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voiles solaires



  1. #1
    syndrome

    voiles solaires


    ------

    bonjour a tous,
    je voudrais savoir la vitesse maximale qu'une voile solaire pourrais atteindre si on la déployais hors de portée de l'atraction teresstre , enfin , si on la satelisait
    merci

    -----

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  4. #2
    thecrusader_440

    Re : voiles solaires

    c la vitesse de la lumière

    D'abord :
    Fpoussée = Masse * accélération (3e loi de Newton)

    Accélération = F / M

    Pour une voile solaire, la force de poussé est presque une constante, car elle dépend du flux de photon capté par la surface de la voile. Cela dépend de l'orientation de la voile, comme pour une planche à voile sur un lac (les photons étant remplacés par le vent.)

    Vitesse = = F/M * t + V0

    Donc en theorie, tu peux atteindre la vitesse infinie au bout de d'un temps "t" infini.

    Or comme tu ne peux pas aller plus vite que la lumière et ce sera cela ta vitesse maximale...

    Or a une vitesse proche de la vitesse de la vitesse de la lumière la 3e loi de Newton n'est plus valable. Il faut passer à la mécanique d'Einstein... et là tu es sensé trouver que la vitesse maximale atteignable est "c".

    Je ne suis pas un expert cependant, mais mon raisonnement me semble correct.

  5. #3
    syndrome

    Re : voiles solaires

    alors, une simple voile pourais ateindre la vitesse de la lumiere?!
    je trouve ca quand meme étonnant
    si ca peux aller a la vitesse de la lumiere par "le soufle" du rayonement sollaire
    ca pourais comme les voilier aller plus vite encore non?
    merci

  6. #4
    invite765732342432
    Invité

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par syndrome Voir le message
    alors, une simple voile pourais ateindre la vitesse de la lumiere?!
    je trouve ca quand meme étonnant
    si ca peux aller a la vitesse de la lumiere par "le soufle" du rayonement sollaire
    ca pourais comme les voilier aller plus vite encore non?
    merci
    Plusieurs problèmes cependant:
    - plus tu t'éloigne du Soleil, moins celui-ci te "pousse". Il faudra donc trouver d'autres astres capables de te propulser (et sans te ralentir avant)
    - c'est bien d'aller vite, mais après il faut freiner
    - plus tu vas vite, moins tu peux éviter les rencontres imprévues (surtout avec les effets relativistes qui doivent commencer à ne plus être négligeables ?)
    - l'accélération risque de durer très longtemps avant d'atteindre une vitesse "correcte"

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #5
    Gilgamesh
    Modérateur

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par syndrome Voir le message
    bonjour a tous,
    je voudrais savoir la vitesse maximale qu'une voile solaire pourrais atteindre si on la déployais hors de portée de l'atraction teresstre , enfin , si on la satelisait
    merci

    Tu as deux cas à considérer :

    * les voiles solaires (ou stellaire) stricto sensus, c'est à dire propulsée exclusivement par le rayonnement naturel de l'étoile.

    * les voiles photoniques, c'est à dire propulsée par un rayonnement artificiel, laser optique ou micro-onde.


    Dans les deux cas, l'accélération, donc la vitesse finale, dépend essentiellement du chargement de la voile, c'est à dire du ratio masse/surface. Plus le chargement est faible évidemment, plus l'accélération est forte pour une poussée (donc une surface) donnée.

    Cela signifie bien entendu que la charge utile doit être réduite, ce qui constitue la contrainte essentielle (et vraiment drastique) de ce mode de propulsion. Mais cela signifie également que la masse surfacique de la voile doit être la plus faible possible.

    Dans le cas spécifique de la voile solaire, la contrainte qui précède est très forte puisque la durée d'accélération est comptée : le flux radiatif reçu, donc la poussée, donc l'accélération est en 1/d² où d est la distance à l'étoile. Il faut donc de très grande voile, très légère, allant chercher l'accélération au plus près de l'étoile. On pourrait espérer atteindre de la sorte ~ 100 km/s. C'est donc conçu pour des missions vers l'extérieur du système solaire, typiquement la ceinture de Kuiper, voir de Oort.

