Un projet fou pour un voyage habité vers Titan (TPE)

[Blackrafter]

Bonjour, bonsoir

Avant matière, je préfère signaler qu'en tant que nouveau sur le forum il ne m'est pas certain d'avoir placé ce post dans la bonne catégorie ; veuillez m'excuser pour cette erreur possiblement commise.


Pour expliquer rapidement ma situation : je suis élève de première S et je travaille actuellement sur mon TPE concernant un potentiel vaisseau spatial habité qui aurait permis à l'homme de découvrir Titan (satellite naturel de Jupiter). Je sais que c'est un projet -largement- "fou" d'un point de vue scientifique aujourd'hui, néanmoins, nous avons reçus le feu vert pour nous projeter de quelques années afin de mener notre projet de TPE à terme. Je passerais sur la question de pourquoi Titan et je vais plutôt m'intéresser aux problèmes auxquels le vaisseau doit faire face pour atteindre l'objectif. Je précise également que mon TPE s'oriente uniquement sur le vaisseau (forme, masse, propulsion, taille...) et non le reste une fois arrivé sur Titan.

Pour qu'il soit plus simple de répondre, je procéderai par affirmations (qui peuvent être injustes bien sur) et je mettrai également les "endroits" où je bloque pour x raison x) ! Les problèmes touchent surtout la partie la plus mathématique du projet, notamment tout ce qui se rapproche de vitesse/ accélération / durée de voyage / quantité de carburant...

DONNÉES

Distance Terre/Titan = 1 278 000 000 km

Je démarre avec une première affirmation, à vous de me dire si elle est juste ou pas : Mon vaisseau est propulsé par des propulseurs de type VASIMR (ionisation d'un gaz (Xénon / Argon) qui, une fois accéléré, est éjecté et produit une poussée), lesquels, avec une administration d'énergie de plus en plus importante, fournissent une poussée de plus en plus importante. Je traduis cela par, plus mon réacteur reçoit d'énergie, plus la poussée sera importante... Est-ce juste ou non ?

Ensuite, je cherche qu'elle peut être l'accélération de mon vaisseau pour qu'à la fois mes hommes à bord puissent survivre (max 1g ou 35 km.h^-1/s^-1) et pouvoir réaliser le voyage en 21 mois. (Ces 21 mois proviennent d'un calcul assez simple, à partir d'une donnée de la NASA confirmant que la propulsion à plasma (VASIMR) mettrait Mars à 31 jours de voyage de la Terre). J'ajoute à cela deux contraintes/problèmes supplémentaires :
- Mon vaisseau perd de la masse (le carburant (gaz)) à force de parcourir une distance notée d et donc il accélère --> Je souhaite connaître la masse de gaz consommée par un réacteur par énergie administrée par seconde pour connaître la masse du vaisseau.
- Mon vaisseau subit une force gravitationnelle (terrestre) qui diminue avec la distance notée [delta] F. Exprimée en Newton il me semble.

J'ajoute que si ma première affirmation est juste, un produit en croix m'a permis de trouver que j'ai besoin de 2.6 GW pour obtenir une poussée de 15 900 kg. Ce qui est relativement important. (Je précise que l'énergie provient d'un réacteur à fusion, produit, il me semble assez d'énergie pour alimenter ces réacteurs.
Petit problème de ce côté là également : le Watt est une unité de puissance alors que le Joule est une unité d'énergie ? Le produit de la réaction de fusion serait donc exprimable en Joule, d'après moi, et il me semble qu'il est impossible de convertir les Joules en Watts ? J'ai donc là un petit problème...

Mise au point : Je cherche une formule pour l'accélération de mon vaisseau (attention ! je ne connais pas encore sa masse*) pour la déduire, il me faut la consommation de gaz en fonction du temps ainsi que la force de gravité s'exerçant dessus en fonction de [delta] distance.

* Il s'agit de trouver la formule qui me permettrait de calculer l'accélération connaissant la masse.

Voilà, c'est à peu près tout ce qui me vient en tête, concernant les problèmes... Si vous avez des avis sur mon projet à me donner, je suis ouvert d'esprit
Par ailleurs, si vous avez des questions où trouvez imprécision dans mes propos, pensez à laisser une question en réponse .

