Lune-taille fusée et autres paramètres

[invite9137ea99]

Bonjour à tous.
A t-on déterminé (ne fut-ce que très approximativement ) par exemple à la demande d'auteurs de science-fiction, pour être en cohérence avec une certaine réalité, quelle vitesse pourrait atteindre un vaisseau lancé à partir de la Lune (on suppose que les problèmes d'intendance entre la Terre et la Lune ont trouvé des solutions).
J'imagine que la fusée pourrait emporter bien plus de carburant, puisque le vaisseau aurait une taille bien plus importante aussi (poids/6, et contraintes structurelles diminuées). De plus, pas de freinage dû à une atmosphère, et plus de 5km/s de différence par rapport à la Terre come vitesse de libération. Merci.
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[saint.112]

Je suppose que tu embarques pour un voyage interplanétaire. La vitesse que tu peux atteindre va dépendre de la quantité de coco que tu peux emporter. Pour tout déplacement dans l’espace ce qui compte est le ∆v ou Delta-v, c’est-à-dire la différence de vitesse que tu peux imprimer à ton vaisseau et donc l’accélération nécessaire. L’énergie à dépenser dépend de sa masse (laquelle change tout le temps bien sûr).
La vitesse de libération de la terre est 11,18 km/s et celle de la lune 2,37, donc la différence est 8,81. Il est donc en effet beaucoup plus économique de décoller de la lune que de la terre mais une fois libéré de l’attraction gravitationnelle il faut encore accélérer pour rejoindre Mars ou Vénus par exemple et à partir de ce moment le problème est le même dans les deux cas. Dans l’article de Wiki il y a un graphique montrant les différents ∆v pour atteindre Mars ou la Lune (les flèches indiquent le sens de la poussée à imprimer). Il suffit d’additionner.
Nico

[Anathorn]

La vitesse de libération de la terre est 11,18 km/s et celle de la lune 2,37, donc la différence est 8,81. Il est donc en effet beaucoup plus économique de décoller de la lune que de la terre

Attention, car si on ne fait "que" se libérer de l'attraction de la Lune en dépassant tout juste sa deuxième vitesse cosmique (dite "de libération"), une fois sorti de la SOI (sphère d'influence gravitationnelle) de cette lune... on tombe dans celle de la Terre qui l'englobe !
Tout comme celle du Soleil englobe celle des planètes du système.

Et il reste alors a savoir, si on a atteint la vitesse de libération lunaire, si la vitesse de libération terrestre, a l'endroit où l'on est (cad a 380 000 km de sa surface) est atteinte elle aussi, avant de vouloir entreprendre d'aller sur une autre planète.
Ce qui n'est pas le cas...
Donc on restera dans une orbite elliptique très large autour de la Terre sans pouvoir s'en échapper, sauf si on procède a une accélération plus importante que les 2.37 km/s relatifs à la surface lunaire, qui ne suffisent pas a sortir du système Terre/Lune ("paradoxalement" conditionnée, dans le cas d'un départ de la Lune -surface ou orbite- par la vitesse de libération terrestre !)

"Les" gravitations, c'est comme les poupées russes : elles s'emboitent les unes dans les autres. (celle du soleil dans la galaxie et celle de la galaxie dans l'amas galactique, ensuite, seulement, intervient l'expansion entre les amas galactiques).
Comme des petites bulles dans des grosses bulles.
Et plus la petite bulle est proche du centre de la grosse bulle, plus elle est comprimée et réduite en volume : plus la planète est proche d'un soleil, plus sa SOI est réduite, toute masse identique par ailleurs.
Un peu comme les effets de la profondeur marine : la même bulle d'air sera beaucoup plus petite a 100m de profondeur (proche du soleil) qu'a 2m de profondeur (très loin du soleil).
La Terre et Vénus ont des SOI bien différentes alors qu'elles ont des masses proches, a cause de cet effet.

A t-on déterminé (ne fut-ce que très approximativement ) par exemple à la demande d'auteurs de science-fiction, pour être en cohérence avec une certaine réalité, quelle vitesse pourrait atteindre un vaisseau lancé à partir de la Lune (on suppose que les problèmes d'intendance entre la Terre et la Lune ont trouvé des solutions).
J'imagine que la fusée pourrait emporter bien plus de carburant, puisque le vaisseau aurait une taille bien plus importante aussi (poids/6, et contraintes structurelles diminuées). De plus, pas de freinage dû à une atmosphère, et plus de 5km/s de différence par rapport à la Terre come vitesse de libération. Merci.

