Voyages interstellaires

[Lambda0]

(3)

4. Propulseur
Le système de propulsion a déjà été décrit très succintement en #%. Il s'agit essentiellement d'un accélérateur de particules. Il existe de nombreux principes, mais le concept utilisé pourrait être dérivé de la propulsion VASIMR, décrite en [].
Une variante possible serait la suivante : le fluide propulsif pénètre dans une chambre d'ionisation dans laquelle une antenne hélicoidale rayonne des impulsions RF qui ionisent les atomes.
Les ions pénètrent ensuite dans un étage d'accélération et se mettent à décrire une trajectoire hélicoidale sous l'action d'un champ magnétique axial. Les ions sont accélérés par un champ RF de même fréquence que leur fréquence de gyration.
La propulsion VASIMR "classique" éjecte ensuite les ions par une tuyère magnétique.
Il s'agit ici d'enchainer plusieurs étages d'accélération, de diamètres croissant afin de s'adapter à l'augmentation du rayon de gyration. Le dispositif peut avoir une longueur totale d'environ 50m, et le dernier étage un diamètre d'environ 3m, suivant l'intensité du champ.
La tuyère magnétique finale est une configuration de champ magnétique qui déroule la trajectoire des particules de façon à ce qu'elles quittent le dispositif sur une trajectoire rectiligne, exercant effectivement la poussée.
Il ne s'agit que d'une possibilité parmi d'autres. On peut éventuellement étudier un accélérateur de particules en anneau.
On rappelle que le système doit permettre d'accélérer les particules à des vitesses de l'ordre de 30000km/s, soit c/10.

Le débit massique envisagé est de l'ordre de 200mg/s, soit de l'ordre de grandeur de ce qui est actuellement testé en laboratoire par la NASA (moteur VASIMR VX-10). Un tel moteur ne serait donc pas fondamentalement différent de ce qui est déjà en cours de développement.
75% de la puissance électrique initiale peut être effectivement convertie en énergie cinétique des particules, soit 30GW.

5. Elements divers
Bien qu'aucune sonde interplanétaire n'aie été détruite à la suite d'une collision météorique et que l'espace interstellaire soit encore beaucoup plus vide que l'espace interplanétaire, les vitesses élevées atteintes peuvent nécessiter de placer à l'avant du vaisseau un bouclier assurant une protection contre la plupart des poussières.
Pour être adapté à la section transversale du vaisseau, un tel bouclier devrait avoir un diamètre de l'ordre de 15m. Des éléments de radiateurs peuvent avoir des dimensions transversales plus importantes mais ont une faible section projetée dans la direction de la vitesse. Ces éléments ne sont pas non plus critiques (la destruction de 10% des radiateurs ne remet pas en cause la mission en principe).
Le bouclier peut être constitué, par exemple, d'un bloc de glace de l'ordre de 1m d'épaisseur, ce qui donnerait une masse de l'ordre de 200t.

Etant donné la durée de la mission, le vaisseau est censé être autonome, capable de s'autodiagnotiquer et d'assurer sa maintenance.
Il dispose donc d'unités robotiques, d'une réserve de pièces détachées, etc. Masse estimé arbitrairement à 100t, qu'on incluera dans la masse de structure.
On ajoutera également dans cette masse de structure le système de communication, les calculateurs, etc.
La masse de structure inclut aussi réservoirs, pompes diverses, etc. Ces ensembles sont évalués à 300t au total.

6. Charge utile
Le vaisseau étant destiné à explorer un système planétaire, et étant lui-même très massif, il n'est pas envisageable de le faire atterrir directement sur des planètes.
La charge utile devrait être constituée de plusieurs sondes planétaires plus petites, d'une masse unitaire de l'ordre de 20t, capables éventuellement de se fractionner elles-mêmes pour libérer des atterrisseurs.
A son arrivée dans le système, le vaisseau principal largue successivement ces sondes, et se place en orbite autour de l'étoile principale où il joue le rôle de relais de communication avec la Terre.
On peut considérer une charge utile de 500t, comprenant une dizaine de sondes planétaires, ainsi que des instruments restant à bord du vaisseau.

