Une question sur l'arche interstellaire, la navigation.

[geeko]

Bonjour,

J'ai une question sur l'arche interstellaire.

Après avoir lu l'article de Gilgamesh sur l'arche interstellaire, il y a une chose qui me semble oublié et qui me parait difficile a mettre en oeuvre.

La navigation,

Le voyage est prévu pour un durée de l'ordre de 700ans si je trompe pas,

-Comment connaitre a position du système/de la planète cible 700 ans a l'avance? est-ce possible?
(dans ce cas peut-on être assez précis dans la trajectoire de l'arche pour la lancer 'pile dans le mille'?)

-Faudra-t-il appliquer constamment des corrections de trajectoire tout au long du voyage?
(consomme de l'energie et augmente le risque d'erreur... qui doit devenir non-negligeable au bout de 700ans)

Comment savoir où on est en milieu de voyage?
Quand on est très loin de tout repère visuel...
j'imagine qu'il est impossible d'utiliser des centrales inertielle comment pourrait-elle fonctionner ne serai-ce que pendant plus d'une trentaine d'années...
Et leur dérive serait trop importante...
(a moins qu'elle puissent être re-calée régulièrement en vol..)

Merci,

Lien pour l'article:
http://strangepaths.com/arche-inters...2007/02/14/fr/

Pour ceux qui ne connaissent pas A LIRE super article!!
D'ailleurs si certain connaissent d'autre peptides comme celle la sur le net faite partager
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[Gilgamesh]

Bonjour geeko, merci pour tes appréciations,

il est en fait beaucoup plus simple de s'orienter dans l'espace que de s'orienter sur l'océan. En navigation hauturière (i.e. loin des côtes) l'horizon s'établit à quelques dizaines de km à peine et on est privé en général de tout repère visuels (amers). En outre, le fait de se déplacer au sein d'un milieu fluide dense, qui possède sa propre dynamique (vents, vagues, courants) provoque une constante dérive en vitesse comme en direction. Pour se repérer il ne reste que... les étoiles, précisément (Soleil compris) ; elles forment des amers visibles à des distances incroyables du fait de l'excellente transparence de l'espace.

S'il existait des phases de navigations interstellaire au sein de milieux opaques et denses, le problème se poserait dans les mêmes termes. Mais ce n'est pas le cas, on est dans le vide et les seuls effets dynamiques d'origines externes a prendre en compte sont ceux du à la gravité. Ils ne présentent pas les phénomènes de turbulences propres aux fluides, du moins sur une échelle de temps qui se chiffre en siècle. Les équations de la dynamiques dans les faibles champs de gravités sont infiniment plus simples à résoudre à cette échelle que les équations de Navier-Stockes !

Anticiper le mouvement de l'étoiles cible sur mille ans ne présentent pas de difficulté particulière, si ce n'est la mesure très précise de sa position et de sa vitesse initiale. C'est un simple arc d'ellipse, de demi grand axe tellement immense (des dizaine de kpc, distance de l'étoile au centre galactique) que concrètement il se résume à un segment rectiligne parcouru à vitesse constante.

Plus précisément, on s'intéresse au mouvement relatif de l'étoile par rapport au Soleil, car vu les faibles distances galactiques en jeu, nous parcourons quasi la même orbite. Ce mouvement relatif est mesuré par la distance d mesurée par le parallaxe, la vitesse radiale (radial velocity) et par le mouvement angulaire propre (proper motion µ). La construction vectorielle présentée dans le schéma ci dessous permet de restituer le vecteur vitesse relatif de l'étoile par rapport au Soleil (space velocity)

800px-Proper_motion.JPG

Pour epsilon Eridani les données sont :

Vitesse radiale : +15.5 ± 0.9 km/s
Mouvement angulaire propre : Acension droite (RA) : -975,17 mas/an, Déclinaison : 19,49 mas/an
Parallaxe : 310.94 ± 0.16mas
Distance : 10.489 ± 0.005 al (3.216 ± 0.002 pc)

mas : milli arc seconde. 1 mas = 4.84 nano radian
pc : parsec. 1 pc = 3,26 années lumière.