    Un des projets les plus ambitieux dans ce cadre est le Oort Cloud Trailblazer de la NASA, qui nécessiterait un chargement de voile de l'ordre de ~ 0,1 g/m² ce qui autoriserait une vitesse de départ de 300 km/s pour atteindre 1 000 UA.
    Plus raisonnable, The Interstellar Probe (ISP) consisterait à envoyer une sonde étudier le milieu interstellaire au delà de l'heliopause à au moins 200 UA du Soleil en 15-20 ans seulement avec une vitesse de départ de 50 km/s. L'objectif serait de pouvoir recevoir des mesures jusqu'à ~400 UA, avec une masse totale de 150 kg dont ~25 kg d'instruments, un taux de transmission des information de 25 bps et ~20 watts de puissance (à 200 UA) avec une sonde sous voile solaire faiblement chargée (< 2g/m²) qui serait lancée sur une orbite hyperbolique rasant le Soleil au périhélie (à 0,25 UA, en deça de l'orbite de Mercure) pour maximiser l'impulsion.


    Pour la voile photonique, le facteur limitant théorique est la puissance surfacique que peut recevoir la voile sans s'évaporer. C'est à dire essentiellement son pouvoir réfléchissant.
    Et pratiquement parlant, il y a d'énorme contraintes qui s'ajoutent pour produire et colimater un faisceau EM avec des tolérances inférieures au microradian en termes de pointage dans le cadre de sondes interstellaires.

    Allez, je te le recopie carrément

    http://strangepaths.com/forum/viewto...st=0&sk=t&sd=a

    Principe : la poussée radiative du Soleil est faible (1400 W à 1UA) et diminue en 1/d². Pour atteindre un objectif interstellaire, il est nécessaire d'éclairer la voile de façon bien plus puissante et bien plus prolongée, ce qui nécessite une source bien focalisée. A titre d'exemple : pour accélérer 1 tonne sous voile de 1 km de diamètre à la vitesse de 0,15c en 10 ans, la poussée doit être de 0,14 m/s². En prenant une réflectance de voile de 0,9 ceci nécessite une irradiation de la voile de 20 000 W/m² (équivallent à ce que l'on reçoit à 0,25 UA du Soleil) soit un total de 20 GW. Si on utilise 1 million de diodes de puissance efficace 20W et de dimension (mm) 1 x 0,5 x 3 la surface totale d'emission est de 30 m. Avec un rendement de 0,3 (soit la nécessité de collecter 67 GW solaire), la surface collectrice à 1 UA est de 8 km (et diminue si on rapproche le dispositif du Soleil). Ce type de solution nécessite un contrôle du pointage d'une extrême précision.

    A plus grande échelle, une idée de projet développée par Robert Forward consiste à mettre en oeuvre une source laser postée dans le système solaire d'une puissance de 10 millions de GW focalisée par une lentille de Fresnel de très grand diamètre (1000 km) vers une voile de même diamètre environ pour une masse totale de 80 kt vers Epsilon Eridani à 10,3 al de la Terre. Un second concept d'ambition plus modeste envisage un laser micro-onde de 10 GW avec un mobile de 20 g seulement constituée d'une fine grille de 1km de diamètre.





    a+
    Dernière modification par Gilgamesh ; 11/07/2008 à 01h13.
    Parcours Etranges

  9. #6
    thecrusader_440

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par thecrusader_440 Voir le message
    c la vitesse de la lumière

    D'abord :
    Fpoussée = Masse * accélération (3e loi de Newton)

    Accélération = F / M
    En théorie tu peux aller à la vitesse de la lumière. Dans mon bilan, je n'ai considéré que la force de poussée qui vient de la simple exposition à un rayonnement. Pas de force de frottement, car on est dans l'espace. Sur terre c'est notamment la force de frottements (et les obstacles) qui empêchent les mouvements infinis. Or dans l'espace pas de force de frottement (sauf si tu passe dans un nuage de gaz).

    La force de poussée se réduit au fur et à mesure de l'éloignement du soleil : le flux capté étant de plus en plus petit, il y a une relation en A/r² (où A est l'intensité et r la distance voile-soleil).

    Avec un faisceau laser, tu peux :
    - avoir un flux constant de photon (appelée poussée photonique)
    - donc une force constante
    - donc une accélération constante
    - donc une célérétité quasi-maximale (c)

    Je pense que c'est de la pure théorie car :
    - il y a des attractions gravitationnelle suplémentaire qui te déviront, des obstacles, des poussieres spatiales qui perceront la voile (elle deviendra moins efficace car la surface se reduira)
    - qd tu atteins la vitesse de la lumière, je crois que ta masse augmente... mais je ne sais plus pour quelle raison... cela vient de la relativité... (j'ai peur de dire une bêtise... c'est possible que ce soit un autre raisonnement que j'ai entendu : la masse du véhicule augmente à cause du fait qu'il doit transporter plus de carburant... je ne sais plus lequel est la vrai raison).

