Le soleil comme fronde gravitationnelle

[saint.112]

Amusez-vous un peu avec ce simulateur de voile solaire: http://www.u3p.net/u3p_fr/SImulateurs_de_vol.html

Trop PC pour mon Mac.

Nico
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[Vador59]

Pour ceux dont les ordinateurs ne supportent pas Java, voici une petite capture d'écran. Notez sur le panneau de droite la vitesse obtenue après un passage serré à proximité du Soleil...

[saint.112]

En fait l'application est bloquée par Java Security et j'ai pour règle de conduite de ne jamais déroger (et ça fait 15 que je n'ai pas eu un seul virus tout en n'ayant pas d'antivirus).

Nico

[DonPanic]

Bonjour

Mais je t'assures que c'est possible la fronde solaire.

Clique-moi ça : Faut voir dans quel référentiel!
autrement tu parles dans un vide sidéral
Dans le référentiel solaire, c'est zéro de chez zéro assistance gravitationnelle

C'est juste moins intéressant que le billard planétaire dans le cadre d'un voyage dans le système solaire, au moins jusqu’à saturne.

C'est intéressant y compris pour quitter le système solaire

de même, pour un voyage intergalactique, on pourrait, en théorie, utiliser le trou noir du centre galactique pour opérer une "fronde" qui nous propulserait vers la galaxie suivante.
Bon la ça devient un peu long comme voyage...

Voyage inertiel, faut préciser. Ben non, si le TN est plus ou moins dans l'axe du centre de gravité de notre galaxie, même référentiel, même punition
vaut mieux faire joujou si ça t'amuse avec des TN en orbite autour du TN galactique

[dextroy]

Bonjour,
J'aurais une question à poser au sujet de l'effet de fronde gravitationnelle et de la vitesse de libération.
Imaginons un petit objet fonçant à travers le système solaire, en orbite autour du soleil…
Supposons qu'il passe très près d'une planète, mais sans la percuter.
Si la vitesse de cet objet, par rapport à la planète, est inférieure à la vitesse de libération de cette planète, alors sa trajectoire sera déviée ?
Si au contraire la vitesse de cet objet, par rapport à la planète, est égale ou supérieure à la vitesse de libération de cette planète, alors sa trajectoire ne sera pas déviée ?

Est-ce ce qui s'est passé lorsque New Horizons a frôlé Pluton ?

[Gilgamesh]

L'accélération de Rama ne dépasse pas 1/2 G, c'est imposé par la "falaise" de son océan annulaire, il ne doit pas débordé...

L'accélération gravitationnelle peut être aussi grande que l'on veut car tout le corps est en chute libre. C'est l'accélération fournie par d'éventuels moteurs qui est limitée dans ce cas.

[Carcharodon]

Et en fait, pour en revenir au titre du sujet, ce qui fonctionne avec le soleil, c'est l'effet Oberth, qui n'est pas une fronde passive mais active.
C'est a dire qu'il faut rajouter de l'impulsion au périhélie : on ne se contente pas de juste viser un couloir, on accélère, de façon importante tout de même, dans ce couloir.
Mais c'est vraiment TRÈS efficace : on peut acquérir une célérité considérablement plus importante qu'avec n'importe quelle fronde avec une planète du système moyennant une impulsion très faible en comparaison de la célérité finale obtenue.
C'est la manœuvre la plus "rentable" de toutes les manœuvres possibles dans le système solaire, en terme de gain de delta V.

En fait, l'effet Oberth serait un moyen réaliste de se projeter vers la prochaine étoile avec une célérité correcte, en l'état de l'art de l'astronautique, (que le temps de trajet soit divisé plusieurs fois par rapport a une éjection du système solaire vers une autre étoile proche, à partir de la Terre, dans le repère galactique).
Réaliste, c'est a dire avec des moteurs qui ne sont pas censés fonctionner pendant plusieurs années d'affilée (ce qu'on est encore très loin de savoir réaliser) mais pendant un court instant (en comparaison), jusqu’à quelques jours seulement, chose qui est tout à fait a notre portée, pour ne pas dire que ça existe déjà.
En utilisant l'effet Oberth on pourrait diviser plusieurs fois le temps de trajet jusqu’à la prochaine étoile sur ce que mettent les sondes Voyager a y parvenir, et donc faire arriver une sonde bien avant elles, même en les lançant seulement dans plusieurs siècles !