La vitesse obtenues de la sorte peut être considérée comme constante mais le cas échéant, cette mesure peut être actualisée tout au long du trajet de l'Arche.


Elle le sera de toute façon ainsi que celle de toutes les étoiles proches afin de mesurer la vitesse propre de l'Arche en grandeur comme en direction tout au long du trajet, de même qu'on mesure l'apex solaire. Voir discussions ici et ici.

Un exemple de construction établie par l'observation (pour la Terre) avec les données d'Hipparcos.

img43.gif

source : Systematic motions in the galactic plane found in the Hipparcos catalogue using Herschel's Method

L'Arche à pleine vitesse se déplace d'environ 1000 UA par an (230 fois plus que le Soleil, relativement aux autres étoiles). L'effet sur le parallaxe des étoiles proches est très nettement mesurable (avec les moyens actuels) ne serait ce que sur une seule journée de voyage ! Sans compter le fort effet Doppler et d'aberration stellaire du également à la vitesse élevée de l'Arche.

On possède également un repère, absolu celui là, pour mesurer sa vitesse, l'amer ultime : le CMB. Voir discussion ici.




Par ailleurs, la cinématique de l'Arche en fonction de la propulsion est facile à calculer. La poussée est constante pendant les phases d'accélération et de freinage et la norme du vecteur accélération est une fonction croissante linéaire du temps (du fait de l'allégement progressif de la structure) pendant les phases actives de propulsion. En dehors de ces phases, l'Arche a une simple trajectoire balistique dans le champ de gravité ambiant.

Pour une mobile de masse initiale m, éjectant un débit massique q à la vitesse u, avec pour conditions initiales :




L'expression de l'accélération a en fonction du temps t est :



La vitesse v est :



L'abscisse x est :




a+

PS : j'ai reproduit l'article de strangepaths sur le wiki de la nation spatiale. Voir ici : http://space-nation.org

[invite231234]

Gilgamesh, tu ne peux pas admettre que la dérive engendrerait une accélération transitoire qui justifierait un : "on est juste capitaine" !

[Gilgamesh]

Il y a toujours une dérive aussi petite soit elle, oui mais l'Arche a les moyens de modifier la direction de sa poussée, du fait du débattement du mât supportant la corolle moteur (angle de débattement de +/- 10°).

La seule difficulté dynamique de l'Arche est son fort effet gyroscopique du à la rotation du corps d'habitation nécessaire pour créer la gravité artificielle en son sein ; ça rend assez coûteux de réorienter l'axe de rotation, mais ça n'empêche pas de modifier la direction de son mouvement, vu que la poussée s'applique au centre de gravité.

G%C3%A9ometrie_de_la_pouss%C3%A9e.pngChangement_de_trajectoire.png

Comme on connait sa position et sa vitesse ainsi que celle de la cible à tout moment, on peut toujours corriger sa dérive par rapport au trajet de référence.

a+

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite231234]

Une dérive due à quoi ?

Je sais pas moi ... due à un caillou un peu trop venimeux ! Est-ce que l'arche tiendrait le coup ?

[Gilgamesh]

A noter que cette question gyroscopique peut se résoudre par l'adjonction d'un rotor contrarotatif de masse minime mais avec un très grand rayon de rotation.

Moment d'inertie du cylindre de l'Arche de masse M=20 Gt et de rayon r = 5000 m



J = 2,5.10²⁰ kg.m^-2

Soit n=24 masselotte de masse m = 1 Mt chacune, disposée en deux couronnes étoilées (une en avant l'autre en arrière du corps de l'Arche). Pour égaler le même moment J de l'Arche il faut les disposer sur un cercle de rayon R



R ~ 100 km

Ce double cerceau de masse doit tourner à la même vitesse angulaire w que le corps de l'Arche.



avec g0 la gravité artificielle crée par la rotation sur la face interne du cylindre de rayon r


