation 3 fois plus longtemps.

Il me semble donc que la fusée actuelle a de beaux jour devant elle.

ND

[Geb]

Bonjour,

Je me permets d’ajouter quelques chiffres à la discussion. Je vous propose de comparer Ariane 5 ECA et le Concorde.

Rapport poussée/poids :

Moteur Vulcain 2 : 73,6
Moteur Olympus 593 : 5,4

Le moteur aérobie est, à poussée égale, 14 fois plus lourd que le moteur anaérobie.

On est certes obliger d’ajouter des ailes, mais le rapport portance/traînée supérieur joue cette fois en faveur du type aérobie :

Pour le Concorde :

Au décollage : 4,35
En régime de croisière (Mach 2,04 à 15650 mètres d’altitude) : 7,14

Autrement dit, au décollage, la poussée nécessaire est divisée par 4, tandis qu’elle est divisée par 7 en altitude. Cependant, les ailes ne servent à rien dans l’espace (c’est un poids mort à hisser en orbite), et le rapport diminue avec la vitesse.

Impulsion spécifique :

Vulcain 2 : 434 secondes dans le vide ; 318 secondes au niveau de la mer
Olympus 593 : 3012 secondes en régime de croisière

Le moteur aérobie fonctionne beaucoup plus longtemps, mais consomme 7 fois moins de carburant que le moteur anaérobie. Cependant, la vitesse doit être importante au décollage (on gaspille beaucoup de carburant) et l’impulsion spécifique est inférieure de moitié (environ) dans ces conditions.

Voilà, cette comparaison vaut ce qu’elle vaut. Le problème des moteurs aérobies, c’est la pression de l’air : 1,38 bars à Mach 3 et 24 kilomètres d’altitude pour le moteur J58 du SR-71, à comparer aux 115 bars de pression dans la chambre de combustion du Vulcain 2 au niveau de la mer.

Un autre problème de taille, celui de la température, qui limite pour l'instant la vitesse maximale aérobie à Mach 4 (avec le YJ102R) ou Mach 5 (pour les superstatoréacteurs).

Enfin, si je puis faire un peu de propagande (désolé Nicolas), les ingénieurs ayant conçu le moteur hybride SABRE, sont persuadés d'avoir résolu (sur le papier) tous ces problèmes.

Cordialement

[Saint-Sandouz]

Merci pour toutes ces données chiffrées, Geb.

Vulcain 2 : 434 secondes dans le vide ; 318 secondes au niveau de la mer
Olympus 593 : 3012 secondes en régime de croisière

Le moteur Olympus était très performant à l’époque. De mémoire un Rolls Royce Trent a une Isp de ~5000 secondes, inenvisageable pour un moteur fusée.
C’est bien sûr a niveau du bilan final que la question se pose : est-ce qu’il est économiquement viable de mettre en œuvre un système censé économiser du comburant pour faire environ 10% de trajet et au mieux 20% du ∆v total et ce dans les conditions les plus défavorables, c’est à dire dans l’atmosphère.

Enfin, si je puis faire un peu de propagande (désolé Nicolas), les ingénieurs ayant conçu le moteur hybride SABRE, sont persuadés d'avoir résolu (sur le papier) tous ces problèmes.

Certes… ils peuvent le faire

ND