7. Communications
Les communications avec la Terre se font au moyen d'un faisceau laser de longueur d'onde 1µm, ce qui correspond à une porteuse optique de f=300THz.
Un faisceau laser permet également de réduire la divergence, et donc de diminuer la puissance nécessaire. La divergence d'un faisceau de 1m de diamètre est de l'ordre de 10^-6 radians.
Pour une puissance optique P=100MW au départ, le flux reçu à 6 a.l. est de l'ordre de 4E-14 W/m², soit 200000 photons/s/m².
Un miroir parabolique de 10m de diamètre recueillera 16.10^6 photons/s, ce qui permet d'assurer des communications à des débits raisonnables avec un bon rapport S/B.
On peut éventuellement disposer d'une puissance d'émission beaucoup plus importante si la propulsion est arrêtée pendant la transmission.
La station de réception peut être conçue de la façon suivante.
Afin d'assurer une redondance, on propose de placer en orbite géostationnaire terrestre trois stations de réception primaire, à intervalle de 120 deg
au dessus de l'équateur. Le miroir peut rester pointé en permanence vers l'étoile pratiquement sans asservissement, à la différence d'une réception terrestre.
Les signaux reçus sont enregistrés, et relayés vers la Terre où ils peuvent être captés avec des antennes classiques de faible diamètre.
Tout comme le vaisseau interstellaire, les stations de réceptions sont capables d'assurer leur propre maintenance sur des périodes de plusieurs siècles, et leur isolement de l'environnement terrestre peut même constituer une sécurité.
Mise à part la question de la maintenance automatique, toutes les techniques de communication requises existent déjà, ou le seront à court terme.

(à suivre)

[Lambda0]

(suite)

8. Budgets de masse
On peut définir un ordre de grandeur des budgets de masse, ainsi que quelques caractéristiques.
On note :
Me = 1270t = masse de la centrale énergétique
Mc = 1000t = masse des systèmes de conversion, radiateurs, propulsion, etc.
Mb = 200t = masse du bouclier
Ms = 300t = masse de structure
Mu = 500t = charge utile
On note M1=Me+Mc+Mb+Ms+Mu=3270t
Cette valeur constitue la masse sèche du vaisseau, c'est à dire avant d'y avoir intégré le combustible de la centrale énergétique et le fluide propulsif.
On remarque que la charge utile n'est pas prépondérante : il y a une pénalité fixe à payer, correspondant à la masse de la centrale énergétique, et diminuer la charge utile à 100t par exemple, n'apporterait qu'un gain marginal sur le temps de voyage et la masse de combustible à emporter.
On note :
Mp = masse de fluide de propulsion
Mq = masse de combustible de fusion (D+He3)
p = débit massique de la propulsion
q = 213mg/s = débit massique du combustible de fusion

Si le débit massique de la propulsion est constant, la masse du vaisseau au cours du temps vaut :
M(t) = M1 + Mp - p.t + Mq - q.t
Dans la suite, on notera M0 = M(0).

9. Performances
On peut calculer des temps de vols pour deux configurations différentes :
- survol : le vaisseau accélère continuement et passe à proximité de la cible sans s'arrêter. Le temps de traversée d'un système planétaire est de quelques jours, ce qui laisse le temps de remplir une mission scientifique. Intérêt : le temps de vol est minimal, et le vaisseau peut continuer sa route vers une destination se trouvant à peu près dans la même direction, pour visiter successivement plusieurs systèmes
- satellisation : le vaisseau ralentit et se place en orbite autour de l'étoile et libère les sondes planétaires

Noter que dans le cas d'un survol, la composition de la charge utile sera différente : il n'est plus question de larguer des sondes planétaires, qui ne seraient pas capables de ralentir pour se satelliser.

On rappelle les formules pertinentes :
M(t)=M0-(p+q).t
f=p.ve=M(t).d²x/dt²
soit d²x/dt²=p.ve/(M0-(p+q).t)
L'intégration de cette équation différentielle donne la vitesse, la distance parcourue. Une résolution en t donne la quantité de combustible de fusion et de fluide propulsif nécessaires.
Les simulations suivantes sont faites pour des missions survol (calcul non encore disponible pour les missions satellisation).