Pour un câble donné, reliant une masselotte m au mât la tension T est :



soit T = 200 GN (soit 20 Mt de tension)

En imaginant qu'on puisse ouvrager des fibres en nanotube de carbone de résistance à la tension ~ 100 GPa sur une très grande portée (c'est là la grande difficulté) il faudrait un diamètre de câble de ~1,6 m (section de 2 m²). Et en définitive, à la densité de 1400 kg.m^-3, le câble par lui même représenterait une bonne partie de la masse du rotor (0,3 Mt) et en fait la totalité si pour des raisons de sécurité on triple ou quadruple le câble (en en faisant une structure réticulée).

a+

[Gilgamesh]

Je sais pas moi ... due à un caillou un peu trop venimeux ! Est-ce que l'arche tiendrait le coup ?

Tout corps de diamètre > 1cm constituerait un impact sérieux en terme d'énergie cinétique, à la vitesse de qq milliers de km/s, alors qu'au niveau de la quantité de mouvement transmise ça aurait le même effet qu'un moustique sur le pare brise d'un TGV.

En ordre de grandeur : on imagine que le matériau du bouclier carburant possède une énergie de liaison de 1eV (typique d'une liaison covalente). Soit disons 1 GJ/m3. Je divise l'énergie du choc par l'énergie de liaison volumique pour avoir les dimension du cratère :

taille du projectile / profondeur du cratère

1 micron / 0,5 mm
1 mm / 50 cm
1 cm / 5 m
10 cm / 50 m
1 m / 500 m


Pour prévenir les très rares chocs avec des poussières de gros diamètre, on peut prévoir des sondes decamétriques en formation étagée très loin en avant de la structure et qui sondent finement l'espace pour pulvériser tout ce qui dépasse le mm.

a+

[invite231234]

Pour prévenir les très rares chocs avec des poussières de gros diamètre, on peut prévoir des sondes decamétriques en formation étagée très loin en avant de la structure et qui sondent finement l'espace pour pulvériser tout ce qui dépasse le mm.

Le problème Gilgamesh, si tu me permets, c'est que l'arche doit accélérée et décélérée, or les sondes anti-impacts doivent suivre l'arche, donc il faut qu'elles aussi accélèrent et décélèrent !

[Moinsdewatt]

Le problème Gilgamesh, si tu me permets, c'est que l'arche doit accélérée et décélérée, or les sondes anti-impacts doivent suivre l'arche, donc il faut qu'elles aussi accélèrent et décélèrent !

Quand on est à délirer sur des arches interstellaires, la décélération ou l' accélération de sondes anti impact n' est qu' un détail mineur du délire.

[Gilgamesh]

Le problème Gilgamesh, si tu me permets, c'est que l'arche doit accélérée et décélérée, or les sondes anti-impacts doivent suivre l'arche, donc il faut qu'elles aussi accélèrent et décélèrent !

En effet, et il faut les repositionner selon un angle de plus en plus fermé et sur une distance de plus en plus grande au cours de la phase d'accélération. Et inversement au freinage.

Pour protéger les avants d'un mobile de vitesse v se déplaçant dans un milieu peuplé de particule de vitesse moyenne ("température de milieu") w, il faut surveiller un volume conique d'angle d'ouverture :



Plus le milieu est chaud, plus l'angle est ouvert. Plus le mobile est rapide, plus l'angle est fermé.

