Graines d'érables / rentrée atmosphérique

[invitebc33f71f]

Bonjour à tous,

Chaque automne je regarde les érables autour de chez-moi répandre leurs graines-autogyres et je me demande s'il n'y a pas là une solution pour les rentrées atmosphériques.

La portée générée serait dérisoire comparativement à la traînée et n'apporterait pas d'avantage particulier par rapport aux solutions actuelles (type Soyouz ou Navette ou SpaceShipOne) mais ça permettrait quand même d'augmenter la surface incidente et donc la force de freinage.

Ultimement, il me semble qu'on pourrait ainsi rester à plus haute altitude plus longtemps pour une même force de freinage, et donc réduire l'échauffement des bords d'attaque.

Il faut évidemment limiter la vitesse de rotation pour éviter que l'aile ne croise le cône de l'onde de choc hypersonique....
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[inviteec0d6e6f]

Salut,

Attention a comparer ce qui est comparable

Par exemple, la rentrée atmo de SS1 n'a strictement rien a voir avec celle d'un engin satellisé.
Dans le premier cas, la rentrée se fait a Mach 2 ou 3 dans l'autre, a Mach 27.

Dans le premier cas on plane et on utilise la portance sans subir d'échauffement, dans le second cas on transforme l'énergie cinétique en chaleur.
Si les tuiles de la navette supportent ~2000°, il faut savoir que c'est grâce a sa forme : elle crée une bulle devant elle pour que l'endroit ou se produit l'ionisation ne soit pas en contact avec ses matériaux.
Car a la frontière de cette bulle, les températures atteignent 10.000°.

Lors d'une rentrée atmosphérique, on ne recherche pas de la portance mais du ralentissement.
C'est pas pour rien qu'on appelle les navettes des briques volantes.
Du ralentissement par la transformation de la vitesse en chaleur.

Un système tel que celui des feuilles autogire partirait immédiatement en fumée, même avec les matériaux les plus résistant qu'on connaisse.

[invitebc33f71f]

Effectivement, le mode de rentrée du SS1 ne serait pas viable pour un retour d'orbite. Les contraintes mécaniques et thermiques sur l'empennage seraient impossibles.

Je considère une modification au système courant: une capsule de type standard mais qui est attachée à une grande aile autogyre. Comme ceci:
erable.gif

L'idée est d'augmenter la trainée en augmentant la surface d'attaque, mais plutôt que d'utiliser la résistance mécanique des matériaux pour garder l'aile dans le travers du vent, d'utiliser la force centrifuge. Comme ceci:
forces.gif

[invite4e4d5c39]

Bonjour

Quelques questions :

- Où est ce qu'on range la "grande aile autogire" avant la rentrée atmosphérique?

- Comme vous l'avez dit, la vitesse de rotation doit être suffisamment basse pour éviter que l'aile ne croise l'onde de choc. Est ce que la vitesse de rotation ne sera alors pas trop basse pour que l'aile ait la moindre influence notable?

- La vrille est un mouvement difficilement contrôlable et que l'on cherche plutôt à éviter en temps normal. Comment comptez vous la contrôler puis la stopper quand vient le moment de sortir les parachutes ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteec0d6e6f]

Et dernière question, essentielle, a mon avis : quel est l'intérêt de rajouter de la complexité technique et des couts pour faire ce que l'on sait déjà très bien faire ?

[invitebc33f71f]

Que d'excellentes questions!

Si les technologies actuelles étaient si satisfaisantes, la navette utiliserait un bouclier ablatif et rentrerait avec des parachutes comme les autres véhicules de rentrée d'orbite. On utiliserait aussi le même principe sur Mars.

N'étant pas expert, je ne puis être sur de ce que j'avance mais...

Si on prend une capsule de type Soyouz et qu'on double toutes ses dimensions, on devrait quadrupler la force de freinage (4x la section fendant le vent) mais multiplier par 8 la masse de l'engin et donc l'énergie cinétique à dissiper. En finale, ça doublerait le temps de freinage, imposant des contraintes thermiques supplémentaires à la capsule et ses occupants.

Le freinage atmosphérique semble donc imposer un rapport masse par unité de surface. Plus le véhicule à freiner est lourd, plus il doit ressembler à une crèpe. Dans le concept Soyouz, la forme conique de l'engin est essentielle pour résister aux forces appliquées au bouclier et il y a donc une limite pratique à la masse de l'engin.

Il me semble que l'aile autogyre pourrait être une alternative.... si l'idée de freiner plus longtemps dans une atmosphère plus ténue est viable...

Pour les autres questions:

Au décollage, il faudrait probablement orienter l'aile vers le bas et disposer les réservoirs de carburant/comburant de part et d'autre de l'aile.

Pour une vitesse de rotation donnée et une surface d'aile donnée, plus l'aile est longue et mince, plus les forces centrifuges sont importantes. On peut donc dimensionner l'aile pour équilibrer les forces de traînée et les forces centrifuges.