Merci d'avance.
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[Geb]

Bonjour,

Tout d'abord, je te souhaite la bienvenue sur les forums de Futura-Sciences.

Pour expliquer rapidement ma situation : je suis élève de première S et je travaille actuellement sur mon TPE concernant un potentiel vaisseau spatial habité qui aurait permis à l'homme de découvrir Titan (satellite naturel de Jupiter).

Titan est un satellite naturel de Saturne et non pas de Jupiter.

Distance Terre/Titan = 1 278 000 000 km

D'après le peu d'infos que j'en ai trouvé sur internet la distance actuelle est plutôt de ~1,63 milliard de kilomètres.

(Ces 21 mois proviennent d'un calcul assez simple, à partir d'une donnée de la NASA confirmant que la propulsion à plasma (VASIMR) mettrait Mars à 31 jours de voyage de la Terre).

C'est de la communication. Ce n'est pas réaliste. Le VASIMR n'a rien de révolutionnaire et l'annonce de "Mars en 39 jours" ne serait possible qu'avec des réacteurs à fission nucléaire à cœur gazeux et des convertisseurs MHD (entre autres). Des technologies qui n'existent que sur papier à l'heure actuelle. La société Ad Astra Rocket de Chang-Diaz a mis environ 10 ans à revenir à un discours plus réaliste (disons entre 2001 et 2010).

Il y a un petit moment déjà, j'avais trouvé une étude datant d'août 2010, intitulée “Orbital Transfer Vehicle using VASIMR″ sur l'utilisation du VASIMR pour un véhicule de transfert orbital entre l'orbite terrestre basse et l'orbite géostationnaire pour la période 2016-2019. C'est le premier papier à ma connaissance dans lequel Ad Astra Rocket discute (par l'intermédiaire d'un interne en stage) de l'utilisation du VASIMR avec un générateur électrique qui ne relève pas de la science-fiction (voir le message #27 de cette discussion).

En 2011, Ad Astra Rocket a été lourdement critiquée par le président et fondateur de la Mars Society américaine : Robert Zubrin. Voici la critique écrite qu'il avait formulée le 13 juillet 2011 dans Space News :

- The VASIMR Hoax

Une réponse anonyme d’Ad Astra Rocket, publiée 5 jours plus tard sur le même site :

- Facts About the VASIMR Engine and its Development

Dans cette critique, Zubrin avait invité Chang-Diaz et un de ses collègues à un débat lors de la convention de la Mars Society, qui avait lieu à Dallas du 4 au 7 août 2011. Aucun représentant d'Ad Astra Rocket n'a daigné participer à ce débat. Cependant, Zubrin y a répété ces critiques plus en détails :

- VASIMR Debate (57 minutes)

La présentation du 19 janvier 2011 de Tim Glover, d'Ad Astra Rocket Company (AARC), au Colloque “Future in Space Operations″ (FISO), intitulée : “Near-term SEP Capability for Unmanned Mars Flight″ est elle aussi la preuve que depuis la mi-2010, AARC s’est enfin résignée à présenter des chiffres réalistes :

Chose importante, ils abandonnent l'idée d'utiliser un réacteur nucléaire. À la place, ils explorent l'utilisation de panneaux solaires du type Fast Access Spacecraft Testbed (FAST).

Glover compare la propulsion chimique (Isp de 450 s), la propulsion nucléothermique avec un réacteur de type NERVA (Isp de 925 s) et la propulsion solaire électrique avec un propulseur VASIMR (Isp de 5000 s). Il est important de noter que l'hypothèse chimique comporte 3 étages (une partie du lanceur est larguée).

Masse du vaisseau de 100 tonnes au départ.
Départ depuis l'orbite terrestre à 400 km d'altitude.
Arrivée en orbite martienne à 250 km d'altitude.
Impulsion spécifique de 5000 s (rendement : 60%)
Puissance : 1 MWe 1 UA (panneaux solaires)
Propulsif : argon

Temps de transit (dans les conditions fixées)

- propulsion chimique : 9 mois
- propulsion nucléothermique : 9 mois
- propulsion solaire électrique VASIMR : 27 mois

Charge utile en orbite martienne

- propulsion chimique : 29 tonnes
- propulsion nucléothermique : 44 tonnes
- propulsion solaire électrique VASIMR : 48 tonnes

Pour un voyage habité vers Mars avec des technologies réalistes, le propulseur VASIMR ne semble pas particulièrement tirer son épingle du jeu par rapport à d'autres propulseurs nucléo-électriques.