La manœuvre la plus efficace pour obtenir cet effet Oberth consisterait à modifier l'excentricité orbitale de la sonde dans le repère héliocentré, en profitant au préalable d'un jeu de fronde avec les planètes du système solaire, qui amènerait a créer un périhélie très proche du soleil mais sans avoir dissipé au préalable l’énergie orbitale initiale globale, en l'augmentant même.
En gros, en partant de la terre, il faudrait faire un chemin "classique" (au sens "utilisé actuellement") de frondes qui permettraient d'augmenter l’énergie orbitale globale mais dont la dernière (en l’occurrence avec Jupiter, la plus efficace des "frondeuses") permettrait de descendre considérablement le périhélie afin d'y effectuer la poussée pour bénéficier de l'effet Oberth.
Techniquement, rien qu'on ne sache déjà faire.
Par contre, c'est le genre de mission qui s'étale sur quelques décennies entre le tir initial + frondes + effet Oberth + la sortie du système solaire.
Et après... quelques siècles ou millénaires de voyage pour la sonde avant la prochaine étoile.

[saint.112]

Ça me parait un super plan mais je propose une alternative.
La durée du voyage vers une étoile voisine présente tout de même pas mal d'inconvénients :

• Il faut fabriquer un système qui va résister des siècles dans un environnement difficile.
• Pendant tout ce temps elle n'aura pratiquement rien à glander, le paysage étant quand même plutôt monotone.
• Il faut instrumenter la manip et donc une fois sur place il faudra que la sonde envoie des données vers la terre. Quelle source d'énergie pourra durer ce temps ?

Il me parait plus intéressant et plus réaliste d'aller étudier de près l'héliopause et l'environnement immédiat du système solaire, comme font les Voyager mais avec des moyens plus modernes. À cet effet, plutôt que d'envoyer la sonde sur une orbite parabolique on l'enverrait sur une orbite elliptique avec un aphélie entre une et deux fois la distance de l'héliopause par exemple. Ça couterait moins cher en ergols. Avec une vitesse réduite à son aphélie elle pourrait passer énormément de temps dans ces parages.
Pour le retour, si elle résiste tout ce temps, il suffirait d'une pichenette pour que son périhélie soit de l'ordre de 0,5 à 1 UA au lieu du 0,1 ou moins du départ.

Nico

[bintang]

Bonjour,
...Si la vitesse de cet objet, par rapport à la planète, est inférieure à la vitesse de libération de cette planète, alors sa trajectoire sera déviée ?
Si au contraire la vitesse de cet objet, par rapport à la planète, est égale ou supérieure à la vitesse de libération de cette planète, alors sa trajectoire ne sera pas déviée ?

Pour répondre à la question hors sujet de Dextroy, la trajectoire de survol d'une planète est hyperbolique (dans le référentiel planétocentrique), avec une asymptote d'évasion de la planète dépendant de la vitesse d'arrivée de la sonde, de la distance de survol de la planète et de la masse de la planète.

Les sondes sont donc toujours plus ou moins déviées lors d'un survol de planète. Plus la vitesse d'entrée dans la sphère d'influence gravitationnelle de la planète est élevée, moins la trajectoire est déviée.

En fait il y a 2 types de survol d'une planète :
- Soit la sonde arrive par l'arrière (la sonde rattrape la planète) et il y a un effet de fronde gravitationnelle avec une déviation de trajectoire modérée (sauf à frôler une planète massive),
- Soit la sonde arrive par l'avant de l'orbite de la planète et la trajectoire de la sonde est très courbée sans effet notable de fronde (delta V).

Est-ce ce qui s'est passé lorsque New Horizons a frôlé Pluton ?

Pluton étant très peu massive (rapport > 100 000 vs Jupiter) et la vitesse de survol de la sonde New Horizons étant relativement élevée (13.5 km/s), très supérieure à la vitesse de libération de Pluton et même bien supérieure à la vitesse de libération du système solaire à la distance de Pluton, la déviation de la sonde a été très faible, genre bien inférieure à 1°

Pour les formules, voir ce cours de mécanique spatiale Pages 155 à 160

[bintang]

Concernant l'effet Oberth

.... qui amènerait a créer un périhélie très proche du soleil mais sans avoir dissipé au préalable l’énergie orbitale initiale globale, en l'augmentant même. ..... Techniquement, rien qu'on ne sache déjà faire.

Resterait tout de même à protéger la sonde du rayonnement émis par le Soleil pendant la phase de survol au périhélie. Il faudrait donc embarquer un bouclier thermique très performant (largable après survol du Soleil ?).

Pour être vraiment efficace, l'effet Oberth demanderait à frôler le Soleil à moins de 0.1 UA, soit des températures de corps noir d'au moins 600°C à 0.1 UA, 1000°C à 0.05 UA, 2500°C à 0.01 UA, soit un survol à 1.5 million de Km de la surface du Soleil.

[Carcharodon]

Concernant l'effet Oberth
Resterait tout de même à protéger la sonde du rayonnement émis par le Soleil pendant la phase de survol au périhélie.

heuu oui effectivement, c'est un problème technique non négligeable que j'avais un peu zappé : ça va chauffer "un poil" si on veut que l'effet Oberth soit réellement important

En fait il y a 2 types de survol d'une planète :
- Soit la sonde arrive par l'arrière (la sonde rattrape la planète) et il y a un effet de fronde gravitationnelle avec une déviation de trajectoire modérée (sauf à frôler une planète massive),
- Soit la sonde arrive par l'avant de l'orbite de la planète et la trajectoire de la sonde est très courbée sans effet notable de fronde (delta V).