Par ailleurs, s'il faut une durée caractéristique tau au mobile pour se dévier d'une distance égale à son rayon, la longueur du cône de surveillance doit être telle qu'il puisse réaliser cette opération dans la durée tau :



La rayon r du cône à la distance L est



Les sondes sont situées sur toutes les surfaces du cône et balayent l'espace. La surface de ce cône de surveillance (base compris) est :



Pour tau, la durée de décalement de l'arche, on va considérer un débattement de l'axe moteur d'angle b. L'accélération en fin de phase accélératrice est a. Pour se déplacer latéralement d'une distance R (rayon de l'Arche) il faut une durée :



En remplaçant l'expression de r, L et tau par ce qui précède on obtient :



A titre indicatif, pour
w = 20 km/s
v = 4500 km/s
R = 5000 m
b = 10°
a = 2,9 mm.s^-2


tau = 2200 s (~35 minutes)
L = 10 millions km
r = 45 mille km

A = 1,4.10¹⁸ m²

Une sonde est capable de surveiller sur un rayon d'action de d, soit une surface



La nombre de sondes nécessaires est N = A/S

a+

EDIT : à la réflexion, il est inutile de placer des sondes sur les côtés du cône. Seule la base doit être équipée, ce qui réduit beaucoup les besoins.





A = 5,5.10¹⁵ m²
soit 5,5 milliards de km²

[invite231234]

Oui, mais Gilgamesh tu réponds à côté de la plaque, ce que je sous-entendais par accélération des sondes anti-impacts, c'est avec quelle énergie peuvent-elles suivre l'arche ? Sont-ce des sondes indépendantes ?

[Gilgamesh]

Ah oui, bien sûr, je pensais que c'était évident.

Ce sont des vaisseaux spatiaux à propulsion autonome ; pour la motorisation, peut envisager de simple moteur électrique avec impulsion spécifique variable.

1/ d'une part vu que l'Arche est dans le panache des réacteurs, on n'a pas forcément envie qu'elles crachent des particules de plusieurs MeV. Donc pas de moteur à fusion, tant pis pour l'impulsion spécifique.

2/ d'autre part il faut leur permettre d'accélérer dans toutes les direction très rapidement (qq seconde) pour se positionner devant le danger, ce qui nécessite le passage en mode "forte poussée - faible impulsion spécifique", ce que permet un moteur type VASIMR et pas un moteur à fusion.


Donc disons une sonde composée d'une centrale de production électrique à fusion, de plusieurs moteur électrique à plasma à impulsion spécifique variable et d'un réservoir de gaz propulsif (hydrogène, avec un réapprovisionnement envisageable sur l'Arche. Ce propulsif n'est pas la source d'énergie de la propulsion).

Un forte production électrique est également nécessaire pour alimenter le faisceau radar.



Rappel : Propulsion électrique à plasma
VASIMR : Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

Domaine d'usage : mise en orbite, correction de trajectoire, propulsion interplanétaire.

Principe : de l'hydrogène neutre est injecté et confiné par un tube en quartz dans la première des trois cellules magnétiques du moteur, où il est pré-ionisé (T ~ 30 à 50 000 K) à l'aide de radiofréquences émises par une antenne helicon dans un champ magnétique axial. Ce plasma entre dans la chambre centrale où il est confiné et maintenu à distance des parois par des solénoïdes créant un champs magnétique axial dans l'enceinte. Une "antenne ICRH" (Ion Cyclotron Resonant Heating) ionise totalement le plasma en le portant à très haute température (10 MK) et génère un champ électrique induit qui accélère les ions en une trajectoire hélicoïdale vers la sortie. C'est le booster principal. Enfin une "tuyère magnétique" en sortie contrôle le jet de plasma en modelant axialement la trajectoire des ions.

Cette tuyère à "géométrie magnétique variable", permet de faire varier l'impulsion spécifique et la poussée à puissance constante, en modulant l'intensité du champ magnétique et la géométrie de ses lignes de champ. Une analogie souvent utilisée est d'assimiler cette tuyère magnétique à la boîte de vitesses d'une automobile, dont le moteur serait alimenté en combustible à régime constant.


Isp : 30 000 s (vitesse d'éjection : 290 km/s)
Energie spécifique : 43 000 MJ/kg


a+

[Gilgamesh]

Pour la puissance radar des sonde

La distance minimale d pour pouvoir discriminer l'écho d'une cible de surface équivalente radar sigma est :



avec
sigma la surface équivallente radar de la cible en m²
Ps la puissance émise (W)
Pe la puissance reçue minimale (W)
G le gain d'antenne (la directivité du faisceau radar à l'émission)
lambda la longueur d'onde émise (m)

Le gain d'antenne G se calcule lui même comme :



avec
A la surface apparente de l'antenne
Ka un facteur d'efficacité (ici 1 pour simplifier)

On se situe dans un contexte assez idéal : pas d'atmosphère, pas de sol, pas d'émissions parasites.