L'arrêt de la rotation est effectivement un problème potentiel. Je crois qu'il est soluble mais j'admets volontiers qu'il y a là un défi! Si ma compréhension des forces en présence est exacte, il suffirait au moment opportun de permettre à l'aile et à la capsule de tourner librement autour de leur axe (pendant le vol autogyre, la faible portance développée par l'aile est convertie en torsion du grand axe capsule/aile et c'est ce qui entretient la rotation).

[inviteec0d6e6f]

Un truc qui pourrait bien t'aider : Orbiter Space Flight Simulator.

En version conquête spatiale américaine (vieille de 4 ans mais tout les engins de la conquête spatiale US depuis le X-15) et en version moderne (sortie cette année, mais encore peu de addon compatibles).
Deux versions prêtes a l'emploi (decompresseur 7z -mieux que winrar- et clic sur orbiter.exe, pas d'install).

La version moderne comporte 3 modèles atmosphériques, dont 2 issus du secteur de la recherche : le NRLMSISE-00 et le Jacchia.
C'est ce que tu pourras trouver de mieux en "grand public" pour tester tes solutions.
Je te conseille de te faire quelques rentrées atmosphériques avec différents engins pour voir comment ça se passe : en particulier avec le Shuttle en utilisant le pilote automatique de rentrée (AutoFCS) avec les GPCMFD à gauche (OPS3) et à droite (OPS4, c.f. manuel) afin de lire la trajectoire.
Mais aussi de le faire avec les modèles Mercury, voir Apollo (a 11 km/s, addon AMSO top niveau) pour voir la différence avec une capsule.
Tu vas pouvoir constater les contraintes subies par les engins (certains affichent la température, d'autres seulement les G).

Il te faudra "un peu" (haeuumm ) potasser les manuels et les tutos, mais si le secteur t'intéresse, tu trouvera ici un moyen super de modéliser, construire tes idées (je ne dis pas que c'est facile) et de les confronter avec ce qui se passe sur un modèle réaliste.
Des milliers de personnes l'ont déjà fait en créant leurs propres addons.
Tu verras que la "réalité" (qui n'est en fait ici qu'un modèle, mais vraiment précis, les valeurs réelles sont très proches de celles obtenues) élague pas mal l'imagination.
Généralement à coup de température excessives, ou de points chauds
Sachant que tu peux très bien créer un engin indestructible, si tu le souhaites.

Un lien sur le forum des spécialistes (en français) de ce simulateur, qui est un fantastique objet ludique pour apprendre des tonnes de trucs sur l'histoire de l'espace, la navigation spatiale réelle, présente, futuriste ou de fiction.
En plus d'être un excellent support pour modéliser ses propres engins et les soumettre à l'épreuve (dans le cas des rentrées), si le cœur t'en dit.

Ou bien simplement, comme moi, en prendre plein la vue a faire un vol complet Apollo 11 de A a Z (non seulement le vol entier du début a la fin -y a un accélérateur de temps- , mais aussi communications réelles comprises en quasi intégralité !), ou faire un vol vers Mars en DeltaGliderIV... voir même aller réparer Hubble en Shuttle en condition de vol 100% réaliste (avec préhension grâce au bras robotisé, EVA etc...).

Y a un peu de boulot pour piger comment faire fonctionner tout ces engins si différents et spécifiques, mais avec un peu d'efforts, c'est le panard garanti pour les fans de l'espace
Et on apprend vraiment pleins de trucs.

[invite4e4d5c39]

[edit] le squale m'a devancé de peu, désolé pour les possibles répétitions

Si les technologies actuelles étaient si satisfaisantes, la navette utiliserait un bouclier ablatif et rentrerait avec des parachutes comme les autres véhicules de rentrée d'orbite.

La navette utilise un bouclier radiatif car à l'origine, elle a été conçue pour être capable de faire un aller retour en orbite de manière très régulière, sans devoir changer d'élément important.

Les capsules Soyouz ou autre avec un bouclier ablatif sont à usage unique. Les 2 solutions répondent à des logiques d'utilisation complètement différentes. Comme sont nom l'indique, un bouclier ablatif a pour mission d'être ablaté (j'ai vérifié, le verbe existe) et n'ai pas destiné à plusieurs utilisations.

Si on prend une capsule de type Soyouz et qu'on double toutes ses dimensions, on devrait quadrupler la force de freinage (4x la section fendant le vent) mais multiplier par 8 la masse de l'engin et donc l'énergie cinétique à dissiper. En finale, ça doublerait le temps de freinage, imposant des contraintes thermiques supplémentaires à la capsule et ses occupants.

En suivant le même raisonnement on pourrait conclure que pour une capsule "x2", il "suffit" de multiplier par 8 l'épaisseur du bouclier ablatif. Mais à mon avis c'est beaucoup trop simpliste.

Au décollage, il faudrait probablement orienter l'aile vers le bas et disposer les réservoirs de carburant/comburant de part et d'autre de l'aile.

Dans le cas des moteur-fusée à ergols liquides, la forme des réservoirs de stockage reste la sphère ou la sphère "rallongée", et les réservoirs sont donc logiquement placés l'un au dessus de l'autre. Un forme non sphérique n'est pas pertinente vis à vis des contraintes en jeu.