    Au fait excellent sujet de discussion (j'avais tenté d'en faire mon TIPE, mais c'était trop complliqué en prépa : poussé photonique = théorie d'Einstein de l'interaction lumière matière ou physique quantique ?....)

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  11. #7
    thecrusader_440

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par Gilgamesh Voir le message
    Tu as deux cas à considérer :

    * les voiles solaires (ou stellaire) stricto sensus, c'est à dire propulsée exclusivement par le rayonnement naturel de l'étoile.

    * les voiles photoniques, c'est à dire propulsée par un rayonnement artificiel, laser optique ou micro-onde.
    La technologie de la voile est la même même si la source est différente, non? ...

    Citation Envoyé par Gilgamesh Voir le message
    Dans les deux cas, l'accélération, donc la vitesse finale, dépend essentiellement du chargement de la voile, c'est à dire du ratio masse/surface. Plus le chargement est faible évidemment, plus l'accélération est forte pour une poussée (donc une surface) donnée.
    Et puis cela dépend du TEMPS qu'on a pour accélérer!

    Citation Envoyé par Gilgamesh Voir le message
    Cela signifie bien entendu que la charge utile doit être réduite, ce qui constitue la contrainte essentielle (et vraiment drastique) de ce mode de propulsion. Mais cela signifie également que la masse surfacique de la voile doit être la plus faible possible.
    Vrai. A cela s'ajoute les contraintes de conception :
    - orienter la voile dans la même direction par rapport au faisceau
    - pouvoir déployer une voile de qq microns d'épaisseurs sans la déchirer et sans l'intervention d'actionneur (pour des raisons de poids et de risque dedéchirer la voile).
    J'ai lu qq par qu'on avait fait appel à des pro des origamis pour faire un essai sur un demonstrateur... il fallait en effet trouver la meilleur façon de plier l'immense voile dans une capsule (pour le lancement).

    Citation Envoyé par Gilgamesh Voir le message
    C'est donc conçu pour des missions vers l'extérieur du système solaire, typiquement la ceinture de Kuiper, voir de Oort.

    Un des projets les plus ambitieux dans ce cadre est le Oort Cloud Trailblazer de la NASA, qui nécessiterait un chargement de voile de l'ordre de ~ 0,1 g/m² ce qui autoriserait une vitesse de départ de 300 km/s pour atteindre 1 000 UA.
    Plus raisonnable, The Interstellar Probe (ISP) consisterait à envoyer une sonde étudier le milieu interstellaire au delà de l'heliopause à au moins 200 UA du Soleil en 15-20 ans seulement avec une vitesse de départ de 50 km/s. L'objectif serait de pouvoir recevoir des mesures jusqu'à ~400 UA, avec une masse totale de 150 kg dont ~25 kg d'instruments, un taux de transmission des information de 25 bps et ~20 watts de puissance (à 200 UA) avec une sonde sous voile solaire faiblement chargée (< 2g/m²) qui serait lancée sur une orbite hyperbolique rasant le Soleil au périhélie (à 0,25 UA, en deça de l'orbite de Mercure) pour maximiser l'impulsion.
    Je confirme. Plusieurs tours autour du soleil en offrant la meilleur exposition au soleil (comme un voile qui doit être orienté le mieux possible au vent pour aller dans la direction souhaité) puis une impulsion hors d'une trajectoire heliocentrique pour rejoindre le confin de l'espace! Yihhha!

    Pour la voile photonique, le facteur limitant théorique est la puissance surfacique
    Il y en a vraiment bcp, cf ce que j'ai mentionné. Cependant, je crois qu'on va bientôt arriver à bout d'un prototype et d'un lancement. J'ai lu, il y 5 ans de cela, qu'il y était même prévu une compétition de course de voilier soilaire prévu... Il s'agirait de faire l'aller-retour terre-lune le plus vite possible...

    En espérant avoir intéressé certaine personnes...
    Dernière modification par thecrusader_440 ; 12/07/2008 à 15h01.

  12. #8
    thecrusader_440

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par syndrome Voir le message
    alors, une simple voile pourais ateindre la vitesse de la lumiere?!
    je trouve ca quand meme étonnant
    si ca peux aller a la vitesse de la lumiere par "le soufle" du rayonement sollaire
    ca pourais comme les voilier aller plus vite encore non?
    merci
    Dépasser la vitesse de la lumière, pour un objet ayant une masse n'a pas été observé (normal puisque c'est une question de vision donc de photon héhé) et est prédit comme impossible d'après la théorie d'Einstein. Je ne connais que les grandes lignes, mais pas la démo.