(Je précise que l'énergie provient d'un réacteur à fusion, produit, il me semble assez d'énergie pour alimenter ces réacteurs).

Pour une propulsion nucléo-électrique efficiente en milieu spatial, il faut un réacteur compact, léger et puissant. Or, on ne sait pas à quel point un générateur à fusion nucléaire pourrait être compact, léger et/ou puissant, puisqu'on est jamais parvenu à produire un générateur électrique à fusion nucléaire.

Pour répondre à ta question de départ, le projet le plus fou pour une colonisation de Titan est l’œuvre de feu Robert W. Bussard (1928-2007), avec des générateurs à fusion aneutronique Polywell (qui relèvent également de la science-fiction en l'état actuel de nos connaissances scientifiques et techniques) :

- Masse de départ du vaisseau spatial en orbite terrestre : 400 tonnes
- Puissance du générateur électrique à fusion aneutronique p-B11 (de type Polywell) : ~10 GWe
- Impulsion spécifique des propulseurs : 70.000 secondes
- Temps d’accélération : ~44,63 jours
- Vitesse à la fin de la phase d’accélération : 343,2 km/s (soit ~5,07 jours par unité astronomique)
- Distance à la Terre à la fin de la phase d’accélération : ~4,41 unités astronomiques
- Durée de la phase de décélération : ~27,1 jours
- Distance parcourue lors de la phase de décélération : 2,67 unités astronomiques
- Distance de la Terre à Saturne : 10,91 unités astronomiques
- Durée de la phase en vitesse de croisière : ~19,42 jours
- Distance parcourue lors de la phase de croisière : ~3,83 unités astronomiques

La plupart des chiffres annoncés ci-dessus sont repris de la publication suivante écrite par Bussard :

- From SSTO to Saturn’s Moons: Superperformance Fusion Propulsion for Practical Spaceflight (Bussard, 1994)

Avec le caveat suivant (en page 7) :

Note that the maximum speed (67-73 km/sec) is large compared to capture delta v needs, thus these can affect the transit times estimated here by, at most, 10%-15%.

Et à nouveau en page 7, concernant spécifiquement les transits Terre-Saturne :

Here, as before, the velocity increment requirements for matching and capture at the target planets (Earth and Saturn) were ignored as being small relative to the total velocity capability of the vehicles being considered. The error thus introduced is about 5-8% in transit time for these E/S missions.

- Temps de transit total Terre-Saturne : ~44,63 + ~27,1 + ~19,42 = ~91,15 jours (auxquels on ajoute 8%, soit ~98,44 jours).

Quoi qu'il en soit, la question que je voudrais te poser est : à quel point ton TPE doit être réaliste ?

Cordialement.

[Blackrafter]

Bonjour, bonsoir

Je tiens déjà à te remercier pour cet éclaircissement et ces nombreuses sources / informations partagées, elles me seront certainement TRÈS utiles.

Si mon interprétation est bonne, je dois comprendre que le réacteur VASIMR n'est, en soit, aucune solution pour des voyages extra-planétaires de cette envergure pour des raisons pratiques et physiques ? Je dois donc me débarrasser de ce système...

Je voudrais par contre ajouter que selon mes sources, des modèles de réacteurs à fusion nucléaire son en développement et même en phase de test (voir post-test). Bien sur, question taille / poids on est assez loin de l'objectif, mais cela reste prometteur. Je me demande, par conséquent, si on parle bien du même type de réacteurs à fusion (ITER), voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/ITER
Mes connaissances restent tout de même restreintes sur ce domaine puisque c'est un thème qu'on est seulement en train d'aborder en cours, il se pourrait donc que je soit dans l'erreur totale.