L'arrêt de la rotation est effectivement un problème potentiel. Je crois qu'il est soluble mais j'admets volontiers qu'il y a là un défi! Si ma compréhension des forces en présence est exacte, il suffirait au moment opportun de permettre à l'aile et à la capsule de tourner librement autour de leur axe (pendant le vol autogyre, la faible portance développée par l'aile est convertie en torsion du grand axe capsule/aile et c'est ce qui entretient la rotation).

Je ne suis pas sûr de comprendre, mais désolidariser l'aile et la capsule ne stoppera pas la rotation de la capsule. Il faudra forcément agir pour la stopper.

Au passage, connaissez vous le concept de bouclier gonflable? Une solution tout à fait sérieuse et déjà testée pour avoir un bouclier de grande dimensions sans augmenter fortement la masse.

[inviteec0d6e6f]

En suivant le même raisonnement on pourrait conclure que pour une capsule "x2", il "suffit" de multiplier par 8 l'épaisseur du bouclier ablatif. Mais à mon avis c'est beaucoup trop simpliste.

En fait, le hic, c'est qu'une taille modifiée d'un même objet ne donnera pas des contraintes proportionnelles, ni identiquement réparties : on a pas fait grossir les molécules d'air
Il faut donc revérifier quels sont les points de contraintes maxi, et ça peut conduire a des changements importants d'architecture.
Comme de faire un truc totalement différent, mieux adapté que l'ancienne forme, pour cette taille.

Dans le cas des moteur-fusée à ergols liquides, la forme des réservoirs de stockage reste la sphère ou la sphère "rallongée", et les réservoirs sont donc logiquement placés l'un au dessus de l'autre. Un forme non sphérique n'est pas pertinente vis à vis des contraintes en jeu.

Sachant que l'objectif est de sortir le plus vite possible de la couche atmosphérique.
Un engin a scramjet, capable de constituer un 1er étage, serait certainement différent des engins actuels.
MaxQ, c'est 11 a 14 km selon l'engin, c'est très tôt dans le vol, court dans le temps et faiblement contraignant.
Alors qu'une rentrée subit les contraintes maxi a ~40km, et ça chauffe dur dès 55km.
Les contraintes sont donc très différentes.
Au décollage, on peut se permettre des choses plus "exotiques" qu'a la rentrée. On peut même se permettre presque n'importe quoi.
Je ne me souviens plus du cout de l'atmosphère lors d'un lancement, mais ça doit être moins de 10% de l'énergie totale nécessaire a une satellisation, dans le cadre du Shuttle, le moins, profilé.
Du coup, la navette a cette forme seulement a cause de la rentrée.

Ce que je veux dire par là, c'est qu'on dispose d'une relative liberté en ce qui concerne la forme d'un truc qui décolle, mais c'est nettement plus délicat lorsqu'il faut rentrer et c'est beaucoup plus borné.
D'où le problème pour concevoir un engin capable de faire les deux.
Le Shuttle était une solution élégante.

Au passage, connaissez vous le concept de bouclier gonflable? Une solution tout à fait sérieuse et déjà testée pour avoir un bouclier de grande dimensions sans augmenter fortement la masse.

Tout a fait, et c'est vraiment un domaine prometteur !
Surtout grâce au nouveaux matériaux.
Ça permettrait de donner la forme désirée a l'engin au moment de la rentrée.
Sachant que le but est généralement de créer une bulle de plasma devant l'engin et non pas au contact (10.000°C, c'est définitivement trop).
Et les boucliers gonflables permettent virtuellement de donner la forme que tu veux a l'engin que tu veux.

[invitebc33f71f]

Bon, j'explore Orbiter.... j'en ai pour un petit moment mais ça ne suffira pas à me couper le sifflet

En suivant le même raisonnement on pourrait conclure que pour une capsule "x2", il "suffit" de multiplier par 8 l'épaisseur du bouclier ablatif. Mais à mon avis c'est beaucoup trop simpliste.

Je croyais comprendre que le bouclier thermique fonctionnait un peu comme un bain-marie: la fusion ou la sublimation du bouclier évacue les joules absorbées et maintient la température au point de fusion. C'est bien pour protéger les éléments structurels de la capsule mais ça n'aide pas beaucoup les passagers. On peut ralentir l'échauffement mais on ne peut l'empêcher et le temps de freinage restera donc toujours un paramètre critique. Je veux dire par là que même en étant simpliste à l'extrême, doubler l'épaisseur du bouclier (i.e doubler le temps de freinage) devrait protéger la structure de la capsule mais pas ses occupants.

Je ne suis pas sûr de comprendre, mais désolidariser l'aile et la capsule ne stoppera pas la rotation de la capsule. Il faudra forcément agir pour la stopper.

Effectivement, mon idée arrêterait la rotation de l'aile mais pas celle de la capsule...

Au décollage, on peut se permettre des choses plus "exotiques" qu'a la rentrée. On peut même se permettre presque n'importe quoi.

C'est ce que je me disais... quitte à faire un lanceur de section ovale pour loger l'aile au centre, ou une chimère comme la navette.