Destination : étoile de Barnard
Distance : 6 a.l.
ve = 15000 km/s
T = 465 ans
M0 = 10309 t
v=9575 km/s

Destination : Tau Ceti
Distance : 11 a.l.
ve = 15000 km/s
T = 660 ans
M0 = 13261 t
v=11675 km/s

La masse de la centrale énergétique constitue une pénalité. Les calculs de la masse de l'enceinte et de l'aimant sont basés sur des technologies actuelles. L'auteur indique que ces masses pourraient être réduite de façon importante, par l'utilisation de nouveaux matériaux par exemple.
On reprend les calculs précédents en supposant qu'on a pu réduire d'un facteur 2 la masse de l'enceinte et de l'aimant du réacteur à fusion. La masse sèche du vaisseau est réduite de 630t, passant de 3270t à 2640t.

Destination : étoile de Barnard
Distance : 6 a.l.
ve = 15000 km/s
T = 430 ans
M0 = 9144 t

Destination : Tau Ceti
Distance : 11 a.l.
ve = 15000 km/s
T = 625 ans
M0 = 12096 t

10. Commentaires
Les temps de vol obtenus sont de l'ordre de 500 ans pour des étoiles proches, en maintenant une masse initiale de l'ordre de 10000t.
Les ordres de grandeur de masse des différents composants correspondent à des évaluations moyennes, extrapolant raisonnablement l'existant.
Cependant :
- les temps de vol donnés ne sont pas des valeurs optimales. On a par exemple fixé une valeur de vitesse d'éjection de façon arbitraire, on a supposé le débit de propulsion constant : la poussée est constante et l'accélération augmente car la masse diminue.
- Les temps de vol peuvent en fait être réduits si on accepte une masse initiale en fluide propulsif plus importante, 20000t par exemple.
Il faut remarquer que seul la masse de fluide propulsif augmente, car on augmente le débit de propulsion. La masse de combustible de fusion nécessaire ne dépend que du temps car la centrale fonctionne à puissance constante.
- des optimisations sont prévisibles au niveau des composants du réacteur à fusion, ainsi qu'au niveau de la conversion d'énergie.
- la vitesse finale pour la première simulation est de 9575 km/s. Si cette vitesse était communiquée au vaisseau dès le départ, l'étoile de Barnard serait atteinte en 190 ans au lieu de 465 ans : le temps de voyage est limité par le rythme auquel le réacteur à fusion libère l'énergie
- une puissance de 100GW, pour une masse équivalente, permet d'atteindre l'étoile de Barnard en 280 ans

Ces temps sont obtenus pour une technologie donnée : la fusion en confinement magnétique alimentant une propulsion électrique.
Il resterait à évaluer les autres technologies évoquées, également considérées comme viables : fusion par confinement inertiel, catalyse par antimatière.

11. Synthèse
Cette étude succinte montre que les vols interstellaires par des engins automatiques, en des périodes de l'ordre de quelques siècles, sont accessibles d'ici la fin du 21ème siècle, en utilisant des technologies déjà existantes, en cours de développement, ou en cours d'étude.
A titre indicatif, les sondes Pioneer lancées dans les années 1970 mettront plus de 100000 ans à couvrir les mêmes distances. Le composant le plus critique est probablement la source d'énergie, mais il semble y avoir un consensus sur la disponibilité de telles sources d'énergie d'ici 2050, et les premières missions quasi-interstellaires vers le nuage d'Oort pourraient être lancées vers cette période, avec des temps de vol de l'ordre de 50 ans.
Les études cités envisagent en général l'utilisation de la fusion pour les vols interplanétaires à cette échéance, l'utilisation directe de la fusion apparaissant alors comme la succession de la propulsion électrique. Il a été expliqué pourquoi la configuration fusion+propulsion électrique était mieux adaptée au vol interstellaire et permettait une réduction de masse importante.
Les durées envisagées restent néanmoins bien supérieures à celle d'une vie humaine, et la question de la gestion d'une telle mission n'a pas été abordée.

