comment se déplace une fusée ?

[saint.112]

Vous en savez sans doute plus que moi sur ces question, et êtes donc mieux à même de juger de l'intérêt du lien que j'ai posté.

C'est le graphique le plus clair que j'aie vu jusqu'à présent montrant les gradients de température, de pression et de vitesse du gaz.
Le fait que la pression en sortie de tuyère ne doit pas être trop différente de la pression ambiante est très bien expliqué aussi. C'est d'ailleurs un des arguments pour faire des fusées à plusieurs étages plutôt qu'à un seul. Le premier étage a donc un ou des moteurs optimisés pour une atmosphère à pression moyenne et celui du deuxième est optimisé pour le vide.
Au début où je m'intéressais à l'astronautique je ne comprenais pas pourquoi la tuyère des moteurs s'évasait. Je me disais qu'il devait forcément y avoir une bonne raison mais c'est tout à fait contre-intuitif. J'en étais resté à l'image des moteurs comme dans Tintin où les gaz sont éjectés par un trou très fin, ce qui me paraissait a priori logique.
C'est en cours de Mécanique des fluides que le prof nous a fait tout un topo sur l'écoulement supersonique des fluides, dont celui des moteurs fusées, ce qui m'a permis de comprendre enfin.
Dans l'histoire de l'astronautique, la conception de tels moteurs a été longue et délicate pour donner aux différents éléments la forme et les dimensions optimales.

1. Dans la chambre de combustion la température et la pression sont maximales et la vitesse moyenne est nulle ou presque. La chambre est grosso modo sphérique.
2. Dans le col on a un effet venturi classique et l'on voit bien la vitesse augmenter alors que la pression et la température chutent. Il faut que la dimension du col soit pile poil pour que le passage du gaz en supersonique corresponde à l'entrée dans le divergent.
3. Car en supersonique il y a une sorte d'effet venturi inverse : il faut que la section augmente pour que la température et la pression continuent de chuter alors que la vitesse augmente.

La MécaFlu est pleine de paradoxe, comme beaucoup de choses en physique.

Je voulais noter qu'il ne s'agit pas seulement d'éjecter des gaz, pour obtenir une propulsion, mais aussi de les éjecter à peu près dans la bonne direction !
Ceci s'interprète facilement en termes de quantité de mouvement.

C'est dans le col que la vitesse du gaz est accéléré de zéro à mach 1 et qu'il acquière sa direction moyenne qui ne changera plus jusqu'à la sortie.

Si on veut l'interpréter en termes de forces, il me semble que la tuyère doit être l'objet d'une pression importante des gaz éjectés qui contribue à la propulsion de la fusée.
Et il faut donc la concevoir ainsi que sa monture en conséquence.

La pression dans le divergent a une résultante verticale qui contribue pour partie à la poussée totale mais c'est l'énergie cinétique du gaz qui donne l'essentiel de la poussée.

Cela n'a rien à voir, mais il me semble qu'il y a un résultat paradoxal classique selon lequel une fusée peut atteindre une vitesse supérieure à la vitesse d'éjection des gaz (relativement à la fusée).

Ce n'est pas paradoxal c'est juste la réaction.

Nico
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[Schrodies-cat]

(...)
La MécaFlu est pleine de paradoxe, comme beaucoup de choses en physique.
(...)
C'est dans le col que la vitesse du gaz est accéléré de zéro à mach 1 et qu'il acquière sa direction moyenne qui ne changera plus jusqu'à la sortie.
(...)

Je vous remercie de votre commentaire positif sur le lien que j'ai donné.
En ce qui concerne votre affirmation que j'ai citée, n'étant capable que d'une approche naïve, je me demande: en ce cas, à quoi sert le reste de la tuyère ?
Mais il doit y avoir une réponse, on n'alourdit pas les fusées spatiales sans raison .

Post scriptum: oui comme vous le dites juste plus haut, ensuite on passe en mode supersonique etc .

[saint.112]

Je vous remercie de votre commentaire positif sur le lien que j'ai donné.

C'est un plaisir.

En ce qui concerne votre affirmation que j'ai citée, n'étant capable que d'une approche naïve, je me demande: en ce cas, à quoi sert le reste de la tuyère ?
Mais il doit y avoir une réponse, on n'alourdit pas les fusées spatiales sans raison .

Tout à fait, en astronautique il y a littéralement une obsession à l'égard de la masse.
Le divergent a pour fonction a) de continuer à accélérer le flux de gaz et b) de faire baisser la pression pour qu'elle soit la plus proche possible de la pression ambiante. C'est pour ça que le divergent des moteurs optimisés pour le vide spatial est plus long.
Il y a eu des études pour des moteurs à longueur de divergent variable mais ça n'a jamais abouti à un système fonctionnel. Entre autres raisons, il est entouré d'un serpentin de refroidissement où circule un des ergols, soit l'oxygène soit l'hydrogène liquides, ce qui n'est guère compatible avec un système de parties mobiles. De plus, le divergent doit avoir une géométrie bien définie qu'il serait impossible de reproduire avec un système télescopique.