D'un autre côté, (une petite lueur d'espoir est apparue en moi) tu as parlé générateurs à fusion aneutronique Polywell. D'après ce que l'ai compris, nous ne sommes toujours pas assez avancés scientifiquement pour que cela devienne un projet réalisable maintenant. Il n'empêche cela ne pose problème puisque mon TPE ne doit pas forcément être dans le domaine du réalisable à T=maintenant. Seulement si des avancées scientifiques dans le domaine se font.

Ce que je trouve donc encore de plus intéressant c'est les données que tu nous a mis à disposition. (Je ne vois pas encore comment faire pour citer ta réponse, mais je pense que tu repères) Celles-ci voudraient donc dire qu'un potentiel vaisseau de 400 tonnes doté de ce générateur et de propulseur d'impulsion spécifique de 70 000 secondes permettrait donc (avec les contraintes extérieures) d'atteindre Saturne en environ 98 jours ? Cela me parait relativement court sans prendre l'exactitude des données...

Si oui, j'aimerais connaître le modèle de ces fameux propulseurs, même si je pense que cela est décrit en détails dans l'article de Brussard.

[Blackrafter]

Je m'assure que vous soyez avertis de ma réponse en vous "répondant rapidement". Je ne sais pas si le simple fait d'envoyer un post dans la discussion permet aux participants de cette dernière de voir les notifications des nouveaux posts.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Geb]

Si mon interprétation est bonne, je dois comprendre que le réacteur VASIMR n'est, en soit, aucune solution pour des voyages extra-planétaires de cette envergure pour des raisons pratiques et physiques ? Je dois donc me débarrasser de ce système...

Ce que je pense avoir compris des critiques de Zubrin, c'est que ce qui rendrait le voyage Terre-Mars en 39 jours possible, ce ne sont pas tellement les performances du VASIMR (qui sont plutôt médiocres comparées à d'autres propulseurs ioniques), mais plutôt celle d'un générateur à fission nucléaire à cœur gazeux, qui n'ont jamais été conçus que sur le papier à l'heure actuelle.

Je voudrais par contre ajouter que selon mes sources, des modèles de réacteurs à fusion nucléaire son en développement et même en phase de test (voir post-test). Bien sur, question taille / poids on est assez loin de l'objectif, mais cela reste prometteur. Je me demande, par conséquent, si on parle bien du même type de réacteurs à fusion (ITER), voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/ITER

Le problème c'est qu'ITER pèse ~23.000 tonnes un qu'en tokamak me semble difficilement "miniaturisable".

D'un autre côté, (une petite lueur d'espoir est apparue en moi) tu as parlé générateurs à fusion aneutronique Polywell. D'après ce que l'ai compris, nous ne sommes toujours pas assez avancés scientifiquement pour que cela devienne un projet réalisable maintenant.

Si j'ai cité la variante DFP (diluted fusion product) d'un propulseur spatial basée sur l'utilisation d'un générateur à fusion nucléaire Polywell, c'est surtout pour te donner une idée de l'étude la plus optimiste en matière de voyage habité dans l'espace, à l'échelle du système solaire. Rien ne dit que tu verras cette technologie de ton vivant, d'ici la fin du siècle, ou qu'elle existera même un jour.

Il n'empêche cela ne pose problème puisque mon TPE ne doit pas forcément être dans le domaine du réalisable à T=maintenant. Seulement si des avancées scientifiques dans le domaine se font.

De mon point de vue, pour un TPE à propos d'un hypothétique voyage habité vers Titan, tu devrais malgré tout te limiter à une vision à moyen terme, disons 50 ans, c'est-à-dire, dans l'état actuel de nos connaissance, aux différents types de propulsions nucléo-électriques, aux systèmes de survie de type MELiSSA (pour "Micro-Ecological Life Support System Alternative"), à des systèmes de simulation de la gravité terrestre par force centrifuge, de protections contre les rayons cosmiques, etc.

Si oui, j'aimerais connaître le modèle de ces fameux propulseurs, même si je pense que cela est décrit en détails dans l'article de Brussard.

Si tu tiens absolument à te documenter sur le principe du Polywell, j'ai entamé une discussion à ce sujet il y a quelques années :

http://forums.futura-sciences.com/as...-spatiale.html

Cordialement.

[Blackrafter]

Bonjour Geb !

Merci pour toute ton aide, elle m'a été vraiment précieuse !

Cordialement.