A lire :
"Rendez-vous avec Rama", Arthur C.Clarke


[1] site de la NASA
[2] "Comparison of fusion/antiproton propulsion systems for interplanetary travel", S.Borowski, NASA Technical memorandum AIAA-87-1814
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/1996/TM-107030.pdf
[3] "AIMStar: Antimatter initiated microfusion for precursor interstellar missions", R.Lewis, Laboratory for Elementary particles science, dpt of physics, Pennsylvania State University
http://www.engr.psu.edu/antimatter/P...AIMStar_99.pdf
[4] "Antiproton-catalized microfission/fusion propulsion systems for exploration of the outer solar system and beyond", G.Gaidos,Laboratory for Elementary particles science, dpt of physics, Pennsylvania State University
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/ICAN.pdf
[5] "Production and trapping of antimatter for space propulsion applications", M.Holzscheiter,Laboratory for Elementary particles science, dpt of physics, Pennsylvania State University
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/anti_prod.pdf
[6] "Antiproton-initiated LiH plasma generated in a Penning Trap", K.Meyer, Propulsion engineering research center, Penn State University
http://www.engr.psu.edu/antimatter/P..._LiH_final.pdf
[7] "Antimatter production for near term propulsion applications", NASA Marshall
Space Flight Center
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/NASA_anti.pdf
[8] "Considerations for steady-state FRC_based fusion space propulsion", M.J.Schaffer, General Atomics IR&D
http://web.gat.com/pubs-ext/MISCONF00/A23579.pdf
[9] "A spherical torus nuclear fusion reactor space propulsion vehicle concept for fast interplanetary travel", C.Williams, Lewis Research Center, NASA/TM-1998-208831
http://trajectory.grc.nasa.gov/about...AA-98-3591.pdf
[10] "Colliding beam fusion reactor space propulsion system", A.Cheung, University of California
http://www.google.fr/url?sa=U&start=...lsion.pdf&e=42
[11] "Energy issues working group on long-term visions for fusion power", D.Steiner
http://www.ap.columbia.edu/SMproceed...ySubgroupA.pdf
[12] "Propulsion for interstallar space exploration", G.Genta, Mechanics dpt, Politecnico di Torino, Italy
http://www.giancarlogenta.it/cospar.pdf
[13] "Magnetic flux compression reactor concepts for spacecraft propulsion and power", C.Hawk, Marshall Space FLight Center, NASA/TP-2001-210793

Fin

[Gilgamesh]

C'est très intéressant. Ets ce que par zazard tu aurais ces calculs pour des voiles solaires ?


salut
}}}}

[DonPanic]

Salut
@LambaO
Je pense qu'il faut réfléchir au nombre de membres d'un équipage nécessaire à un voyage multiséculaire, et à la masse nécessaire à l'entretien d'un écosystème viable en vase clos, ainsi que la survie de cette colonie et son dévellopement sur une planète extrasolaire avant de se prononcer plus avant.

[Lambda0]

C'est très intéressant. Ets ce que par zazard tu aurais ces calculs pour des voiles solaires ?
salut
}}}}

Je n'ai pas fait ces calculs.
Voir le site de l'U3P par exemple. Il me semble qu'il y a même un simulateur.
http://www.u3p.net/
Voir aussi :
http://artemmis.univ-mrs.fr/cybermec...L/photon01.htm

Je pense qu'il faut réfléchir au nombre de membres d'un équipage nécessaire à un voyage multiséculaire, et à la masse nécessaire à l'entretien d'un écosystème viable en vase clos, ainsi que la survie de cette colonie et son dévellopement sur une planète extrasolaire avant de se prononcer plus avant.

Oui, bien sûr. C'est pour celà que je m'étais limité à un engin d'exploration automatique, non habité. Celà me parait concevable parce que j'ai quelques connaissances en physique et en technologie, je peux faire quelques calculs et simulations, et je sais jusqu'où on peut raisonnablement extrapoler.
En y passant un peu de temps, on pourrait même préciser encore tous les chiffres donnés, arriver à un schéma de principe, et faire une simulation complète.