Nico

[Schrodies-cat]

Entre autres raisons, il est entouré d'un serpentin de refroidissement où circule un des ergols, soit l'oxygène soit l'hydrogène liquides, ce qui n'est guère compatible avec un système de parties mobiles.
Nico

Ce qui est utile il me semble pour préchauffer les ergols avant combustion.
Le recyclage de l'énergie est une chose ancienne quand l'énergie est limitée.

[saint.112]

Ce qui est utile il me semble pour préchauffer les ergols avant combustion.

Tout à fait car l'hydrogène est ininflammable en phase liquide par exemple.

Le recyclage de l'énergie est une chose ancienne quand l'énergie est limitée.

De quoi tu veux parler ?

Nico

[Schrodies-cat]

Dans une fusée spatiale, l'énergie est limitée, du fait que pour avoir plus d'énergie il faut plus s'ergols, et donc, utiliser l'énergie calorique récupérée en refroidissant les tuyères pour préserver leurs propriétés mécaniques (je suppose) pour préchauffer les ergols est un recyclage de l'énergie.

pour revenir sur le petit paradoxe que j'ai cité: quand la vitesse de la fusée est supérieure à la vitesse d'éjection des gaz, la quantité de mouvement de la fusée diminue, mais la fusée continue à accélérer ...

[Dynamix]

quand la vitesse de la fusée est supérieure à la vitesse d'éjection des gaz, la quantité de mouvement de la fusée diminue, mais la fusée continue à accélérer ...

Rien de plus normal pour qui connaît la deuxième loi de Newton .
La poussée ne dépend pas de la quantité de mouvement mais de sa variation .

[saint.112]

Dans une fusée spatiale, l'énergie est limitée, du fait que pour avoir plus d'énergie il faut plus s'ergols, et donc, utiliser l'énergie calorique récupérée en refroidissant les tuyères pour préserver leurs propriétés mécaniques (je suppose) pour préchauffer les ergols est un recyclage de l'énergie.

Je ne pense pas qu'il y ait récupération d'énergie à ce niveau. Je ne vois pas comment. Ce serait à vérifier. Le but du système est a) de refroidir le moteur, puisque la chaleur interne est élevée, et b) de vaporiser l'ergol utilisé avant de l'injecter en phase gazeuse soit dans les pompes doit dans le moteur.
Il y a eu un procédé de refroidissement du moteur, qui à ma connaissance n'a pas eu de suite, consistant à injecter par des petits trous le long des parois un excédent d'ergol liquide qui à la fois, en se vaporisant, absorbait une partie de la chaleur et formait une sorte de film de protection entre les gaz chauds et la paroi. Comme il n'entrait pas en réaction c'était autant d'ergol de perdu. Il faudrait vérifier.

pour revenir sur le petit paradoxe que j'ai cité: quand la vitesse de la fusée est supérieure à la vitesse d'éjection des gaz, la quantité de mouvement de la fusée diminue, mais la fusée continue à accélérer ...

Comme a dit Dynamix c'est une simple application des lois de Newton. C'est le principe de la réaction. Ça n'a rien de paradoxal.
Naturellement, quand on commence à s'intéresser à ces questions, par exemple on pense a priori comme le primo-posteur qu'un moteur à réaction ou à hélice s'appuie sur l'air ambiant pour créer la poussée et on ne comprend pas comment il peut y avoir une poussée dans le vide. Ça parait toujours contre-intuitif.

Nico

[Schrodies-cat]

On peut raisonner en termes de forces action-réaction, en termes de quantité de mouvement, ce qui est souvent le cas pour expliquer le principe de la propulsion par réaction etc.
Le petit paradoxe que j'ai cité ci-dessus est résolu si on considère que la masse de la fusée diminue, et cette question de la variation de la masse intervient dans l'équation de Tsiolkovski.
Par paradoxe, je n'entends pas "prouver que la mécanique newtonienne " est incohérente comme certains le font plutôt pour d'autres théories communément admises, mais simplement qu'elle recèle des conséquences contre-intuitives, du moins pour l'intuition commune, et qu'il faut travailler un peut pour comprendre les choses.
Une fois ce travail fait, on ne ressent plus de paradoxe.

[Schrodies-cat]

Et Cyrano de Bergerac a émis l' idée d' aller dans la lune grâce à des fusées bien avant que Newton ne découvre le principe de la réaction .