    Cherche un peu tu trouvera peut-être...QQ un a une proposition ?

  13. #9
    Gilgamesh
    Modérateur

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par thecrusader_440 Voir le message
    - qd tu atteins la vitesse de la lumière, je crois que ta masse augmente... mais je ne sais plus pour quelle raison... cela vient de la relativité... (j'ai peur de dire une bêtise... c'est possible que ce soit un autre raisonnement que j'ai entendu : la masse du véhicule augmente à cause du fait qu'il doit transporter plus de carburant... je ne sais plus lequel est la vrai raison).
    L'énergie d'un corps c'est :



    avec le facteur de Lorentz




    La masse reste constante, mais
    quand
    et donc l'énergie aussi.

    a+
    Parcours Etranges

  14. #10
    Gilgamesh
    Modérateur

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par thecrusader_440 Voir le message
    La technologie de la voile est la même même si la source est différente, non? ...
    Oui mais la contrainte théorique qui s'applique pour maximiser l'accélération est différente : essentiellement la masse surfacique pour une voile solaire, essentiellement l'énergie surfacique pour la voile photonique ; c'est pour cela que je distingue les deux cas.


    a+
    Parcours Etranges

  15. #11
    thecrusader_440

    Re : voiles solaires

    Dans les deux cas on voudra maximiser la force surfacique reçue...

    La masse surfacique? c'est vrai que dans les deux cas on veut un vehicule le plus léger possible : a = F/m , on veut m --> 0 pour que a soit maximal...

    Désolé je ne vois toujours pas de grosse différence. Peut-être au niveau de l'électronique embarqué.
    Dans le cas où on doit suivre le rayon laser, on doit être bcp plus précis pour que le rayon frappe la toile. Ce n'est pas une contrainte pour le cas ou la source de photons est une étoile.
    Deuxio, la poussé obtenue par un laser ne pourrait être continue dans le temps sur de longue période du simple fait que le laser se trouverai sur terre et que celle-ci ne présenterai pas la même face tout le temps... (sauf au pôle nord et sud! mais allez construire un laboratoire dans ces conditions... c'est pas gagné!^_^ )

    Peut-être veux-tu dire que la quantité de photon est plus importante dans le cas de photon est plus importante dans le cas de la voile "stellaire" et que la toile doit être plus resistante à la chaleur...?

  16. #12
    Gilgamesh
    Modérateur

    Re : voiles solaires

    Citation Envoyé par thecrusader_440 Voir le message
    Dans les deux cas on voudra maximiser la force surfacique reçue...

    La masse surfacique? c'est vrai que dans les deux cas on veut un vehicule le plus léger possible : a = F/m , on veut m --> 0 pour que a soit maximal...

    Désolé je ne vois toujours pas de grosse différence. Peut-être au niveau de l'électronique embarqué.
    Dans le cas où on doit suivre le rayon laser, on doit être bcp plus précis pour que le rayon frappe la toile. Ce n'est pas une contrainte pour le cas ou la source de photons est une étoile.
    Deuxio, la poussé obtenue par un laser ne pourrait être continue dans le temps sur de longue période du simple fait que le laser se trouverai sur terre et que celle-ci ne présenterai pas la même face tout le temps... (sauf au pôle nord et sud! mais allez construire un laboratoire dans ces conditions... c'est pas gagné!^_^ )

    Peut-être veux-tu dire que la quantité de photon est plus importante dans le cas de photon est plus importante dans le cas de la voile "stellaire" et que la toile doit être plus resistante à la chaleur...?
    Dans la poussée laser, on peut imaginer une accélération arbitrairement grande à condition d'avoir une voile qui supporte la densité d'énergie qu'on dépose dessus. Il "suffit" d'avoir un laser assez puissant. Le facteur limitant, c'est donc ce que l'on peut déposer sur la voile.

    Dans la cas de la poussée solaire, la densité de flux est une donnée, mais on peut imaginer une accélération arbitrairement grande à condition d'avoir une voile assez fine.

    C'est juste une raisonnement aux limites technologiques.

    Dans les deux cas, on est d'accord qu'il faut une voile à la fois très légère et très réfléchissante.

    a+
    Parcours Etranges

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