La question c'est : pour quoi faire ?
Vu qu'il sera toujours CONSIDÉRABLEMENT plus économe en Dv total d'assembler une grosse structure en LEO (low earth orbit : orbite basse terrestre) qu'à la surface lunaire ou il faut déjà y avoir tout déposé.
Se poser sur la Lune, c'est ~12 km/s tout compris, l'orbite LEO c'est 7.5 km/s.
Sans compter qu'en orbite, par définition, il n'y a plus de perte par gravité au décollage.
La différence ne laisse aucun doute sur l'intérêt réciproque des solutions.
Donc, la question : pour quoi faire ?

Après, on peut envisager une structure gigantesque qui tirerait parti de la faible attraction lunaire pour la mettre en orbite autour de la lune avant de l’éjecter pour Mars a moindre coût (de Dv) par exemple.
Seulement il ne faut pas oublier que tout ce qui est arrivé sur cette structure a déjà consommé 10.5 km/s + le freinage de rdv (0.5km/s voir moins si rdv de HALO ou c'est presque rien).
Alors que tout ce qui partirait de LEO, n'aura couté que 7.5 km/s.
Tout doit forcément partir de la Terre, donc si on veut rajouter d'autres étapes a LEO, c'est forcément plus cher au final en Dv.

Sans parler des problèmes de trajectoires pour partir de la Lune directement a Mars, qui ne sont pas "complexes", mais quand même loin d'être triviaux.
Dans un tir Terre/Mars, on passe par 3 référentiels d'attraction (donc de navigation) : Terre / Soleil / Mars.
Dans un tir Lune/Mars, on passe donc par 4 référentiels : Lune / Terre / Soleil / Mars.
Techniquement rien de sorcier, mais ça limite encore plus la fenêtre de tir direct, car on a ~45 jours de fenêtre vers mars tout les ~2 ans et demi a partir de la Terre, et là, on se retrouve avec seulement quelques heures dans ces 45 jours, tout les 2 ans et demi : fenêtre très courte et précise.
Car on doit attendre une disposition spécifique du système pour tirer : on ne va pas tirer vers Mars lorsque la Lune va dans le sens rétrograde de l'orbite terrestre.
Tout ça peut avoir l'air compliqué mais c'est très simple a se représenter mentalement les schémas de rotation des astres pour comprendre pourquoi on ne va pas tirer lorsque la vitesse de la Lune peut être considérée comme négative dans le total (quand elle va dans le sens inverse de progression voulu).

Finalement, toutes ces contraintes rendent l'assemblage en orbite lunaire pour aller au delà de la SOI terrestre réservé éventuellement pour des très grosses structures qui seraient incapables, une fois construites, de partir de LEO. Des structures hors de notre portée actuellement.
Aujourd'hui, et pour encore très longtemps, la meilleure, plus simple et plus économique façon d'aller sur Mars, c'est de partir de LEO, pas d'aller tout mettre sur ou autour de la Lune avant d'aller sur Mars.
Mathématiquement, ça ne changera jamais.
Mais au niveau de l’ingénieure, ça pourrait changer, dans le cas d'un monstre bâti en orbite lunaire, et très paresseux parce très massif. Ça pourrait être plus pratique de tirer de la Lune un gros balourd peu efficient en accélération, qui mettrait alors des mois voir des années a partir de la terre en plusieurs dizaines ou centaines de pichenettes ridicules, alors qu'il mettrait beaucoup moins de pichenettes a partir de la lune.
Sans compter qu'on pourrait espérer récolter directement sur la Lune les ergols de propulsion (comme la dissociation H2O en LH2/LOX), ce qui changerait alors totalement la donne...
Mais ce n'est pas pour notre époque.

Ce qu'il faut retenir, c'est que tout ce qui part sur la Lune a dû y arriver au préalable, et que donc c'est forcément plus cher (en Dv) que si ça part directement de la Terre.

[Anathorn]

L’exemple des bulles au-dessus, pour illustrer l'imbrication des sources gravitationnelles, n'est pas forcément bien choisi, car les bulles ont des limites précises, contrairement aux SOI dont les frontières sont des transitions progressives.
Près de la sortie de la SOI terrestre, on peut avoir 58% d'attraction terrestre et 42% d'attraction solaire par exemple.
Mais là, on est donc encore dans la SOI terrestre puisqu'elle est majoritaire.
En astronautique, on change de référentiel de trajectoire en fonction de la SOI majoritaire.
C'en donne donc 4, des référentiels successifs, dans le cadre d'un voyage Lune / Mars.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite9137ea99]

Merci pour ces réponses trés instructives .
Petite question subsidiaire : avec la technologie utilisée par le programme Apollo, on a l'impression (je sais, c'est pas très scientifique comme expression ), qu'on était à la limite de la faisabilité. Je veux dire.... si la Terre avait comme gravité 10, 81 au lieu des 9,81, Kennedy n'aurait pu gagner son pari, ...ou si ?

