rentrée atmosphérique d'une navette

[invite7ef8244d]

Bonsoir,

En ce qui concerne la phase de rentrée dans l'atmosphère d'une navette spatiale, qu'est ce qui est responsable du phénomène de rebondissement sur les couches denses de l'atmosphère :
Est-ce le fait d'avoir un angle d'attaque (AOA) trop plat, ou bien le fait de diminuer l'angle de rentrée (qui déjà doit être <6°) ?

Si j'ai bien compris, lorsque l'angle d'ATTAQUE est trop aigu l'engin n'est pas suffisamment freiné, et si l'angle de RENTRéE est grand , les contraintes sont plus fortes (la portance donc la finesse sont nulles, et on peut négliger le poids devant les décélérations) .

Est-ce que quelqu'un aurait des liens (notamment une mise en équation) dans le cas de rentrées avec des angles faibles?

Merci
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[invitea9b20f0d]

Je t'invite à jeter un coup d'oeil ici :=> http://forums.futura-sciences.com/as...spherique.html

[invite7ef8244d]

Merci G.Freeman pour ta réponse, mais ça ne résout pas mon problème. J'ai juste besoin de précisions concernant la réelle cause des rebonds.

[Carcharodon]

Salut,

Au sujet de l'angle d'attaque des navettes :
Il faut complètement dissocier ses effets des effets habituellement constatés en aéronautique.

En planeur classique, en position "a plat", si tu augmentes l'AOA, ton engin va monter.
En Shuttle, si tu augmentes ton AOA, tu vas tomber.

l'AOA de la navette en rentrée atmosphérique est de 40°.
Mais cet angle d'attaque n'agit pas du tout de la même façon que celui d'un avion (qui n'est d'ailleurs jamais a ces valeurs extrêmes).

Alors que l'avion se sert de la différence de pression entre les cotés supérieur et inférieur des ailes pour assurer sa sustentation, la navette se sert de sa vitesse pour maintenir sa trajectoire.

L'angle de 40° est dû au fait qu'il permet à la navette, grâce a cet angle et grâce a sa forme particulière (dite de "brique volante") de générer une onde de choc qui forme une demi sphère devant la navette et permet a celle ci de ne pas entrer en contact avec le plasma généré par la rentrée atmosphérique, qui est a plus de 10 000°.
Au contact de la navette, cette température tombe donc a - de 2000°, grâce a cette "astuce".
Astuce qui, seule, permet d'envisager du réutilisable, sinon toute la paroi externe doit être composée de matériaux érodables (sur plusieurs dizaines de centimètres) afin d'éviter de foutre le feu a l'engin par accumulation de chaleur.

Lorsqu'on augmente l'AOA d'une navette, on augmente son drag atmosphérique (l'onde de choc est plus volumineuse) et, en conséquence, on la ralenti davantage.

Donc, pour allonger une trajectoire, en navette, on réduit l'AOA, et pour la réduire, on augmente l'AOA, afin de présenter moins de résistance et donc de "tirer" plus loin.

Mais il faut bien distinguer l'effet de portance par différence de pression de l'aéronautique avec la variation du drag atmosphérique par changement d'AOA de la navette.

Car pour un avion, l'air s'écoule le long de ses structures, alors que pour un shuttle, l'air s'écoule autour de l'onde de choc, qui n'a pas du tout la forme de la navette.

La variation d'AOA entre un avion et un shuttle n'a donc pas du tout le même impact, lorsque le shuttle est en phase de conversion de l’énergie cinétique en énergie calorifique, en tout cas.

Une fois revenu a moins de Mach 3, la navette se remet en AOA standard (quand même a 20°, comme une brique volante plus que comme un avion ou un planeur qui est généralement assez inférieur a 10°), le basculement est immédiat : en une fois, on sort de l'attitude rentrée a l'attitude planeur.
Ça se passe juste avant d'être au dessus de la base d’atterrissage (quelques secondes), avant d'opérer le tour qui va permettre de se poser en "planant".
Je mets des "" parce qu'on tombe plus qu'on ne plane, et a la fin il faut faire un énooorme arrondi pour annuler la vitesse verticale... le tout sans décrocher.