[invite231234]

Salut Gilgamesh !

Je me suis livré à un petit calcul, (j'espère que c'est juste) :

On a N = A/S avec et A = 6.10⁹ m² !

r = 45 000 km ou r = 45 000 000 m

r = Nd <=> d = r/N d'où

=> d'où

Je trouve N = 1 060 288 sondes !

Or comme c'est des grosses sondes je me demande si le bouclier anti-impact ne serait pas plus gourmand en énergie que l'arche ... mais bon je pense que je me suis planté ... !

[Xoxopixo]

Bonjour,

Or comme c'est des grosses sondes je me demande si le bouclier anti-impact ne serait pas plus gourmand en énergie que l'arche ...

par rapport à la question de la réorientation, +-10° de débattement si j'ai bien compris, comment fait-on pour ralentir à destination ?
L'arche se retourne ?
Si les boucliers sont à l'avant, se retourner exposerait l'arrière du vaisseau non ?

[Gilgamesh]

Le carburant et les moteur sont statiques (pas en rotation sur eux même) attaché chacun à un sommet du mât, via un faisceau de câbles. On intervertit leur position juste avant d'aborder le freinage.

M1 : bouclier carburant d'accélération
M2 : bouclier carburant de freinage

Configuration d'accélération :
800px-Arche_acc%C3%A9l%C3%A9ration.png

Configuration de vol libre :
800px-Arche_vol_libre.png

Configuration de freinage :
800px-Arche_freinage.png

[wacounda]

Bonjour, je me permet de m'incruster sur ce topic qui m'intéresse.
j'avais repéré une idée de roland lehoucq (qui semble s'intéresser de près au sujet lui aussi)
pour économiser du carburant il projetait d'utiliser la descélération magnétique qui consiste à ioniser la matière du milieu interstellaire à l'avant du vaisseau grâce à un puissant laser tout en produisant un champ magnétique intense sur une vaste région de l'espace. En déviant ces particules, le vaisseau subira une force de freinage d'autant plus importante que sa vitesse est grande. Comme un parachute.
C'est "théoriquement" crédible ça ?

Cordialement
Wacounda

[Xoxopixo]

C'est plus clair merci.
On a donc deux boucliers.

Dans ce cas les corolles moteur sont exposées en partie pendant l'accéleration et le vol libre, et à l'avant pendant le freinage.
Il n'y a pas un risque de colision avec des microparticules (pour le moins) ?
Surtout pendant le freinage.

[Gilgamesh]

La corolle moteur est formée d'éléments modulaire : on a 12 pétales de ~8000 moteurs chacun, et ils sont disposé aux noeuds d'une réseaux de câbles. En cas d'impact avec des poussières, au pire un seul moteur est en avarie et il faut juste le réparer ou le remplacer. Vu l'extrême rareté prévisible des chocs , il n'est pas intéressant a priori de prévoir un bouclier pour protéger chaque élément moteur.

Le bouclier d'eau sert dans l'autre sens à protéger la structure de l'arche du rayonnement neutronique ou gamma provenant de la corolle.

Pendant le freinage, la corolle possède un surcroit de protection du fait du flux de plasma qu'elle émet vers l'avant. Ça représente quand même 20 GW/m2 !

a+

[Gilgamesh]

Bonjour, je me permet de m'incruster sur ce topic qui m'intéresse.
j'avais repéré une idée de roland lehoucq (qui semble s'intéresser de près au sujet lui aussi)
pour économiser du carburant il projetait d'utiliser la descélération magnétique qui consiste à ioniser la matière du milieu interstellaire à l'avant du vaisseau grâce à un puissant laser tout en produisant un champ magnétique intense sur une vaste région de l'espace. En déviant ces particules, le vaisseau subira une force de freinage d'autant plus importante que sa vitesse est grande. Comme un parachute.
C'est "théoriquement" crédible ça ?