[penthode]

la question a-t'elle un sens ?

avec 10,81 y'aurait-il une humanité sur terre.....

bref

[invite9137ea99]

Vous êtes bien sévère.
Une vie analague à la nôtre aurait pu voir le jour à 10,81, non ? Mais cela aurait eu un grand impact sur l'évolution de la conquête spatiale. Ou je me trompe ?

[saint.112]

Petite question subsidiaire : avec la technologie utilisée par le programme Apollo, on a l'impression (je sais, c'est pas très scientifique comme expression ), qu'on était à la limite de la faisabilité.

C’est sûr. Il ne faut jamais perdre de vue que ce programme a été effectué dans l’urgence. Un grand nombre de technologies ont été mises au point au fil de l’eau car elles n’existaient pas ou n’étaient pas maitrisées et de loin. Le prétexte de l’exploration d’un monde inconnu, la New Frontier de Kennedy (à ne pas traduire par “nouvelle frontière“), et la recherche scientifique étaient des cache-sexe pour une opération de guerre, froide certes mais guerre tout de même. Il s’agissait d’arriver avant les Soviétiques. D’où l’effort colossal que ça demandé et le fait que, malgré tous les tests, la mise au point était encore loin d’être finalisée. Ils ont certes été prudents mais ils ont aussi eu de la chance de ne pas avoir eu plus d’incidents.

si la Terre avait comme gravité 10, 81 au lieu des 9,81, Kennedy n'aurait pu gagner son pari, ...ou si ?

Il aurait fallu fabriquer une fusée plus grosse ou alors faire plusieurs lancements avec un rendez-vous en orbite pour assembler les différents modules comme ça avait été envisagé. Ça ne me parait pas infaisable à condition de se donner le temps.

Nico

[Dakitess]

Pour répondre à la question de départ sur le DeltaV max que l'on pourrait imaginer atteindre "de manière raisonnable" sur la Lune et en partant du principe que le refueling y est possible via minae et transformation... J'suis pas sur que ce soit aisé à déterminer. Qui dit minage en quantité industrielle, dit qu'on est plus vraiment dans le scope actuel. On peut donc miser sur des systèmes de propulsions plus avancées, atteignant des vitesse d'éjection 2-4 fois supérieure à ce qu'on a actuellement en potentiel chimique pur, via le nucléaire notamment : encore faudrait il que la ressource correspondante puisse être minée en grande quantité. Vient ensuite la résistance structurelle de l'ensemble comme nouvelle potentielle limite mais là encore, difficile de se projeter : sans atmosphère, nul besoin d'aérodynamisme, et on peut donc théoriquement prendre toute la place que l'on veut à l'horizontale pour s'affranchir des limites mécaniques d'un empilage vertical. Et en comptant la pesanteur divisée par six, j'imagine qu'on peut décemment affirmer dans le cadre de la SF que ce point n'est plus vraiment une contrainte.

D'ailleurs, une conception très horizontale permettrait un montage en parallèle très intéressant du point de vue du DV, en larguant une quantité importante de réservoir vide à mesure de la consommation, ce que ne permet pas vraiment une construction verticale traditionnelle.

Reste les matériaux à proprement parlé. Verticale ou très horizontalisée, il faudra beaucoup de matière, à assembler ou à apporter tel quel. Le SpaceShip est un "bon" exemple en terme d'actualité, avec sa grande taille, il faut le ravitailler 8-10 fois pour amener quelques dizaines de tonnes au sol de la Lune. Bien sur l'avancement technologique profiterait aussi aux vecteurs partant de la terre mais cela restera très très couteux, pas de changement de paradigme majeur pour endiguer les 12km/s requis pour atteindre la Lune. On décale donc majoritairement le problème à ce qu'on connait, le décollage depuis la Terre avec toutes ses contraintes, de verticalités, de puissance, de DeltaV, d'acceptation par la population (nucléaire, CO2, cout public), etc.

Pour une bon contexte SF, ces éléments sont à prendre en compte, a moins d'instaurer de base un système auto-répliquant quelques centaines d'années après notre ère et après les premières installations durable sur notre satellite naturel. Mais des réservoirs en régolithes, j'suis quand même pas bien sur, cela dit à voir si ça peut faire sens haha.

Bref, si on part de contraintes purement structurel au sol de la Lune, me semble pas y avoir de limite bien définie. Au titre de la SF, je pense qu'on peut "sans mal" imaginer un machin large de 40m par 40m, pourquoi pas haut de 40m également, reste à y associer une masse à plein, une masse à vide, une charge utile, une ISP, un système de découplage en asperge optimisé, et éternuer un DeltaV avec ça ! Allez, je dirais que pour 50t de charge utile (ha bah ouais, SF, on part pas les mains vides !) on peut tranquillou rejoindre n'importe quel point du système solaire et déposer un truc au sol via un module dédié ;p