Voici un document qui regroupe des équations associées à ce phénomène :
http://www.univ-orleans.fr/mapmo/mem...nda/projet.pdf

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite7ef8244d]

Merci carcharodon pour ces précisions.

Si l'AOA est supérieur à 40° au moment de la rentrée, la navette (planeur) remonte. C'est ce qui fait qu'elle peut rebondir?

ET pour l'angle de rentrée, s'il est plus grand que 6°, est ce que ça peut causer des rebonds atmosphériques? ou non ?

[Carcharodon]

Merci G.Freeman pour ta réponse, mais ça ne résout pas mon problème. J'ai juste besoin de précisions concernant la réelle cause des rebonds.

Pour créer un rebond atmosphérique, il suffit a une navette de réduire son AOA.
Si tu le réduis a 30°, par exemple, ta VS va chuter puis devenir rapidement positive, signe du rebond atmosphérique (parce que savoir ça sans les instruments est impossible, les occupants ne s'en apercevrait pas avant de chuter à nouveau).

La navette est prévue et calculée pour entrer a 40°.
Donc, si tu diminues l'AOA, tu créés un déséquilibre aérodynamique et de masse qui va avoir tendance a être moins efficace dans la transformation de vitesse en chaleur.
Résultat : tu perds moins de vitesse et tu chauffe moins.
Et ça peut aller jusqu’à créer un rebond atmosphérique.

Par contre c'est très mauvais le rebond, parce que si tu rebondis, tu retombes quand même, et comme tu as déjà freiné, tu retombes avec un angle de rentrée supérieur a celui habituel et ça peut faire très mal dans les basses couches que tu aborderas alors trop vite, sans avoir pu freiner assez dans les couches supérieures.

[mode prosélyte on]

 Cliquez pour afficher

Sur orbiter, il existe un MFD nommé aerobrake qui permet de créer un point de chute prédictif instantané et ainsi de suivre sa courbe de descente tranquillement en jouant sur l'AOA de la brique volante, que ce soit une navette ou des trucs plus futuristes (j'ai pas dit SF) comme les Delta Glider -celui de dansteph, l'original et le DG a stato- le Ravenstar, le Vanguard etc etc ...).

Le truc consiste a se mettre en orbite basse circulaire (200 a 220 km), puis de calculer la bonne orbite de passage avec basesync, qui va même te donner le point d'acceleration retrograde (le moment ou tu mets a feu en sens inverse pour créer ton point de chute).
Tu peux, la 1/2 orbite précédente, corriger l'inclinaison résiduelle au point de node ou choisir de le faire pendant la phase de rentrée en utilisant la manœuvre de banking).
Puis tu passes sur aerobrake, en te mettant en position de rentrée (donc 40° +-2 selon l'engin) et tu gardes le point de chute prédictif sur la cible.

Lorsque tu rentres dans les couches atmosphériques denses (a partir de 55 km d'altitude pour des effets concrets sur ta vitesse), alors tu commences à jouer avec l'AOA (+- 0,5) pour allonger ou raccourcir ton point de chute prévisionnel et ainsi sortir du freinage atmosphérique juste au dessus de la base (avec 12 km ou plus en dessous), pour passer du mode brique fumante a brique tombante

La meilleure façon de comprendre le rebond, c'est, par exemple, de passer de 40° a 30° lorsque tu es encore à 6.5 km/s (donc encore très loin de la base, a 6000 ou 8000 bornes), lorsque tu as commencé à ralentir mais que tu vas encore très vite.
Observe alors ta vitesse verticale, tu vas la voir diminuer (c'est a dire monter du négatif vers 0) puis passer en positif : signe du rebond.
Observe aussi les températures, elles vont descendre rapidement après le changement de vitesse verticale.