Cordialement
Wacounda

Oui, c'est le principe de la voile magnétique (magnetic sail), ou propulsion à plasma magnetospherique (il existe un concept développé pour les espaces interplanétaire, M2P2 pour Mini Magnetospheric Plasma Propulsion).

Un article de Landis ici

[Gilgamesh]

Or comme c'est des grosses sondes je me demande si le bouclier anti-impact ne serait pas plus gourmand en énergie que l'arche ... mais bon je pense que je me suis planté ... !

Vu qu'il te manquait d, tu ne pouvais pas aboutir, indeed (quand tu arrive à quelques chose de la forme N = kN² c'est qu'il y a un pb, et il commence à r = Nd. Le schéma ne montre qu'une ligne de sonde, mais elles sont disposées sur une surface). Par ailleurs je me suis grossièrement trompé sur la surface A, qui est en fait de 5,5 10¹⁵ m².

Je calcule d avec ma formule du radar. Sur Terre les gros radars émettent une puissance de l'ordre de 100 kW. On va prendre ça. Pour la longueur d'onde, on a tout intérêt à prendre la plus petite possible. Pour le gain d'antennes on va se baser sur une parabolle de 10 m de diamètre, soit G ~ 10⁹. Pour la sensibilité Pe, actuellement on discrimine des signaux de -110 dBm. On passe à -120 dBM, soit un signal minimal de 10^-15 W. Pour sigma, on veut pouvoir discriminer une particule d'au moins 1 mm.

Je prends :
Ps= 100 kW
R = 5 m
lambda = 0,1 mm
Pe =10^-15 W
sigma = 10^-6 m²

d = 2800 km
S = 2,5.10¹³ m²
N = 220 sondes

C'est à peine indicatif parce que j'ai 3 gros leviers dont la valeur est choisie assez arbitrairement : la puissance émise, la taille de la parabole et la longueur d'onde émise. Mais je peux toujours compenser l'un par l'autre. Par exemple, si j'augmente la longueur d'onde à 1 cm, il me faut une parabole de 50 m de rayon pour obtenir le même résultat à puissance égale.

On peut je pense retenir la configuration générale de qq centaines de sondes espacées de qq milliers de km, et détectant qq milliers de km devant elles, c'est à dire à une distance qu'elles parcourent en une demi-seconde... On peut imaginer un système de tir laser automatique (une centaine de tirs coordonnés qui se croisent sur la cible), mais je pense qu'il faut concevoir un système de défense plus étagé : la première ligne détecte, procède à un premier tir, assure le suivi des débris et alerte une seconde ligne plus proche de l'arche faites de sonde plus légères avec un rapport poussée/masse très élevée leur permettant de se porter au plus près de leur cibles pour assurer la finition.

A noter que cette armada de paraboles constituerait un excellent observatoire astronomique, si on donne à ces miroirs un poli spéculaire pour fonctionner dans le IR/visible/UV. Et rien n'empêche même en théorie de les faire marcher en interférométrie, il faudrait "simplement" assurer leur positionnement au nm près...

a+

[Xoxopixo]

Pendant le freinage, la corolle possède un surcroit de protection du fait du flux de plasma qu'elle émet vers l'avant. Ça représente quand même 20 GW/m2 !

Exact, c'est une protection efficace que je n'avais pas entrevu.

@Geeko : j'avais commencé à répondre et même divaguer un peu sur le thème de l'arche , mais je crois qu'on s'éloigne du sujet initial.
Il faudrait poster sur le fil traitant des problématiques générales de l'arche je pense.
http://forums.futura-sciences.com/as...pitre-iii.html

A confirmer par Gilgamesh.

[Gilgamesh]

C'est juste, messages déplacés