Cyrano de Bergerac avait d'abord envisagé d'utiliser des fioles de rosée, et cela ne marcha pas.
Il faudrait connaître son œuvre, mais on peut imaginer que Cyrano voulait ainsi critiquer l'ancienne physique aristotélicienne, selon laquelle les substances ont un lieu naturel (celui de la vapeur d'eau étant "en haut") au profit de la "nouvelle physique", initiée principalement par Galilée et qui allait donner la physique Newtonienne.

[Schrodies-cat]

Non, je parle du personnage historique et écrivain:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_comique_des_états_et_ Empires_de_la_Lune

Postscriptum : croisement de posts.

[Dakitess]

@Carcharodon, je bloque xD

Prenons un cas plus "trivial" et simple : celui d'une mise en orbite haute, admettons 36000km. Est-il réellement plus efficace de rehausser l'apogée tout là haut directement, et d'y circulariser ? Plutôt que de boucler une orbite de parking intermédiaire, disons 1000km pour s'extraite de toute problématique liée aux frottements atmos, puis de procéder à un Hohmann pour rallier 36000km circulaire ?

Car à mes yeux c'est bien la seconde méthode qui est la plus intéressante en matière de DeltaV : en attendant d'être "tout en haut", la vitesse à le temps de décroitre de manière non significative et il reste davantage de DeltaV à consommer dans un contexte ou Oberth est moindre. A l'inverse, circulariser "au plus bas" permet d'apporter le maximum d'énergie là ou elle est la plus efficiente, avant de procéder à un Hohmann qui laisse à la circularisation un peu moins de travail.

Au pire c'est équivalent parce qu'Oberth est insignifiant entre ces deux altitude autour de la Terre, mais comment Est-ce que le DV requis d'une orbite intermédiaire pourrait être plus élevé qu'un tir direct ? Ca m'intéresse beaucoup !

[Carcharodon]

@Carcharodon, je bloque xD

Prenons un cas plus "trivial" et simple : celui d'une mise en orbite haute, admettons 36000km. Est-il réellement plus efficace de rehausser l'apogée tout là haut directement, et d'y circulariser ? Plutôt que de boucler une orbite de parking intermédiaire, disons 1000km pour s'extraite de toute problématique liée aux frottements atmos, puis de procéder à un Hohmann pour rallier 36000km circulaire ?

1er cas : depart direct de la surface terrestre vers GEO
- périgée a la surface terrestre
- apogée a 36000 km

2eme cas : depart d'une orbite de parking de 1000 km
- périgée a 1000 km
- apogée a 36000 km

Si on avait le moyen de se matérialiser instantanément a 1000 km, alors la 2eme option serait la meilleure.
mais bien entendu, pour avoir un périgée a 1000 km, il faut le créer, donc dépenser de l'energie en plus que si le périgée est a 0km.

C'est pour cette raison qu'il est plus interessant de tirer directement du sol vers l'orbite GEO.
Et pour cette raison que c'est comme ça que fait arianespace qui peut facilement se le permettre en ayant une base de lancement proche de l'équateur qui permet d'atteindre directement l'orbite GEO grâce a un tir GTO, avec une très faible correction d'inclinaison (opérée, comme toujours, à la node avec l'inclinaison 0°).
Les russes sont, eux, obligés de passer par une phase intermédiaire pour arriver a une orbite GEO, une phase ou ils augmentent considérablement l'apogée (X3 GEO) afin de changer l'inclinaison a cet endroit (pour obtenir une inclinaison proche de 0°) pour ensuite redescendre cette apogée a la hauteur GEO.
Ça met plusieurs semaines a faire ça.
Et pourtant eux non plus n'utilisent aucune orbite de parking intermédiaire.

En un mot comme en 100, si on doit augmenter le périgée d'une orbite, ça demande plus d'energie de vol au total (plus de dV a injecter au total) que si on a pas besoin de le faire.
C'est aussi trivial que ça.

Est-il réellement plus efficace de rehausser l'apogée tout là haut directement, et d'y circulariser ?

on ne peut pas réhausser l'apogée a l'apogée, sauf a faire passer le périgée en apogée.
L'apogée d'une orbite (GEO ou non) est toujours créée par une acceleration au périgée (qui permet parfois de profiter singulièrement de l'effet oberth dans le cas ou le corps de référence est massif et le périastre proche de sa surface).
Mais je pense que tu as voulu dire périgée et non apogée dans cette citation.
une circularisation d'orbite se fait toujours a l'apogée, a partir du sol terrestre.
Sinon, c'est juste du gros gâchis de dV, car on aura monté une apogée pour la redescendre ensuite : aucun intérêt (sauf dans le cas cité précédemment d'une orbite GEO obtenue a partir d'un tir situé a une haute latitude, cas des tirs russes).

[Titom61]

Je fais une expérience en classe où je réalise une fusée horizontale qui avance par éjection des gaz (en deuxième partie de vidéo) :



On voit dans les ralentis l'éjection des gaz.