Si tu attends sans rien faire, alors tu vas retomber plus loin que prévu, "lourdement", c'est a dire avec un angle fortement déconseillé, et ton engin va chauffer jusqu’à cramer, de façon irrémédiable.
Il faut donc éviter le rebond atmosphérique, sauf si tu le contrôle.
Pour le contrôler, il faut agir dès la réduction de VS, en utilisant des instruments prédictifs (aerobrake dans un autre mode que j'ai pas essayé) afin de contrôler le rebond pour faire une série de ricochet.
J'ai pas testé, vu que c'est déjà assez chaud de viser une piste a 15 000 km comme ça
Mais avec un peu de pratique, tu poses n'importe quelle brique volante sur n'importe quelle base spatiale terrestre, en pur vol plané, et sans véritables difficultés (sauf a connaitre toute la procédure).

[mode prosélyte off]

Un engin avait été prévu comme bombardier utilisant le rebond sur les couches atmosphériques : le Dyna-Soar.
Programme avorté pour raisons budgétaires.
C'est le seul engin, a ce jour, qui proposait d'exploiter l'effet de rebond dans l'atmosphère terrestre.

Sinon, y a beaucoup a dire sur le rebond ou le freinage dans l'atmosphère martienne...

[Carcharodon]

Merci carcharodon pour ces précisions.

Si l'AOA est supérieur à 40° au moment de la rentrée, la navette (planeur) remonte. C'est ce qui fait qu'elle peut rebondir?

ET pour l'angle de rentrée, s'il est plus grand que 6°, est ce que ça peut causer des rebonds atmosphériques? ou non ?

Distingue bien les deux phases :

1) Lorsque la navette est a 40°, elle ne réagit pas du tout comme un avion, c'est la forme de l'onde de choc qu'elle crée par sa posture (calculée pour ça) qui détermine l'écoulement de l'air.
Et la forme générée est celle d'une demi sphère plus ou moins "écrasée" selon la modification de l'angle d'attaque.

2) Puis sous Mach 3, ou la navette revient "brutalement", d'un seul coup, en 2 secondes (le temps de baisser le nez), de 40° d'AOA a 20° pour finir en mode planeur version spécifique "brique volante".
A ce moment là, elle tombe "a plat" par rapport au sol, mais son AOA et donc son angle de descente, puisqu'elle est a plat, sont de 20°.
A cet angle de descente, ta vitesse reste stable a 180 knts.
Elle est revenue sous le régime de sa forme propre, et non plus sous le dictat de l'onde de choc.
C'est une véritable transition de phase, quasi instantanée.

Si l'AOA est supérieur à 40° au moment de la rentrée, la navette (planeur) remonte. C'est ce qui fait qu'elle peut rebondir?

Comme je viens de te le préciser au dessus, c'est l'inverse : tu augmentes l'AOA en phase de rentrée = tu tombes plus vite, tu augmentes ta VS.
Pour créer un rebond, il faut diminuer l'AOA, c'est l'inverse des concepts aéronautiques classiques.
C'est parce que c'est un régime d'onde de choc et pas d'écoulement autour de l'aile.

[invite7ef8244d]

Pour la phase de rentrée, en SHUTTLE, la navette arrive avec un angle d'attaque de 40° (si moins de 40, elle rebondit, si plus de 40, la navette n'est pas suffisamment freinée et est trop rapide pour s'arrêter à temps). En PLANEUR, c'est l'inverse, c'est bien ça?

Est-ce que angle d'attaque=angle de rentrée ? L'incidence c'est par rapport à l'axe de roulis.

Si je m'intéresse à des rentrées balistiques par exemple, l'incidence est nulle et dans ce cas les angles de rentrées sont supérieurs à 6°.
et si je fais l'hypothèse que ma navette est un planeur, alors dans ce cas l'angle de rentrée doit nécessairement être plus petit que 6°. Et dans ce cas là, on a les effets habituels en aéronautiques, (si moins de 6° pas assez de freinage, si plus de 6° des rebonds ?)