On peut dire que dans le premier cas (par l'extérieur) on s'en sert surtout pour augmenter l'energie orbitale de la sonde (le plus souvent pour augmenter l'aphélie et aller chercher un autre corps plus loin sans que ça coute cher en delta V), dans le deuxième cas (par dessous) on s'en sert surtout pour modifier sa trajectoire, pour faire par exemple une trajectoire de retour automatique vers un periapse de basse altitude avec le corps d'origine, comme ce qui était fait avec les missions Apollo avec un retour "automatique" vers la terre sans intervention, moyennant une petite correction a l'arrivée pour bien viser un périgée très précis (ce qui a "sauvé" Apollo 13).
Mais on peut aussi se servir aussi du deuxième cas, avec une planète massive comme Jupiter, pour augmenter l'energie orbitale tout en modifiant profondément la trajectoire afin de pouvoir viser une autre planète de plus haute altitude mais pas aligné comme il faut avec la planète frondeuse.
Pour aller chercher Saturne alors qu'elle n'est pas alignée avec Jupiter, par exemple (je n'arrive pas a retrouver le graphique d'une sonde qui a fait ça et que j'ai déjà vu...)

(la sonde rattrape la planète)

En fait, dans les deux cas, si la sonde vient d'une altitude inférieure a celle de la planète dans le repère héliocentré (cas le plus courant dans l'utilisation d'une fronde), c'est la planète qui rattrape la sonde : la sonde est devant elle et se fait happer au passage de la planète.
qu'elle passe par l'intérieur ou l'extérieur de la planète (par rapport au soleil).
Car la vitesse de la sonde est inférieure a celle de la planète au moment de l'entrée dans la SOI (toujours par rapport au soleil), vu qu'elle est a son aphélie a ce moment là, avec une trajectoire nettement plus elliptique que celle de la planète, car avec un périhélie inférieur a celui de la planète.
Mais c'est un détail... juste pour dire

Il me parait plus intéressant et plus réaliste d'aller étudier de près l'héliopause et l'environnement immédiat du système solaire, comme font les Voyager mais avec des moyens plus modernes.

J'essayais juste d'envisager comment se barrer du système solaire dans les conditions les plus économiques (en delta V) et avec le plus de célérité possible, mais, bien entendu, les applications sont multiples... si on arrive à résister à la température au périhélie, ce qui reste quand même un sérieux problème.

[bintang]

Bonsoir Carcha,

....la vitesse de la sonde est inférieure a celle de la planète au moment de l'entrée dans la SOI (toujours par rapport au soleil), vu qu'elle est a son aphélie a ce moment là, avec une trajectoire nettement plus elliptique que celle de la planète, car avec un périhélie inférieur a celui de la planète.

Ta remarque doit être vraie dans le cas d'un transfert de Hohmann, mais dans le cas de la sonde New Horizons par exemple, la trajectoire héliocentrique de la sonde est déjà hyperbolique, au minimum quasi parabolique, avant le flyby.

La sonde arrive sur Jupiter avec une vitesse héliocentrique autour de 19 km/s si j'en crois le graphique ci dessous qui n'est pas très précis. Cette vitesse est voisine de la vitesse d'évasion du système solaire à la distance moyenne de l'orbite de Jupiter (5 UA) : 18.5 km/s. Cela veut dire que même sans effet de fronde, la sonde serait sortie du système solaire avec une vitesse assez faible il est vrai. Wiki donne un gain de 3 ans avec le flyby sur la durée du périple pour atteindre Pluton.

Jupiter orbite en moyenne à 13 km/s autour du Soleil (entre 12.4 et 13.7 km/s)

[Carcharodon]

Ta remarque doit être vraie dans le cas d'un transfert de Hohmann, mais dans le cas de la sonde New Horizons par exemple, la trajectoire héliocentrique de la sonde est déjà hyperbolique, au minimum quasi parabolique, avant le flyby.

La sonde arrive sur Jupiter avec une vitesse héliocentrique autour de 19 km/s si j'en crois le graphique ci dessous qui n'est pas très précis. Cette vitesse est voisine de la vitesse d'évasion du système solaire à la distance moyenne de l'orbite de Jupiter (5 UA) : 18.5 km/s. Cela veut dire que même sans effet de fronde, la sonde serait sortie du système solaire avec une vitesse assez faible il est vrai. Wiki donne un gain de 3 ans avec le flyby sur la durée du périple pour atteindre Pluton.

Jupiter orbite en moyenne à 13 km/s autour du Soleil (entre 12.4 et 13.7 km/s)

exact, bien vu.
Cas vraiment exceptionnel tout de même, il a fallu tirer une énorme fusée pour la rendre très véloce dès le départ.