Par contre, je n'ai aucune idée des conditions dans lesquelles pourraient être effectués des vols habités de plusieurs siècles, et aucune indication sur le dimensionnement d'un écosystème.
Il me semble qu'il faudrait avoir des connaissances de base en biologie, en génétique, en écologie, mais aussi en sociologie, etc.
Ca fait donc pas mal de doc à réunir avant d'arriver à dire des choses pertinentes et il faudrait au moins avoir des connaissances de base dans ces domaines.
Je n'ai donc aucune idée de ce que devrait être la masse minimale du module d'habitation d'un tel astronef. 10000t ? 100000t ?
Mais s'il y a des amateurs pour ce genre d'étude, le résultat m'intéresse.

A+

[ventout]

Salut

Plus besoin de s'abonner à une revue spécialisée sur l'exploration spatiale... nous avons lambda0 avec nous !
Bravo, c'est très intéressant.
Juste une remarque positive de plus, une possibilité supplémentaire:

Noter que dans le cas d'un survol, la composition de la charge utile sera différente : il n'est plus question de larguer des sondes planétaires, qui ne seraient pas capables de ralentir pour se satelliser.

les sondes sont libérées à l'arrière du vaisseau-mère quelques mois avant d'arriver à destination. Elles sont munies de voiles recouvertes de carbone... et le vaisseau-mère émet en direction de ces voiles des faisseaux de micro-ondes. Il a été découvert très récemment que la poussée qui résulte de l'arrachement des atomes de carbone sur la voile peut très forte. Je pense possible que l'on ait un vaisseau-mère qui continue sa route et qui libère des sondes dans tous les systèmes solaires visités.
A+
ventout
et encore bravo !

[Lambda0]

Bonjour ventout

On pouvait braquer un faisceau laser depuis le vaisseau-mère vers les sondes pour les ralentir, mais ça ne semblait pas très praticable.
Mais ta solution est différente : il peut être intéressant de calculer un ordre de grandeur. A mon avis, il faudrait lâcher les sondes mêmes plusieurs dizaines d'années avant.
Attention : le faisceau de micro-ondes est nécessairement très divergent, donc l'éclairement reçu diminue vite.
Voici les éléments pour ceux qui veulent faire ce calcul.
Il s'agit de ralentir un engin de 20t, d'une vitesse de 10000km/s jusqu'à une vitesse compatible avec une capture par le système stellaire, soit moins de 50km/s.
La voile ne doit pas représenter une fraction trop importante de cette masse. On se donnera une valeur raisonnable de masse surfacique de cette voile, ce qui limite sa surface.
Divergence du faisceau = l/D, l étant la longueur d'onde du faisceau, et D son diamètre.
On donne la puissance P du faisceau, en W, ce qui permet de calculer l'éclairement à une distance donnée, en W/m².
En l'absence du phénomène dont tu parles, la pression de radiations sur une voile réfléchissante vaut p=2E/c.
Ce qui permet de calculer au moins la poussée exercée par pression de radiations. Il faut faire une petite recherche pour voir quelle est réellement la poussée exercée par le phénomène dont tu parles.
Il suffit après d'exprimer l'accélération, en tenant compte du fait que la poussée diminue quand on s'éloigne du vaisseau-mère, puisque l'éclairement diminue.
Une intégration donne le deltaV en fonction du temps.
Ce qui permet de calculer la date du début de freinage, en fonction de la puissance du faisceau.
Accessoirement, cette puissance est prélevée sur la centrale énergétique du vaisseau-mère, qui accélére un peu moins, ce dont il faudrait tenir compte en toute rigueur.
Mais en fait, cette émission de micro-ondes a aussi tendance à le pousser...
Bon, sans chipoter, on peut probablement négliger tout celà, pour donner un ordre de grandeur.

A+

et encore bravo !

Merci!