[Carcharodon]

Pour la phase de rentrée, en SHUTTLE, la navette arrive avec un angle d'attaque de 40° (si moins de 40, elle rebondit, si plus de 40, la navette n'est pas suffisamment freinée et est trop rapide pour s'arrêter à temps). En PLANEUR, c'est l'inverse, c'est bien ça?

si 2° de moins que 40° elle allonge sa trajectoire, si 5° de moins elle subira un fort rebond. Ça dure très longtemps un rebond et il y a énormément d'inertie dans les trajectoires qui opèrent a ces vitesses.
Si tu augmentes l'AOA a 45°, alors tu augmentes le drag et donc tu freines plus, donc tu réduis ta portée.

Si tu diminues l'AOA, alors tu diminues le drag, donc tu allonge ta portée.
Et si tu diminue trop le drag (- 5° ou 6°), tu créés rapidement un rebond atmosphérique qui va te faire monter démesurément en perdant beaucoup de vitesse, puis retomber en accélérant comme une pierre dans les couches basses avec un angle de rentrée beaucoup trop important.

Est-ce que angle d'attaque=angle de rentrée ?

nope, l'angle de rentrée, c'est l'angle de ta trajectoire par rapport au sol, l'angle d'attaque, c'est l'angle entre le profil de l'aile et le flux atmosphérique.

L'incidence c'est par rapport à l'axe de roulis.

l'AOA c'est l'incidence, ou angle d'attaque.
Donc par c'est par rapport à l'axe de tangage (pitch).

Si je m'intéresse à des rentrées balistiques par exemple, l'incidence est nulle et dans ce cas les angles de rentrées sont supérieurs à 6°.
et si je fais l'hypothèse que ma navette est un planeur, alors dans ce cas l'angle de rentrée doit nécessairement être plus petit que 6°. Et dans ce cas là, on a les effets habituels en aéronautiques, (si moins de 6° pas assez de freinage, si plus de 6° des rebonds ?)

L'angle de rentrée initiale de la navette est autour de 1.5°
donc AOA = 40° et angle de rentrée = 1.5°
... donc angle de pitch (par rapport au sol) = 38.5°

Mais l'angle de rentrée varie au cours du temps et a tendance a s'accroitre au fur et a mesure de la perte de vitesse.
Néanmoins il reste au dessus de 3° jusqu'aux vitesses supersoniques (mach 3 ou 4), moment ou il y a une brusque transition en mode brique volante et adéquation entre angle de rentrée et AOA a 20°, moment ou le freinage atmosphérique est terminée et où on entre en phase d'atterrissage en planant.

En aéronautique, c'est pas du tout comme ça que ça se passe, les incidences sont nettement plus réduites, surtout en vol rapide (supersonique) ou elles sont alors très faibles.

Mais une brique volante, ça ne vole pas du tout comme un avion

[Carcharodon]

Mais une brique volante, ça ne vole pas du tout comme un avion

Enfin si quand même : les quelques secondes (20 a 30) entre le moment ou elle bascule le nez pour revenir a plat, a Mach 3, et le subsonique ou elle commence a tomber comme une brique volante a 20°, entre les deux, l'angle de rentrée prend une constante augmentation au fur et a mesure de la baisse de vitesse.
Après ça, ça se stabilise a 160 ou 180 knts tout le reste de la descente, a 20°.

[invite7ef8244d]

Je vois plus claire maintenant.
En fait moi je m'intéressais uniquement au moment de la rentrée, dans le cas en balistique (théorie d'allen) et en planeur (avec le modèle de chapman).

Dans ce projet matlab http://www.ulb.ac.be/polytech/smana/solTP_2.htm, ils disent plutôt le contraire dans le commentaire : "La rentrée atmosphérique est possible jusqu’à 24° (Figure 1).Au-delà, apparaît la fameux phénomène de rebondissement sur les couches hautes de l’atmosphère qui apparaît déjà à 26° Figure 2). Dans la réalité, l’angle limite est de 6 ° mais ici CL a été sous-évalué à dessein. A 72 °, on a un phénomène multi-rebond spectaculaire comme en témoigne la Figure 3."

J'ai aussi l'impression qu'ils confondent angle de rentrée et AOA, ce qui m'a poussé à posé la question sur la définition exacte de chaque angle.

Encore Merci charcarodon.

[Carcharodon]

Il s'agit en fait, dans ton document, d'une simulation de la rentrée d'une station spatiale (Skylab en l’occurrence) avec un très gros angle de rentrée.
Les AOA n'ont donc pas du tout la même signification que dans le cas d'une navette spatiale.
Ensuite il s'agit d'Hermes, l'ex futur navette européenne.

Mais dans aucun des deux cas, il n'est pris en compte le facteur de chaleur qui les désintégrerait.
J'avoue que je suis très interrogatif au sujet des angles de rentrée proposés
Jamais vu ça avec aucun engin spatial dont on voulait récupérer quelque chose.
De plus, 9.5386 km/s est une vitesse excessive au sujet d'un engin préalablement en orbite basse circulaire.
Au plus rapide, ça ne peut pas dépasser 7.8 km/s, juste avant d'atteindre les premières couches denses, vers 60 km, juste avant que ça ne commence a chauffer.
Exercice étrange, apparemment purement mathématique.

[invite7ef8244d]

C'est vrai que dans le sujet ils parlent de station spatiale, et ensuite dans le corrigé ils parlent de la navette. Je pense qu'ils ont supposé que c'est la même chose, puisque après avec la mise en équation, ils vont obtenir quelque chose de similaire avec l'aéronautique classique.
Mais dans ce document, c'est apparemment l'angle de rentrée qui est à l'origine des rebonds. Donc en gros d'après ce document, si on effectue une rentrée (d'une navette) avec un AOA de 40°, et si l'angle de rentrée (au moment de la rentrée) est grand ça fait des rebonds (et dans ce cas soit elle repart en orbite elliptique, soit elle s'ecrase sur terre?).

Et dans le cas ou c'est un planeur?

[Carcharodon]

Tout ceci étant un exercice purement mathématique sans aucune corrélation avec la réalité physique, qui carboniserait les engins en quelques secondes avec ces angles de rentrée, bien avant l'effet de rebond, je n'ai aucune réponse à ta question.

Je répète que la station en question est Skylab, c'est marqué sur les schémas (trajectoire Skylab), et que le deuxième engin est Hermes, c'est aussi marqué dessus (trajectoire Hermes)!

Aucun engin spatial dont on voulait récupérer quelque chose n'a jamais fait une rentrée atmosphérique avec ces caractéristiques.
Je le répète c'est un exercice purement et strictement mathématique sans aucun rapport avec la réalité physique.
D'ailleurs, aucune indication de contrainte de température n'est mentionnée dans l'exercice.

... et moi je ne suis pas du tout mathématicien.

[Carcharodon]

On m'a signalé une erreur ici.

Donc, pour allonger une trajectoire, en navette, on réduit l'AOA, et pour la réduire, on augmente l'AOA, afin de présenter moins de résistance et donc de "tirer" plus loin.

c'est a lire comme ça :

Donc, pour allonger une trajectoire, en navette, on réduit l'AOA, afin de présenter moins de résistance et donc de "tirer" plus loin, et pour la réduire, on augmente l'AOA.

Typique d'un ajout tardif mal placé, désolé.

[invite7ef8244d]

Merci charcharodon pour toutes ces explications

[invite7ef8244d]

En fait je voulais savoir c'est où que je pourrais trouvé des ordres de grandeurs (pour la surface de référence et la masse de la navette au début de la phase de rentrée) pour de vraies missions spatiales.

[Carcharodon]

Sur google tu devrais trouver des tas de trucs si tu t'acharnes un peu.
déjà => http://fr.wikipedia.org/wiki/Navette...m%C3%A9ricaine