[meteor31]

oui ventout a raison , bravo pour tes recherches ,calculs et docs fournies en sus.
Concernant le vol interstellaire habité d'un vaisseau de 100000 tonnes par exemple,outre l'impossibilité énergétique ,même dans 100 ans (si on s'en réfère à tes calculs) ,vaisseau qui mettrait 500 ans à faire le parcours,cela me fait penser à "pour une autre Terre" de Van Vogt.
C'était un peu le même problème ,un vaisseau immense ,voyageant dans le vide intersidéral avec plusieurs générations se succédant et qui à la toute fin ,arrivait, dans un état de délabrement total ,à destination.
Il se faisait accoster par des vaisseaux étranges , ultra-rapides dont les occupants étaient des colons terriens .
En 500 ans la science avait fait de tels progrès...
Ce qui est vache c'est que le vieux vaisseau avait été oublié.

[eklipse]

salut!

encore faudrait il trouver des planetes telluriques à explorer dans un rayon de 10 ou 15 A L !
car si c'est aussi rare que disent certains c'est pas la peine de "se casser la tete"!

[KarmaStuff]

salut!

encore faudrait il trouver des planetes telluriques à explorer dans un rayon de 10 ou 15 A L !
car si c'est aussi rare que disent certains c'est pas la peine de "se casser la tete"!

Le Système Solaire possède déjà un peu plus de 4 planètes telluriques (5 avec Pluton et bien plus si l'on compte les planétoïdes)... Sans parler des dizaines de grands satellites des planètes géantes gazeuses.
Donc, il y a de fortes chances que l'on puisse déceler au minimum une planète rocheuse dans un rayon de 100 années-lumière, comprenant un très grand nombre d'étoiles semblables au Soleil. Et quand il y en a une, il y en a d'autres !

La vie est peut-être plus difficile à trouver, mais la planète elle-même, ce n'est qu'une question liée au diamètre des miroirs (NGST 6,5 m pour 2011) et sans doute à l'interférométrie démultipliant les capacités des instruments (Redundant Linear Array ?).

Alors, pour l'instant, ceux qui n'y croient guère composent leurs argumens selon les instruments actuels, à disposition. La découverte des exo-planètes gazeuses est un début, un beau début...

[eklipse]

sans oublier le V L T fin 2006 (+ proche quand mme!)

[KarmaStuff]

sans oublier le V L T fin 2006 (+ proche quand mme!)

Une fois l'interférométrie en bon fonctionnement, on pourrait voir paraît-il, un astronaute sur la Lune... A quand les clichés des véhicules laissés sur l'astre nocturne

Si quelq'un connaît les capacités théoriques du VLT (par rapport à Hubble par exemple, si la comparaison est possible), je suis preneur...

[flammarion]

Notre univers a quatre dimensions, mais il semblerait qu'au départ après le big-bang, notre univers aurait eu d'autres dimensions jusqu'à dix onze, qui se seraient contractées, peut-être une piste, mais dans l'immédiat je ne suis pas optimiste pour les voyages interstellaires, la vitesse du son pour l'instant limite nos prétentions, quant-à la téléportation, c'est un merveilleux rêve, ce qui a été fait pour l'instant est dérisoire et n'a rien à voir avec la matière vivante. Pour l'avenir sauvons déjà notre vaisseau spatial la terre. Que sera-t-elle, que seront les humains dans 10 000 ans ?

[Deedee81]

Salut,

la vitesse du son pour l'instant limite nos prétentions

Tu es sur qu'il s'agit du son ?

[flammarion]

Oui, je veux dire que tant que nous ne pourrons pas dépasser la vitesse du son nous serons limités, car même à la vitesse de la lumière l'univers reste grand encore, et nos vies courtes en rapport. il y a encore tant d'inconnus , l'univers est-il chiffonné, les diverses théories cordes et autres qui pourraient donner quelques réponses sur l'univers, sont en chantier pour l'instant, de plus à la moindre découverte d'autres questions encore plus complexes se posent, et élargissent encore l'inconnu. On s'aperçoit que plus on sait plus on a à chercher, en toutes disciplines, la physique des particules ouvre des champs qui ouvrent d'autres champs sur l'infiniment petit et l'infiniment grand sur cette matière qui nous fait et dont notre monde est constitué, que de questionnement encore pour nous les humains....................... .